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浅析数字化变电站中的电能计量系统
作者：刘运兵 李哲 史卫华
来源：《中国科技纵横》2013年第14期
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【摘 要】 随着变电站自动化和网络通信技术的飞速发展，IEC61850标准体系的颁布和推行，传统的变电站已逐渐向数字化变电站过渡。数字化变电站电能计量技术在采集上实现了模拟量向全数字量化后通过光纤线路传输的转变，通过点对点或以太网方式传输到数字式电能表，为数字化变电站内电能计量系统提供了准确可靠的数据来源，构成数字化变电站电能计量系统。本文详细介绍了数字化变电站电能计量系统，并提出运行维护建议。 【关键词】 数字化变电站 电子式互感器 电能计量
【Abstract】 The substation has been gradually transition from traditional to digital substation along with the development of substation automation and network communication technology，the promulgation and implementation of IEC61850 standards system.digital substation of electric power measurement technique about acquisition，after it convertes into digita by the optical fiber
transmission lined and through the point to point or Ethernet transmission to digital watt-hour meter.It has provided technical support for accurate and reliable measurement system in digital substation，which can be an important measurement system.This paper introduces the digital substation of electric energy measurement system， and puts forward suggestions for operation and maintenance. 【Key words】 digital substation electronic transformer measurement system
数字化变电站是按照DL/T860标准分为站控层、间隔层、过程层构建，采用DL/T860数据建模和通信服务协议，过程层采用电子式互感器等具有数字化接口的智能一次设备，以网络通信平台为基础，实现了变电站监测信号、控制命令、保护跳闸命令的数字化采集、传输、处理和数据共享，可实现网络化二次功能、程序化操作、智能化功能等的变电站[1]。
电能计量系统作为数字化变电站的重要组成部分，在模拟量采集方式上发生了巨大变化，相比于传统变电站内的电能表，其表计的采样传感器一般采用高功率输出的电流互感器和电压互感器，而数字化变电站内模拟量采样实现全数字量化后通过光纤线路传输，且一次侧的传感器采用了低功率输出的电子式互感器，它具有频率响应宽、无饱和现象、抗电磁干扰性能佳、准确度高、无二次开路或短路危险、便于向数字化、微机化发展等优点，为数字化变电站内电能计量系统提供了准确可靠的数据来源，系统的电磁兼容性能得到了很大的提升；同时也将数字化变电站内电能采集与管理融入了IEC61850标准体系，为整个数字化变电站高度集成化奠定了基础。
1 数字化变电站电能计量系统组成
数字化变电站的电能计量系统主要由数字化电能表、电子式电流电压互感器、合并单元、全站的采样同步时钟GPS 同步信号以及二次连接部分组成。电子式互感器采集到的数据汇总到合并单元，合并单元经点对点或以太网方式发送采集数据至位于间隔层的数字式电能表，实现了计量设备的输入信号由电缆从传统电流、电压互感器输入的模拟信号到通信电缆或光纤输入的数字信号的转变。数字化变电站计量系统组成方框图如图1所示。
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2 电子式互感器
电子式互感器指输出为小电压模拟信号或数字信号的电流、电压互感器。由于模拟输出的电子式互感器仍存在传统互感器的一些固有缺点，现在发展的高电压等级用电子式互感器一般都用光纤输出数字信号。
电子式电流、电压互感器无铁心、绝缘结构简单可靠，体积小、质量小、线性度好、无饱和现象，输出信号可直接输入微机化计量及保护设备接口。由于信号输出采用比电缆廉价的光缆，从而降低了综合成本，大幅度提高系统内保护装置及计量装置的动作可靠性及精度，对保证电网安全及有效提高计量回路的整体精度有重大的现实意义。
电子式互感器通常由采集模块和合并单元（MU）两部分构成，可实现高电压大电流的传变，并以数字信号的形式通过光纤提供给保护、计量等装置；合并单元（MU）还具有模拟量输入接口，把来自传统互感器的模拟量信号转换成数字信号，以数字方式输出数据，简化了保护、计量等功能装置的接线。图2为电子式互感器的原理示意图。 2.1 采集模块及合并单元（MU）
采集模块又称采集器，安装在一次侧，用于采集、调理一次侧电压电流并转换为数字信号。采集器的电源由激光供给，采集器与合并单元（MU）间的数字信号传输及激光电源的能量传输全部通过光纤来进行，另外许多产品也可以通过获取一次高压系统的能量作为采集器电源，从而延长激光电源的寿命。
合并单元（MU）安装在二次侧，它可以接收并处理来自多个采集器的数字信号，有的产品还可以接收并处理电磁式互感器提供的电压、电流模拟量，对这些信号进行汇集处理后，输出到保护、计量等装置。另外，合并单元（MU）还能提供同步信号输入通道，接收变电站同步信号以同步连接的各采集器。
