高压电能表（共4篇）
高压电能表 篇1
高压电能计量装置是连接发、供、用三方用于贸易结算的计量器具,应用量大面广,对其安全性、可靠性与准确性都有很高的要求。目前,我国配电网主要采用中性点绝缘系统供电,计量点一般设置在产权分界处,对于高压供电的客户原则上都采用高供高计的计量方式。现有高压电能计量装置由高压电压互感器、高压电流互感器、电能表以及与之相连接的二次回路构成,在运行中存在诸多缺陷。高压电能表打破了传统的高压计量方法,是电磁式高压电能计量装置的替代产品。高压电能表是互感器技术、高电压技术、多功能表技术相互融合为一体的新型技术成果,是高压绝缘技术和电子线路的创新应用。高压电能表是一种直接接入6kV～35kV高压电力线路测量有功电能与无功电能的仪表,结构上除了与高压电力线路连接的端子外,没有与其它电气回路连接的端子。它具有提高安全运行系数、减少电网故障几率、节能节材、提高计量精度等级、杜绝窃电现象、减少全寿命周期维护费用、无线显示数据、无线抄收等优点,是业内专家认定的国际、国内实现高压电能计量新跨越的高新产品,具有很高的推广价值。
1 高压电能计量现状
目前,高供高计电能计量方式是由电磁式高压电压互感器、电流互感器将高压电压变换成标准的低电压(100V或100/V),将高压大电流变换成标准的低压小电流(5A或1A),通过二次回路与电能表连接实现计量功能。
现有的计量方式存在的弊端主要有:
1)故障隐患多。一个计量点的高压侧至少需要有4-6台互感器提供电流、电压信号,存在多个故障隐患点。特别是电压互感器,受系统中电磁谐振、高次谐波、操作过电压等因素的影响,保险熔断以至烧毁爆炸现象时有发生。
2)高耗能。每台互感器带有30VA-80VA的固定负荷并存在8W以上的自身损耗。每个10kV电压等级计量点每年耗电1121kWh-2523kWh,损耗电费661元至1489元(电费按大工业电价0.59元/kWh)。
3)体积大、费用高。计量装置中,多台互感器之间即要留有安全距离,又要用铜排进行外部联接,占地面积大,成本高,每个计量点至少耗资8000元-15000元。
4)电能表内部的锰铜分流电阻耗能高运行中因负荷的变化温度时高时低,易出现接触不良,“烧表尾”现象时有发生。
5)电量不能直读,需要乘互感器的倍率,给管理工作带来不便。
6)综合误差大。电能计量装置的误差由多台互感器、电能表、多根连接导线电阻、接触电阻等因素引起,并且后续安装过程中人为的不确定因素同样会引起误差。设备之间的不匹配、互感器负载特性差、电能表启动电流大等也会导致计量误差。
7)难以防窃电。计量回路外部连接外露线多,易发生窃电现象。为了防止窃电,需另外增加防窃电设施及人力管理。
2 高压电能表的结构、原理与特点
电力系统自动化程度的提高,给弱输出信号的高压电流、电压、转换设备带来发展空间。高压电能表利用弱输出电流、电压的非传统互感器替代传统的电磁式电流、电磁式电压互感器,与电能计量模块进行统一的整体设计,实现高压电能计量。
高压电能表原理如图1所示,电能计量单元原理如图2所示。由高压电流传感器组成的高压电流取样回路采集正比于高压侧电流I的微电流信号i(mA级)。由高压电压传感器组成的高压电压取样回路采集正比于高压侧电压的V的微电压信号u(mV级)。采集到的电压信号u和电流信号i经过处理后,送入电能计量单元。乘法器完成电压和电流瞬时值相乘,输出一个与一段时间内平均功率成正比的直流电压U。该直流电压U再被电压/频率变换器变换成相应的脉冲序列,经过分频、计数,显示出相应的电量。计量装置的工作电源由电容取流电路提供。电能计量单元与传感器的一体化设计,改变了电能表的传统连结方式,把传感器输出的电流、电压信号,按照计量模块输入要求,直接处理成可直接应用的弱信号,减少了标准电压信号的二次转换,取消了标准电流信号接口的锰铜分流电阻。它即可以在高压侧实现计量,通过无线、光纤、红外等方式把数据传送到低压侧,又可以采用传感器把高压侧的电流、电压信号用毫安、毫伏级的弱信号传送到低压侧。考虑到高压电能计量作为计量器具的严肃性,为使用户放心用电,高压传感器式电能表,保留了传统的电流、电压、电能信号的读取方式。图3给出了新型高压电能表的外形图。
