高压电能表校验装置电流档位控制器设计

赖荣光,高翔,胡仁俊

(1.珠海安瑞通电子科技有限公司,广东 珠海 519000; 2.华南理工大学 电力学院,广州 510640)

0 引 言

国家标准GB/T 37968-2019《高压电能计量设备校验装置》定义的高压电能计量设备校验装置(以下简称校验装置)是一种由源、标准装置以及误差计算系统组成的集合,并用于检验6 kV～35 kV三相或单相高压电能的计量设备(以下简称被检设备)。被检设备包括传统高压电能计量箱(柜)、一体化高压电能表[1]、配电网同期线损测量装置、12千伏一、二次融合柱上断路器(具有电能计量功能)等。校验装置的“源”是指能够产生频率、相位和幅值可调的电压、电流且有一定负载能力的装置。“高电压、大电流”的输出实际上以三相低压程控功率源、高压升压器、高压升流器和高压标准电压互感器、电流互感器[2]为核心组成的控制系统进行输出控制和反馈,而高压升流器及其电流互感器由多个档位组成以保证允许输出在测量范围内的精度,如0.2级,从而满足输出符合检定规程的不同幅值和角度的电流值,通常升流器与电流互感器采用分体式而不是一体式结构以增大升流器的额定容量[3]。国家标准GB/T 32856-2016《高压电能表通用技术要求》所定义的额定电流标准值为5 A、10 A、15 A、…、400 A、500 A和600 A,为了满足校验时输出0.01%In～Imax的宽量程电流值、额定电压和不同功率因数,需要切换高压升流器及其电流互感器的档位。

根据电网的安装设计规范,大约每300 kV·A用电负荷配置一台10 kV传统高压电能计量装置,估计全国预计需求量超过100万台。另外近几年兴起且应用于10 kV配电网同期线损[4-5]管理与考核的一体化高压电能表和分线线损计量装置[6],安装在10 kV架空线路与环网柜的联络、分段、分支或分界位置,用于负荷转供时实现电能双向计量,依赖用电信息采集系统完成数据远传和自动采集,结合一体化电量和线损管理系统,自动计算10 kV配电网的日(月)分线线损,降低线损计算打包率,可以快速有效治理高(负)线损,查处高压窃电。与传统高压电能计量装置相比,此类新型轻量化设备高度集成了高压取能、高压计量、硬件加密和远程通信等一二次融合技术[7],改变了传统的计量方式,利于整体检定和校验,测量的电能精度为整体误差而不是综合误差[8];大大减少了铜、铁等金属材料的消耗,具有资源节约、体积小、易运输、易安装的特点,符合国家的“碳达峰、碳中和”政策。国内应用总数超过10 000台,正是当今研发与应用的热点。为了准确得到高压电能表的整体误差,满足社会发展对电能计量准确度越来越高的要求,国内目前有多个厂家对高压电能表的校验装置展开研究,并取得了初步成果。在现有大多数高压电能表校验中,为了保证电流输出的准确度,当输出一定量程的电流时,需要将校验装置停机,依靠人工手动更换高压升流器或高压电流互感器的档位,而不是由电流档位自动切换机构完成,这会严重影响校验装置在实际批量生产或检测时的安全性、时效性、自适应性和自动化水平。

文中基于电子控制技术设计了一种可在高压大电流回路中进行电流档位智能切换的控制器,即在高压侧的电流输出和反馈回路串联了多个并行磁保持继电器,通过一个或多个继电器的同步开合实现升流器及电流互感器的一次侧给定档位选通;另外,电流互感器二次接线的输出档位直接驱动小型固态继电器闭合与断开,以选通继电器作为电流量程的切换,实现校验装置工作时的电流线性输出;同时,还设计了一款用于校表与检表的智能化软件。与采用PLC控制步进电机的机电控制方式相比,降低了高压工作环境下需具备较高绝缘水平和较大安全距离的要求,具有切换速度快、安全性高、维护性强、噪声低的特点。

1 电流档位控制器硬件方案

1.1 校验装置系统组成

文中设计的校验装置工作原理如图1所示,包括三相多功能标准表、三相程控功率源、10 kV高压升压器及标准电压互感器、10 kV高压升流器及标准电流互感器、多表位电能误差计[9]、电流档位控制器等,智能化检表软件运行在安装有Windows系统的主控计算机(PC机)上。采用三元件法(3个10 kV升压器)升压与反馈、二元件法(2个10 kV高压升流器及其电流互感器)升流与反馈实施源控制,电压输出0～10 kV、电流输出0～400 A,相位0～360°,整体准确度0.05级。三元件法升压相比二元件法升压,输入电压降为1.732倍,可以降低10 kV升压器的绝缘耐压水平,提高升压器的使用寿命与安全水平。一旦升源成功,将三相多功能标准表由三元法计量模式自动切换成二元法计量,保持与高压电能表的二元件法计量的原理一致,保证接线正确、杜绝少记电量[10]。