2.2 电子式互感器与传统互感器误差比较（如图3图4）
图3是传统式互感器的计量系统示意图。假设电流互感器、电压互感器的误差均为0.2级，二次输出信号采用电缆传输，在传输过程中不可避免受到电磁干扰，将会带来0.1级的电缆传输误差。进入电能表后，电能表自带的小CT、小PT以及后续的A/D采样环节将会引入0.2级的电能表误差，因此，整个系统误差将达到0.7级。
图4为电子式互感器的计量系统示意图。假设电流互感器、电压互感器的误差均为0.2级，其输出的信号为光纤数字编码信号，在传输过程中不会受到电磁干扰，不会引入传输误差，全数字式电能表只需要对接收到的数字信号进行处理，不会带来任何误差，因此整个系统误差为0.4级。
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通过上述两种计量系统误差比较可知，采用电子式互感器后，传感器输出的模拟信号就地转变为数字信号并通过光纤送给合并单元（MU）。合并单元（MU）经过预处理后，按照IEC61850标准规定的规约将数据送给电能表。整个传输过程都是采用光纤数字编码信号，不存在传统电能表的二次变换环节，而且传输过程不会受到电磁干扰，提高了整体计量精度。 2.3 电子式互感器检定
电子式互感器的检定采用校验传统式互感器所采用的标准比较法，通过标准互感器的输出和电子式互感器的输出相比较，得到电子式互感器的误差。由于标准互感器是传统电磁式互感器，其二次输出信号是模拟信号，而电子式互感器输出信号是数字信号，数字信号与模拟信号不能直接比较，需要采取将标准互感器输出的模拟信号转换为数字信号进行比较的方法。（如图5图6）
2.3.1 电子式电流互感器的检定
将升流器、电子式电流互感器和标准电流互感器的一次端子接成闭环。被检电子式电流互感器的合并单元的数字输出信号通过光纤接到电子式互感器校验仪，标准电流互感器的模拟二次电流输出也接到电子式互感器校验仪。电子式电流互感器误差检定接线图如图5所示。 2.3.2 电子式电压互感器的检定
将升压器、电子式电压互感器和标准电压互感器的高压端并接，并将低压端和外壳接地。被检电子式电压互感器的合并单元的数字输出信号通过光纤接到电子式互感器校验仪，标准电压互感器的模拟二次电压输出也接到电子式互感器校验仪。电子式电压互感器误差检定接线图如图6所示。 3 数字式电能表
数字式电能表是指用于数字化变电站电能计量的电能表。数字式电能表与传统电能表的最大区别在于该表的采样信号是数字信号输入，与传统电能表相比，数字式电能表具有数字化变电站计量系统误差优于传统变电站、高可靠性、高稳定性等优点。
按照贵州电网数字化变电站技术标准要求[1]，数字式电能表主要技术参数为： （1）准确度等级：满足有功0.2s级（无功1.0）和0.5s级（无功2.0）。
（2）电能表的电量输入采用数字输入接口模式。电能表和合并单元间的通信协议遵循DL/T860.92，数字输入接口在物理和链路层上采用高速光纤以太网，采样速率接收能力应不低于4000点/s，采样光纤类型为多模，光纤接口类型为 IEC874-10标准的SC或ST接口。数据传输格式严格遵循 DL/T860.92标准。
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（3）测量制式：三相三线，三相四线装置。
（4）通信接口：数字化电能表需提供至少1个以太网口、2组的485通信串口和1路远红外通讯接口。以太网口可与站控层进行MMS通信，支持标准的DL/T860.92通讯协议。2组的485通信串口和1路远红外通讯接口满足和电能计量系统采集终端装置的通讯功能及本地通讯功能，支持DL/T5—2007多功能电能表通信规约。串行码输出应有可靠的防干扰措施。
4 运行维护建议
随着智能电网技术的不断深入，特别是电子式互感器的广泛运用，数字化变电站的数量越来越多，目前贵州电网多家供电局均建有数字化变电站。与传统变电站计量系统相比，数字化变电站电能计量系统有着准确可靠的数据来源，系统准确性、稳定性及兼容性大大提高。但与传统计量系统相比，也存在以下几个问题：
（1）电子式互感器的可靠性，虽然较传统互感器有较多的优点，但传统的互感器在系统中已经运行了很多年，证明其具有较高的可靠性，相反电子式互感器在电力系统中的时间较短，仍需时间检验。
（2）用于贸易结算的计量装置必须接受强制检定，目前国家还没有电子式互感器、数字式电能表相关检定规程。
（3）贵州电网内数字化变电站电子式互感器检定均由试验院完成，各供电局计量人员对数字化变电站计量系统缺乏认识，造成后期运行维护困难。 针对以上问题，提出以下几点建议：
（1）随着电子互感器及其测试方法的应用，有必要制定科学、合理的“电子式互感器测试规范”，对该项工作提供依据并进行规范，使电子式互感器更快、更好、更安全地应用于电力系统当中。
（2）健全电子式互感器管理制度，明确各专业管理职责和范围，避免人为干预电子式互感器误差，保证计量装置的公平性。
（3）为各供电局配置数字化变电站计量系统测试设备，加大人员培训力度，为后期电能计量系统运维提供技术支持。 5 结语
全数字量化后通过光纤线路传输的数据采集方法，有效减少了传输过程中电磁干扰，提高了整体计量精度，为数字化变电站内电能计量系统提供了准确可靠的数据来源，但是由于数字
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化变电站中的电能计量系统在技术运用和运维管理上还不成熟，因此有必要进一步加强数字化电能计量技术探讨，有效运用数字化技术，保证数字化变电站内计量装置准确、稳定运行。 参考文献：
[1]贵州电网数字化变电站技术标准[S].贵州电网公司. [2]高翔.数字化变电站应用技术[M].中国电力出版社，2008.
[3]JJG313-2010测量用电流互感器检定规程[S].北京：中国计量出版社，2011.01. [4]JJG314-2010测量用电压互感器检定规程[S].北京：中国计量出版社，2011.01.