新型高压电能表克服了传统计量方式的诸多弊端,具有安全可靠、计量准确、防止窃电、节能节材等优点。新型高压电能表主要具有以下特点:
1)计量精度高。现有的电力系统计量装置由电能表、互感器及二次连接导线组成,整个高压电能计量装置没有自己的准确度等级。若电压、电流互感器均按0.2级配置,电能表按0.5S级配置,二次回路压降以02%为标准,那么整套电能计量装置的综合误差控制范围超过1%。而新型高压电能表整体计量精度达到有功05S级和无功2级。
2)安全性能好。避免了传统电磁式电压的铁磁谐振事故隐患,且整体式高压端安置的结构有效防止窃电行为,并从源头上避免了内绝缘故障的产生。
3)能耗低。新型高压电能表的年运行功耗约50千瓦时,大大节约的电能计量装置本身的损耗。
4)资源节约。传统的高压电力计量装置重量在60kg以上,主要为铜、铁和绝缘材料;而高压电能表的整体重量在10kg左右,大大减少了铜、铁等金属材料和绝缘材料的消耗,且具有体积小,安装方便的优点。
5)高信息化。全面兼容国家电网公司的智能电表技术规范,可内置GPRS通讯功能和费控功能。
3 高压电能表的校验
高压电能表在线路上的连接和传统电能表在低压线路的连接相似,只要把高压接线端子接人电网,电能表就能正常工作。高压电能表的检定方法也和低压线路的电能表相似,不同的是要在高压校表台上检定。高压电能表目前多采用标准功率源进行整体检定的方式进行,从高压电能整体计量装置标准回路,以及被测高压电能计量装置的高压侧施加三相高压电压、高压大电流,将高压电能整体检测装置的标准回路与被测高压电能计量装置的电流回路串联、电压回路并联,施加规定的一次电压、一次电流。将在高压电能整体计量装置的标准回路,及被测高压电能计量装置中产生的标准电能与被测电能直接进行比较,测量出高压电能计量装置的相对误差通过计算机数据处理直接打印出误差值。
4. 高压电能表的应用
高压电能表具有小型化、智能化、信息化等优点,现已广泛应用于10kV和35kV配电网中。高压电能表已经过全性能的验证试验,其准确度等级已达到05S级。目前高压电能表已在山东、湖北、重庆等省大量挂网运行,其可靠性和抗干扰能力已得到有效验证。随着高压电能表国家标准的颁布,高压电能表将逐步取代传统高压计量装置,成为高压计量的主流产品。
1)高压电能表的防窃电应用
高压电能表采用了一体化设计,电压、电流信号取样和电能计量全部在高压侧完成,不良用户无法实施窃电和破坏表计,确保了电量数据的安全。对于嫌疑用户可在高压进线侧配置高压电能表,作为专变大用户的副表使用用于实时监控可疑窃电用户。
2)高压电能表在配电网联络点的应用
城市配电线路主要以环网供电方式为主,由于互倒线路多,实行有效的分台区分馈线考核管理就必须在各馈线互倒点加装双向计量装置,以此核定互供电量。但这些节点主要存在于多回路杆上、紧凑型环网柜内、开闭所开关柜内,传统高压电能计量装置的实施十分困难,成本高、施工周期长,难以实现配电网全网覆盖智能化采集的工作目标。高压电能表因其体积小、安装方便、信息化程度高、部署灵活的优点可方便现场实施。
结语
高压电能表结构紧凑,体积小巧,重量轻便,制造工艺简化,不会产生铁磁谐振,具有安全、可靠、节能、节材、计量准确、防窃电性能好等优点。同时,高压电能表作为一个新型高压计量产品,在计量准确度和绝缘性能指标等方面,能够达到高压计量产品的技术要求。高压电能表的推广应用将对提高供电高质量与经济效益产生积极的作用。
参考文献
[1]王乐仁.高压电能表的原理与应用.