图1 高压电能表校验装置系统框图

10 kV高压升流器具有5个输出档位,10 kV高压电流互感器具有6个输入档位,它们的一次侧与二次侧接线的档位对应关系如表1所示。

表1 10 kV高压电流互感器一二次接线对应关系

10 kV高压升流器一次接线即高压侧有5个输出档位(L1L2～L1L6),输入电压0～220 V,最大输出400 A,输出功率2 kV·A。L2～L6分别对应400 A、250 A、100 A、50 A、25 A,其中L1为公共端。

10 kV高压电流互感器一次接线有6个输入档位(L1L2～L1L7),二次接线有5个输出档位(K1K2～K1K6),准确度等级0.05,其中L1和K1为公共端。

1.2 电流档位控制器的方案对比与分析

校验装置通过低压的三相程控源经过10 kV高压升流器、10 kV高压电流互感器输出满足检定精度要求的电流幅值以及与电压间的角差,两者在输入与输出端都具有不同量程的档位。根据电流输出值所处量程自动闭合或断开相应档位,可以采用机电式与电子式的电流档位切换机构。

机电式结构采用PLC控制步进电机驱动丝杆护套移动滑块实现切换不同电流档位,主要由步进直线电机、PLC控制卡、电机驱动器、各个档位光电开关、导向杆、丝杆、滑块、感应片等组成。优点是高低压分离换挡后绝缘性好,安全性高;由于引入分档实现保证1 A～500 A输出电流的线性度以及相位的准确度,失真度低,稳定度好。缺点是换挡时依靠机械运动导致速度慢(约为15 s—60 s)、噪声大、可维护性差。特别是输出电流大于300 A时电流换挡需要30 s以上,对感应片的触点容量要求较高,长时间工作在大电流时容易烧蚀触点,需要上位机软件控制其运行时间,无法承担长时间大电流的试验与校验。

文中设计的电流档位控制器为电子式结构,其采用微控制器、无线通信模块、磁保持继电器、隔离电源等,工作原理框图参见图2。

图2 高压侧电流档位控制器原理框图

所设计的电流档位控制器具有结构简单、可编程、成本低、换挡速度快、可维护性好等优点,可以承受大电流的长时间运行与工作,档位切换时间依赖于通信命令的下发与响应,约为3 s—6 s。但是,需要对无线通信模块的信道做统一规划,以防受到同频干扰。

1.3 电流档位控制器的硬件设计

将校验装置工作时的电压区域划分为高压与低压两个区域,因采用二元件法升流,在A/C相高、低压侧分别配置一个独立的电流档位控制器,运用电子式电流档位切换机构进行设计与应用。以电流档位250 A为例,其高压侧控制器的继电器升流与反馈控制电路接口电路图参见图3,其中L3A为继电器升流控制,L3B为互感器反馈控制。

低压侧控制器接入的电流互感器二次侧输出电流最大只有几安培,可直接使用固态继电器(AC 250 V,10 A)作为开关,设计较简单。但高压侧控制器的控制IO连接升流器与电流互感器的一次接线端子所串接继电器的控制接口,工作于高压大电流回路,承载最大电流为400 A,需使用磁保持继电器(DC 12 V,300 A)作为开关元件串接在电流回路中。相比一般电磁继电器,磁保持继电器具有高可靠性、安全性及抗短路电流能力[11]。单个三相磁保持继电器的最大允许电流为300 A,当输出300 A以上的电流档位,需要并接2个磁保持继电器;输出小于300 A的电流档位则只需要1个磁保持继电器。据此需求,设计出分别用于A相与C相独立的一组磁保持继电器。

2 电流档位控制器软件设计

2.1 电流档位控制命令

电流档位控制器对升流器的一次输出侧继电器、电流互感器一次/二次反馈侧继电器的动作执行,完全取决于检表软件下发的控制命令。检表软件在下发命令之前将自动抄读继电器组的当前供电状态、开/合状态、异常状态标志等,并且控制器在编程允许状态下才能响应检表软件的打开或关闭继电器的命令,防止继电器收到其他同频同地址的控制报文,严禁避免继电器的误动作,达到智能控制的要求。检表软件与控制器的控制命令及其格式如表2所示。

表2 电流档位控制器的控制命令

2.2 电流档位自动切换控制

高压侧电流档位控制器位于校验装置机柜的高压侧,从内外隔离和绝缘的安全性、通信稳定性和硬件成本考虑[12],选择本地微功率短距离无线通信模块A7139(频段470 MHz～510 MHz)实现检表软件与控制器的点对点通信,以避免有线通信的高压干扰、绝缘和安全等问题;同时选择的处理器R5F100PJAFB的IO接口具有优良的EMC特性,在高电压大电流的工作环境之下保持接口的电平稳定性,防止继电器的误动作而出现电流互感器开路;另外A/C相高、低压侧控制器的无线模块处于同一无线信道(最大32信道,可设),控制器配置不同的通信地址。当具有编址的控制器接收到检表软件下发的电流档位切换命令,必须严格校验命令的正确性,精准控制电流档位的输出与反馈继电器接通或断开是否到位,保证电流回路不能开路。另外,对于电流输出量程相同,即升流器与电流互感器档位一致,在此量程范围内则不需要切换档位。