高压电能表 篇2
我国10 k V配电网通常采用的是中性点不接地系统, 普遍采用两表法进行电能计量。利用电子式互感器进行传感取样, 再利用高压直接电能计量的方案所构成的高压计量表是一个整体式、高压侧直接计量设备。高压计量表主要由电流、电压交流采样模块、供电单元模块、高压电能计量模块四部分组成。
我国大量的配电网络采用中性点不接地系统, 普遍采用两表法进行电能计量, 可以测量不对称负载下三相三线的功率和电能, 并且不产生误差。三相总功率的公式为:
对于不接地系统或小电流系统, 满足以下关系:
三相功率和电能可以通过检测AB相、CB相间电压uAB、uBC和A相、C相电流iA、iC获得。
1 现有高压电能表供电单元分析
目前10 k V高压电能表的供电单元主要有以下两种实现方式:
1) 传统电磁式电压互感器 ( 简称PT) 构成供电单元
电磁式电压互感器构成供电单元的的优点是电路成熟可靠, 但也存在以下缺点:
a. 在安全上难以保证, 存在铁磁谐振和漏油的故障隐患;
b. 运行能耗高, 高压互感器消耗大量的铜铁、绝缘材料等资源;
c. 体积大、笨重, 无法实现小型化, 互感器的安装非常不方便。
2) 利用电容分压器从输电母线上取电能
此种方式中的电容分压器中, 没有串联电阻和并联限压电路, 电容需要抵抗雷电冲击高电压, 耐压值的选取偏高; 分压的电压为100 V, 获得2W功率, 需要20 m A电流, 电容量的选取也偏大, 抗过压和雷击浪涌能力差。
因此, 需要通过创新的设计对现有的高压电能表的供电单元进行改进。用 “电容、电阻限流降压电路”取代 “电容分压器”和传统的电磁式电压互感器, 可大幅提高整流电压, 降低电流, 使得高压电能表的供电单元体积更小, 输入电压范围更宽, 抗过压和雷击浪涌能力强。
2 高压电能表供电单元的实现原理
如图2 所示, 10 k V高压电能表的供电单元, 主要包括以下功能单元:
降压电容C1和限压电路YM1并联, 后与限流电阻R1串联, 构成典型的降压组件; 电路中同样结构的降压组件共有n个 ( 数量因输入电压不同而调整) , 它们全部串联连接, 共同承担输入的高电压。
电路中, 还设置有整流电压限制电路VL1, 使储能电容CC1的两端电压在900 V到1 100 V之间。
3 新型高压电能表供电单元的设计
1) 10 k V高压电能表供电单元的系统结构
如图3 所示, 10 k V高压电能表供电单元中, 有3 个独立的稳压单元, 分别和A相、B相和C相处于等电位状态, 其中稳压单元A、C分别给A相、C相电能计量单元供电, 稳压单元B给合并单元供电。
每个稳压单元包括DC /DC变换器、整流电压限制电路VL1等两大部分电路。
2) DC / DC变换器的电路实现
如图4 所示, DC /DC变换器是一个典型的反激电源, 采用低启动电流的电流型控制芯片作为主控制器, 具有电路简单、保护全面的优点。
二极管D5的作用是防止储能电容的电能倒灌; 二极管DA3的作用是弱化开关管的输出电容、变压器初级电感之间的谐振, 降低变压器副边的振铃噪音。
3) 整流电压限制电路VL1的电路实现
整流电压限制电路VL1的主要功能是: 在正常的交流输入电压范围 ( 4 k V ~ 30 k V) 内, 将储能电容CC1 的两端电压Vb控制在900 V ~ 1 100V之间, 一是为减小降压电容的容值和增大限流电阻的阻值, 有助于本供能单元的可靠性保证, 二是因为DC /DC变换器中的功率开关管比较容易选择, 可以采用性价比优的功率场效应管, 有助于成本控制。
当DC /DC变换器正常工作后, 自馈电电压+15 H将通过Q6A关闭Q5、Q6, 并接替Vdiv给限压控制电路、DC /DC变换器控制芯片U1等供电, 目的是减少高压Vb消耗的电流, 从而降低供电单元整体的功率消耗。
电阻R2A、三极管Q4组成电流限制电路, 使Q1/ Q2/ Q3/ Q3A的最大输出电流约为6 m A, MOS管Q1/ Q2用于高电压的均分, 电阻R1C/ R1F等用于功耗的分担。稳压管ZW1/ ZW2/ ZW3用于限制MOS管的柵源极之间的电压, 用于保护。
3. 1 降压支路最低工作电压的确定
《高压电能表通用技术要求》 中8. 3. 3 高压电能表的电压影响量试验: 电压范围从0. 8 Un ( 含) 到0. 9 Un ( 不含) 以及从1. 1Un ( 含) 到1. 15Un ( 不含) 时, 以百分数表示的误差改变量不应超过表19 限值的3 倍。电压低于0. 8Un时, 仪表误差允许在+ 10% 和- 100% 之间改变。若电压是0. 8Un时且B相电压断线, 仍然要求电能表正常工作, 则0. 8Un电压由2 条降压支路和3 个稳压单元等共同分担, 所以每条降压支路两端的电压V = ( 0. 8 × Un– 1 × 3) /2 = 2. 5 k V。
每条降压支路两端的最低正常工作电压为2. 5 k V, 此时电流满足功率需求, 约需要2. 5 m A的交流电流。
3. 2 降压支路的其它工作条件
最高工作电压: 30 k V、2 min; 试验按GB /T16927. 1 - 2011 第6 章的规定进行。特别注意的是: 此项操作是人为控制, 所以最好按照长期承受30 k V来设计。
3. 3 输入功率Pd和电压采样回路功耗Ps确定
整流电压限制电路功耗1. 1 × 0. 05 = 0. 055W, DC / DC变换器的输出功率1. 1 W, 效率65% , 则DC / DC变换器的输入功率Pd= 1. 1 /0. 65 + 0. 055 = 1. 75 W, 预留10% 余量, 得到1. 75 × 1. 1 = 1. 925 W, 计算时按照2 W计。在储能电容电压为900 V, 输入2. 5 m A电流时, 有功功率平均值为:
在满足输入功率的要求。
在额定电压10 k V下, ( 电阻式) 电压采样回路的电流为0. 3 m A, 功耗在Ps =0. 3 ×10 =3W。
3. 4 降压组件具体实现
在50Hz条件下, 此时的降压支路的电流约为9 m A, 2 个稳压单元消耗Pd× 2 的功率, 允许降压支路的损耗为。
按照I × I × Ra= P的公式计算, 得9 /1 000 ×9 /1 000 × Ra= 3, 推出降压支路串联电阻总和Ra= 3 × 1 000 × 1 000 /81 = 37 kΩ, 在9 m A时的电压降为333 V。
在最大连续工作电压为交流30 k V时, 计划每个降压组件的工作电压为交流10 k V, 降压支路由3 个降压组件 ( = 30 k V /10 k V) 串联来构成。单个限流电阻12. 3 kΩ, 实际选用12 kΩ。
每条降压支路在2.5 m A、2.5 k V、45 Hz的条件下, 总阻抗Z=2.5 k/2.5=1 MΩ。单个降压组件的阻抗Z1=Zall/3=333 kΩ, 可见降压组件的阻抗Z1基本上由降压电容C1形成, 考虑到45 Hz时的容抗XC 1=1/ (2××45×C1) =Z1, 得到降压电容C1=1/ (2×π×45×Z1) =1/ (90×π×333×1000) =0.010 6μF, 实际选用0.011μF。
每个降压组件的最大连续工作电压为10 k V, 峰值为14. 14 k V, 实际选用25 k V耐压, 是考虑到限压电路的漏电流、击穿电压误差、钳位电压随电流的增大而上升等因素。限压电路YM1使用双向TVS ( 1. 5 KE 440 CA) 40 只串联而成。单只TVS的参数如下, 5 ! A电流下, 截止电压376 V, 40 只串联总电压15 k V; 2. 3 A电流下, 峰值电压600 V, 40 只串联总电压24 k V。
在最大连续工作电压为交流30 k V、50 Hz时, 降压支路的电流I30= 30 /2. 5 × 2. 5 × 50 /45= 33. 3 m A。在电阻R1上的损耗PR 1= I30× I30×R1= 33. 3 × 33. 3 × 12 = 13. 3 W, 最大工作电压Vmax= 33. 3 × 12 = 400 V, 功率不大, 电压也不高。
但是, 在供电单元做雷电截波耐受电压85k Vp试验时, 不能发生击穿, 每个电阻分担85k Vp/3 = 28. 33 k V, 考虑到降压电容C1的峰值电压14. 14 k V可能和前者同方向叠加, 总电压可能达到28. 33 + 14. 14 = 42. 47 k V, 实际选择限流电阻R1的短时极限耐压应满足60 k V。可以选用蚌埠双环CRW功率型厚膜电阻器240 Ω/4020 M的贴片电阻2 ( 并) × 10 ( 串) 来实现, 单只电阻的最大工作电压6 k V, 允许功耗1. 5 W, 尺寸为10. 2 × 5. 1 × 0. 6, 单位mm。
降压组件的完整原理图如图6 所示。
4 结束语
用 “电容、电阻限流降压电路”取代 “电容分压器”, 同时把限流降压后的整流电压, 大幅度从100 V提升到1 000 V。在输出2 瓦功率时, 只需要2 毫安电流, 和现有技术相比: 降压电容的容值只有1 /10, 限流电阻的阻值却是100 倍或者更高, 再配合降压电容并联限压组件、采用多余能量分流技术来限制整流电压等措施, 使本供能单元具有交流输入电压范围宽, 抗连续过压、雷击浪涌等异常条件的能力强, 同时具有体积小、成本低等优点。可极高的提高高压电能表的性能。
参考文献
[1]胡顺, 徐芝贵.高压电能表的研制进展[J].电测与仪表, 2008, 45 (1) :123, 42
高压电能表 篇3