控制器上电完成自检之后处于空闲状态,当校验装置对被检设备需要输出不同相别、幅值和角度的电压与电流时,由检表软件发出升源命令,根据当前电流档位状态确认是否需要输出0 A、保持当前电流挡或者切换至其它电流挡,若有异常则立刻中止,电流档位自动切换控制流程详见图4。

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图4 高压侧电流档位切换控制流程图

3 实验验证

3.1 检表软件设计

基于C#语言、.Net4.0框架、Access数据库设计开发了一款检表软件,采用了多线程、串口通信、定时器、异步调用、面向对象等编程技术,对功率源、标准表、误差计等设备进行多串口通信、多规约处理和多任务设计,支持友好的人机界面,以文件或数据库保存相关配置文件和检测结果,主要包括以下功能。

1)系统配置:配置功率源、标准电能表、多表位误差计的通信端口及参数,配置10 kV高压升压器的变比、10 kV高压升流器的档位和变比及其允许输出的最大电流、高/低压侧各相电流档位控制器的通信地址等;

2)电能表配置:配置各个表位的高压电能表(或其它高压电能计量装置)型号、接线方式、表地址、额定电压、额定电流、误差等级、脉冲常数、无线信道等;

3)方案配置:主要配置检表误差方案,根据不同设备类型定制检表的分相与合相不同负载点,并且保存在Access数据库中,方便在检表界面直接根据设备类型选择检表方案名称;

4)手动控源:手动控制升压与升流,调试控制器的命令收发、继电器开合、继电器状态等;

5)自动检表:根据选择的高压电能表的型号、规格、检表方案等实施自动检表。其中在检表过程中,由于不同的检表点需要输出分相或合相的额定电压、不同的电流幅值和功率因数,通过文中论述的电流档位自动控制器实现电流自动换档,满足一体化高压电能表的自动检定需求,检表数据自动保存在Access数据库中;

6)查询与导出:按照被检设备的类型和地址查询和筛选检表记录,以EXCEL表格导出被检设备的各项检表数据,并以文本文件方式自动记录所有控制对象(功率源、标准表、误差计、被检设备、电流档位控制器)的通信报文记录。

3.2 电流精确输出实验

检表软件在多次调整输出时,电压、电流幅值调节细度为0.02%,相位调节细度为0.01°,约100 s左右升源成功,源输出的功率稳定度为0.05%,三相电压不对称度为±0.2%,三相电流不对称度为±0.2%,三相相位差值为0.3°。校验装置输出不同的电流及其精度参见表3。例如待检高压电能表的基本参数:3×10 kV、100(400)A、0.5S、1 kW·h/imp,功率因数为±1.0、±0.5C、±0.5L时检定Imax、0.5Imax、In、0.5In、0.1In、0.01In等负载点,基本电能误差的检表数据详见表4。

表3 校验装置输出不同电流的精度

表4 高压电能表不同负载的有功电能误差

可见,新型一体化高压电能表[16-17]与低压智能电能表校表或检表过程具有显著的不同[18-20],低压校验装置不需要接入高压升流器与互感器,也不需要控制输出几百安培的电流,被检表计也不受到高电压大电流的强电磁干扰,也无须预留足够的10 kV安全距离。面向高压整体计量检定的校验装置应用此电流档位自动控制器,在检表过程中针对不同电流的负载点实现了无须停机切换高压升流器与高压电流互感器的各个电流输出档位,约60—90min可完成多套高压电能表的校表与检表,与校验装置的带载能力、检表项目、脉冲常数、无线脉冲稳定时间等有关,通常一次性检表4～16套,基本上满足批量化生产需求。

4 结束语

将文中研究与开发的高、低压侧电流档位控制器以串联方式接入到所述校验装置的高压侧输出电流回路和低压侧反馈电流回路中,连续运行时可以输出线性电流0～400 A,实质上根据不同电流量程执行了高压升流器及其标准电流互感器的不同电流档位上所串接继电器的选择与开合,以适应不同额定电流的被检设备和检定规程中要求的不同负载点。经过近3年的使用表明,磁保持继电器没有出现故障,控制器的安全性、可靠性、稳定性达到设计要求,大大提高批量校验的自动化水平,在关键技术细节上注意以下几点。

1)高压侧电流档位控制器与升流器工作在高压的等电位环境,其工作电源必须使用交流耐压超过10 kV的隔离变压器(如220 V/12 V)进行供电;

2)高压侧电流档位控制器的数字地、模拟地与高压端接在一起,避免高电压对控制器的“地”电位放电或叠加干扰电场;

3)检表软件控制高压升流器及其电流互感器的不同档位继电器,自动检表时按负载点大小自动排序,即从不同相别、功率因数的大电流向小电流方向执行检验项目,减少跨电流量程出现频繁继电器动作以切换档位;

4)校验装置若需要输出更大的电流或同时检定多个被检设备,则需要选择带载能力更强的高压升流器和高压电流互感器。