作为现代化经济社会发展和进步的重要基础设施事业, 电力有着至关重要的作用和意义。无论是其系统的经济稳定, 还是其整体的安全运行, 都是人们进行安全、稳定生产和生活的重要保障。随着工业以及各种高新技术的不断发展和壮大, 配电网络中已经广泛使用了各种非线性、大功率且灵敏度极高的电力器件, 这使得原本就不简单的电能质量更加复杂多变。故此, 充分了解并分析配电网中高压电流的测量系统以及具体电能质量问题, 是本文即将研究的主要内容。
1 配电网中高压电流测量系统分析
针对常规的高压电流测量系统而言, 其信号采集装置往往是传统的互感器及其相关设备。由于传统的互感器设备有极大的不足和缺陷, 所以, 在某些特定条件下, 配备这种互感器的常规系统已经满足其正常的工作需求。故此, 本文主要对新型的高压电流测量系统进行分析和研究。新型系统是采用光电式的电流互感器进行工作的, 具有准确、快速采集和收录信号的作用。同时, 由于该系统数字化水平较高, 所以可以与计算机进行直接联机操作, 有利于信号的快速、高效分析和处理, 从而促使整体电能质量达到检测的基本要求。
就新型的高压电流测量系统而言, 其硬件主要由Rogows ki线圈、配套电路等组成。该系统中, 其互感器属于光电式, Rogowski线圈是其基础。另外该系统的硬件部分主要应用于电网电信号方面, 对电网中存在的电信号进行扑捉、采集, 并传输至低电压的侧终端, 从而进行电信号研究和分析。而其软件部分则主要应用于电网状态的评估方面, 将系统硬件部分扑捉采集到的电信号作为基础, 通过对其进行相关算法的设计, 可以整体评估电网的运行状态。该新型系统的具体结构设计如图1所示。
由图1可以看出, Rogowski线圈的探头从高压母线处对电网信号进行感应, 并利用高压侧的电子电路调制已感应或已采集到的电信号。然后利用通信光纤将已调制完成的电信号导入至低压侧的电子电路之中, 最后再经过一轮二次调制, 电信号就直接进入到计算机中。与此同时, 低压侧在电压驱动形式的激光器作用下, 通过供能光纤供能给高压侧的电子电路。另外, 就新型系统的软件部分而言, 无论是其数据的分析处理, 都离不开计算机, 对计算机的依赖性非常高。也就是说, 只有通过计算机对电信号进行有效处理后, 系统的软件部分才能对处理后的数据进行二次分析和处理。
2 配电网中电能质量分析方法探究
2.1 电能质量扰动信号特征分析
为了更加正确地识别电能扰动电能质量的信号, 需要对扰动信号的特征进行详细分析, 然后才能充分根据其自身特点, 选择正确且合适的提取算法, 从而实现电能质量的控制和提升。
在理想状态下, 为用户提供服务的电网信号应该是幅值和频率都恒定的交流电压。故此, 其电压式为:
式 (1) 中:Um表示额定电压的具体幅值;ω表示角速度;Φ表示初始相角。
在常态之下, 无论是Um, 还是ω, 亦或是Φ, 都应该为确定值。因为一旦这三个参数产生改变, 那么整个电网就会产生相应的电能质量问题。从信号分析的角度理解, 电能质量的具体扰动形式也属于这三个参数变化中的非常范围。
将IEEE相关规定作为基础, 根据电能质量的扰动过程中出现的对应电压波形时频域特征进行划分, 电能质量的具体扰动除了不常见的电压波动、简谐波、过电压、电压切痕以及欠电压之外, 还有主要的五种, 即电压中断、电压暂升、电压暂降、暂态脉冲以及暂态振荡。
就电压中断而言, 是指在某一时间点, 供电电压猛然降低, 骤降至0.1标么值, 甚至以下, 且该时间持续不超过1min。产生这种扰动的原因很多, 系统故障、控制误动以及设备失效等, 都有可能造成电压中断扰动。电压中断的数学表达式为:
式 (2) 中:Um表示电压幅值;γ表示幅值的具体变化幅度, 且γ∈ (0.9, 1) ;t1表示扰动发生的具体时间;t2表示扰动结束的具体时间;t2-t1表示突变的具体持续时间, 且t2-t1∈ (0.5T, 50T) (在下列式子中, 由于符号意义与该式相同, 故不再做特殊说明) 。
就电压暂升而言, 是指在某一时间点, 供电电压的幅值直线上升至1.1标么值到1.8标么值范围内, 且时间可持续0.01s~1min范围内。这种电压暂升的现象是与系统故障紧密联系的。简单来讲, 当单相对地发生系统故障时, 非故障相就会产生相应的电压暂升。电压暂升的数学表达式为:
就电压暂降而言, 是指在工频条件下, 供电电压突然下降至0.1标值到0.9标值范围内, 且时间持续在0.01s~1min范围内。通常情况下, 除了设备启动时吸取大电流会导致该情况发生外, 大多数电压暂降情况都是因为系统故障才发生的。电压暂降的数学表达式为:
就暂态脉冲而言, 是指在稳定的环境条件下, 电信号出现突然性的单极性变化情况。通常情况下, 该变化是不发生在工频上的。从数学角度分析, 暂态脉冲的表达式为:
就暂态振荡而言, 是指在稳定的环境条件下, 电压、电流等非工频突然性地出现双极性变化的情况。通常情况下, 负载以及电容器投切都会引起暂态振荡想象。暂态振荡的数学表达式为:
式 (6) 中:γ∈ (0.1, 0.8) 且t2-t1∈ (0.5T, 30T) 。
式 (6) 中:c表示振荡的理论衰减系数;μ表示波动频率的理论相对系数, 且μ∈ (10, 40) 。
从上述所有的数学表达式分析, 在理想电压下, 无论是通过时域, 还是通过频域, 其物理特征发生突变的结果都属于单一扰动。除此之外, 根据突变发生时间的长短, 可以将电能质量扰动具体分为稳定型和暂态型两种。表1为电能质量扰动中暂态和稳态的具体划分。
通过表1, 可以知道, 本文主要分析的是暂态的电能质量问题。
2.2 提取扰动信号特征的方法分析
在电能质量的分析领域, 对其扰动信号特征的提取方法很多, 本文主要对S变换方法进行分析。S变换方法的具体表达式为:
式 (7) 中:ω (τ-t, f) 表示与频率相关的高斯窗理论函数;τ表示时间轴上控制高斯窗理论函数的具体参数。
获得相应的时间采样序列x (t) 后, S可变换为:
式 (9) 中:S (τ-f) 表示经过S变换后, 采样序列x (t) 在复时频时的二维矩阵。其中, 横向量表示频率值, 其间隔为频率实际分辨率;列向量表示采样时刻, 其单位为采样间隔。
设置相应的S变换模矩阵, 其意义为各元素求模的具体值。其中, 每一元素表示的是对应时间和频率处, S变换后的具体模值。将行矢量设置为信号频率幅值随时间变化的具体分布, 将列适量设置为信号采样时刻幅值随频率变化的具体分布。由此, 可以清晰明了地比较S变换的优点。
3 结论
无论是电网中的高压电流测量, 还是电能质量分析, 都与人们的现实生活和生产息息相关。因此, 对两者进行更加深入的研究和讨论, 对电力行业发展有更加积极的指导作用。
参考文献
[1]冯宇, 唐轶, 石延辉.电能质量分析与参数估计的研究方法综述[J]电力系统及其自动化学报, 2010 (03) :78~85.
高压电能表 篇4
智能变电站是智能电网发展的重要基础,被认为是未来变电站的发展模式。智能变电站应用智能一次设备及先进的通信、控制、信息技术,构建高度集成一体化的系统和信息化平台,具备全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化等特点。同时,智能变电站的电能计量技术也迈入了新的阶段。
目前变电站普遍采用的电能计量模式是分布式计量模式。分布式计量模式按照计量间隔配置电能表,结构清晰,但具有组网复杂、工程造价及维护成本高等缺点。集中式电能计量终端建立在智能变电站先进、可靠的高度集成化信息平台上,大大节约了工程成本,是智能变电站新一代电能计量终端。集中式电能计量终端具有以下特点。
1)全光纤以太网数字接入方式
智能变电站采用电子式互感器,将电气量信号通过合并单元经光纤组网送至电能计量终端,实现电能采集和处理。光纤数字接入方式无需大量电缆,1台集中式电能计量终端即可完成全站的电能量采集、处理及信息远传。
2)计量精度高
模拟电能计量系统的综合误差主要由模拟互感器误差、二次导引线压降、模拟电能表误差组成[1]。而新型集中式电能计量终端为数字光纤输入模式,不存在模拟量采样、A/D转换等误差,采用先进的设计理念和数据处理算法,具有很高的计量精度。
3)基于IEC 61850标准的信息交换
计量终端基于IEC 61850标准实现信息的共享和交换[2],互操作性好,可无缝接入远端电能计量分析系统和智能化变电站计量相关系统。
4)集约、低碳、环保的设计理念
新型集中式电能计量模式仅需1台集中式电能计量终端即可完成全站的电能信息采集,符合智能变电站集约、低碳、环保的设计要求。
5)信息化程度高
集中式电能计量装置有专用的远程维护平台,可实现远程在线维护、监视等功能,信息化程度高。
1 集中式电能计量终端的组网架构
现阶段智能变电站电能计量终端组网架构主要有光纤点对点接入、光纤组网接入和光纤混合接入3种组网模式。集中式电能计量终端组网架构灵活,板件扩展即插即用,可通过不同的功能板件的配置满足不同电压等级、不同规模智能变电站的多样化需求。不同的光纤接入模式组网架构见图1。
1)光纤点对点接入模式
间隔合并单元输出的数字信号经光纤点对点接入计量终端的采集功能板。该模式无需光纤以太网交换机,成本低,但要求计量终端具有强大的接入和数据集中合并处理能力。对这种接入模式,集中式电能计量终端需配置多块采集功能板,每块采集功能板可采集多路间隔信号,可根据现场间隔数量灵活配置采集板数目。采集功能板对信号进行采集和处理后通过智能背板实现信息的共享,由计量主板完成计量和信息集中处理任务。采集功能板配置灵活,即插即用,能满足不同规模变电站的计量需求。
2)光纤组网接入模式
间隔合并单元输出的数字信号接入光纤以太网交换机,组网后由光缆接入计量终端的采集功能板。计量终端仅需配置1块采集功能板、1块计量主板、1块智能交换板即可完成全站的电能计量。
3)光纤混合接入模式
根据电压等级或控制小室分别组网,同一电压等级或控制小室的间隔合并单元输出信号分别经光纤交换机组网后接入计量终端的采集功能板。
3种光纤接入模式各有优点,可以根据变电站的规模和实际现场情况进行配置。模式1无需配置光纤以太网交换机,节省硬件成本,但需要铺设多根光纤,适用于中小规模的变电站。模式2需要配置交换机,但铺设简单,仅需1根光缆即可接入计量终端。对于大中规模的变电站,建议采用光纤混合接入模式,分别根据电压等级或按控制小室区域配置光纤交换机后接入计量终端采集板。
2 集中式电能计量终端的硬件特点
集中式电能计量终端标准配置板件由电源板、采集功能板、计量主板、智能背板总线组成。集中式电能计量终端要实现全站信号的采集和计量,数据共享平台是硬件设计的关键和重点,本文采用前置数据服务器处理和智能背板总线相结合的方案实现高效实时的数据共享平台。集中式电能计量终端的硬件平台架构如图2所示。
采集功能板为计量终端的前置数据服务器,完成信号的采集、处理和数据共享服务功能。采集功能板采用MPC8247处理器及嵌入式实时操作系统。每块采集板提供8路光纤接入口,可点对点接入8路间隔合并单元输出信号或接入光纤以太网交换机的组网输出信号。采集功能板支持IEC 61850-9-1和IEC 61850-9-2标准,对内提供百兆以太网口通过智能总线平台实现数据的共享服务。
计量主板为计量终端的核心单元,完成全站所有间隔的电能计量及计量信号的远传任务。计量主板采用MPC8247处理器及嵌入式实时操作系统,对外提供4路光纤以太网口或电以太网口,支持IEC 61850协议或部颁电能表通信协议,可无缝接入远方抄表系统、计量分析系统或调度系统等完成电量的远传任务。
智能背板总线内置百兆数据总线交换芯片、百兆管理总线交换芯片和低压差分信号(LVDS)控制总线,为计量终端提供实时高速共享平台。
3 集中式电能计量终端的软件实现
3.1 终端基本功能
集中式电能计量终端完成全站所有间隔的电能计量功能。各间隔需要完成的核心计量任务与常规复费率多功能电能表要求一致[3]。基本功能包括:①实时测量电压、电流、频率、功率、功率因数、谐波数据、最大需量等;②分时计量A相、B相、C相正反向有功,输入、输出无功及总的正反向有功,四象限无功等;③分时计量正反向有功最大需量、正反向无功最大需量和四象限无功最大需量及发生时间;④可设置10种费率、14个时区、12套日时段表、14个时段、13个节假日,节假日及周休日可预设置不同日时段表;⑤完善的记录功能,包括运行记录、断相、过压、失压、失流、逆相序、越限、超需量、超负荷、电流不平衡、校时、电压合格率等;⑥可设置时间间隔和记录模式记录负荷曲线;⑦包括清需量、清记录、编程、调试、开盖检测、调表、报警等常规功能。同时,集中式电能计量终端提供友好的大屏幕彩屏界面,可独立显示查询每个间隔的电能信息,同时所有间隔的电能信息通过IEC 61850协议实时上送到抄表系统和计量分析系统等。
3.2 软件实现关键技术
3.2.1 提高电能计量精度
计量精度是电能计量装置的重要考核指标。常规电能计量装置的综合误差主要由电流互感器误差、电压互感器误差、二次导线压降误差、电能表采集误差、电能表计算误差等组成。假设电流互感器、电压互感器的精度为0.2级,加上导线传输误差,整个计量系统的精度大约为0.7级[4]。
集中式电能计量终端采用光电或电子式互感器,具有无磁饱和、频带宽、动态测量范围大、测量准确度高、暂态特性好等优点。信号传输采用光缆,传输速度快,抗干扰能力强,传输基本无压降。
集中式电能计量终端采用数字化光纤输入接口,不引入模拟采样和A/D转换误差,计算模块采用超级中断技术保证了中断的实时响应,可实时处理高达10 kHz采样速率的浮点运算。终端的数据源为合并单元或电子式互感器输出的数字采样信号[5],对于基于IEC 61850-9-1或IEC 61850-9-2标准的采样数据,采用全站同步时钟源实现站内数据的同步。采样同步处理模块检测报文中采样计数实现站内数据的同步处理。采样插值处理模块实时检测采样数据,对采样信号进行采样插值处理,提高了计量精度。集中式电能计量终端的精度可达到0.1S级。
通过以上设计方案,整个计量系统的精度主要由电子式互感器和合并单元的精度决定。
3.2.2 防窃电管理功能
集中式电能计量终端的防窃电管理功能模块实时监测光纤网的通信状态,当在运行过程中监测到光纤通信中断时,发出窃电预告警信号,提醒工作人员巡检故障线路,同时计量进入自主计量模式,独立计量各相电能量,直到光纤通信恢复正常[3]。
3.2.3 双机冗余切换技术
计量装置是发电公司、电网公司与电力用户之间公平、公正结算电量的法定计量器具,可靠性是关键。常规变电站如果采用冗余设计,每个间隔均需要配置2块电能表,成本很高。集中式电能计量终端采用双机冗余设计方案,大大降低了硬件故障率,提高了可靠性。
双机采用硬件竞争机制决定主机和从机。主机和从机同时进行电能计量,双机冗余处理模块实时获取对侧机状态,主机实时同步从机电能量数据。若主机故障,从机无缝切换成主机,同时发出主机故障告警信号。同样,若主机监测到从机故障,则发出从机故障告警信号,提醒工作人员及时处理。
3.2.4 基于IEC 61850标准的信息交换技术
集中式电能计量终端采用IEC 61850标准与远端计量采集系统实现电能量和电能信息的共享和交换。
1)基于IEC 61850标准的模型[6]
IEC 61850标准的核心之一是对象分层建模的理念。IEC 61850-7-4规范了13个逻辑节点(LN)组,包括系统组(L)、控制组(C)、保护功能组(P)、计量和测量组(M)等。对于标准没有规范的,根据标准的开放性和扩展性规则,可根据功能需求扩展自定义逻辑节点。
集中式电能计量终端采集全站间隔电能信息,为了结构清晰,模型按照间隔定义多个电能逻辑设备(LD),其编号可以为间隔序号,如MTLD1,MTLD2,…。每个逻辑设备除了包含LLN0,LPHD等必须的系统逻辑节点外,还定义测量逻辑节点MMXU传输实时测量数据,计量逻辑节点MMTR传输复费率电能等计量数据,以及PTOC,PTOV,PTUC,PTUV等保护逻辑节点传输过流、过压、失流、失压等保护事件,扩充逻辑节点GGIO传输告警事件等。
2)IEC 61850标准服务的实现
集中式电能计量终端的服务实现包括周期性地将电能数据上送到电能计量和分析系统等远端设备,将突发性信息如事件记录、告警等信息上送,也可以有选择地将实时电压等数据信息上送。
电能的上送采用IEC 61850标准的非缓存报告URCB实现,周期主动上送,完整性周期和使能标志可由远方客户端设置;记录事件等通过缓存报告BRCB实现,事件触发上送。
3.3 软件模块架构
集中式电能计量终端软件采用VxWorks操作系统及模块化设计思想,不同的板件之间通过智能背板总线实现数据的共享。集中式电能计量终端的软件模块架构如图3所示。
1)前置数据处理服务器模块
主要完成数字交流量的采集、采样数据的同步、数据预处理(傅里叶运算、采样插值)、数据处理、防窃电管理等功能。此功能模块主要在采集功能板实现,是计量终端的前置服务处理部分。经过计算处理的相量值实时放入数据共享区,由数据共享处理模块进行信息的分发和共享。
2)主功能处理模块
主要完成电能表的实时计量任务,并保存峰、平、谷历史电量,进行运行、越限、失压、失流、不平衡等事件信息的统计记录和双机冗余处理等任务。本模块为终端的核心处理软件,在计量主板内实现。
3)I/O处理模块
I/O处理模块完成电能计量终端清需量按钮输入、告警输出、负荷控制等I/O量处理功能。
4)通信处理模块
主要完成电量的远传任务,支持远程抄表。有多种通信协议可供选择,支持IEC 61850标准,互操作性好,可无缝接入电能计量分析系统和智能化变电站相关计量系统。
5)数据共享处理模块
数据共享处理模块实时监视前置数据处理服务器的共享数据区,将共享数据区的数据实时分发给主功能模块进行处理。实时监视任务采用VxWorks高优先级实时任务处理流程,保证了软件处理的实时性。
6)辅助软件模块
辅助软件包括显示软件、配置软件、调试软件等。显示软件支持大屏幕显示,下拉式菜单,方便信息的查询;配置软件完成全系统的配置,适应不同的工程现场需求。配置软件、调试软件均采用专用的调试网口实现。
4 结语
智能变电站高压集中式电能计量终端采用先进的硬件平台和软件设计技术,具有先进、可靠、集成等诸多优点,已应用于山东省某智能变电站试点项目。由于目前国内的智能变电站还处于试点建设阶段,与电子式互感器配套的电能计量终端最终取得国家法定计量检定机构的认证还需一定时间。目前,电子式互感器的运行经验少,其输出精度和稳定性的完全评估系统还处于筹建和探索阶段。国家电网公司已经制定了《智能电能表功能规范》,将为智能计量装置的研制及认证提供强有力的支持。
摘要：介绍了一种新型智能变电站高压集中式电能计量终端。该终端采用先进的硬件平台和软件处理技术,支持全光纤以太网接入,组网结构灵活,能够适应不同规模智能变电站电能计量的需求。终端具有较高的计量精度,支持基于IEC 61850标准的信息共享和交互。产品已成功应用于某智能变电站试点项目。
关键词：智能变电站,集中式电能计量终端,IEC 61850,电子式互感器
参考文献
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