高壓電能表在智能配電網(wǎng)計(jì)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

杜洪文

（安遠(yuǎn)縣供電有限責(zé)任公司，江西贛州342100）

1 引言

我國10kV配電網(wǎng)主要是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，高壓計(jì)量是目前供電企業(yè)與電力用戶點(diǎn)電能計(jì)量和電費(fèi)收繳的核心分界點(diǎn)，其計(jì)量點(diǎn)統(tǒng)一選取在10kV高壓側(cè)（工程中常稱為“高供高計(jì)”電能計(jì)量模式）?，F(xiàn)有的高壓計(jì)量普遍采用兩元件計(jì)量法（即兩臺(tái)計(jì)量用電壓互感器VT、兩臺(tái)計(jì)量用電流互感器CT和一臺(tái)多功能電能表）共同組成。兩元件計(jì)量體系中，計(jì)量誤差與CT、VT、電能表的準(zhǔn)確度有關(guān)，同時(shí)還與計(jì)量接線方式有關(guān)，其在實(shí)際電能計(jì)量過程中，存在計(jì)量誤差較大、故障隱患較多、系統(tǒng)運(yùn)行能耗較大、防竊電能力較弱等問題，很難滿足現(xiàn)代智能配電網(wǎng)實(shí)時(shí)精確、節(jié)能經(jīng)濟(jì)電能計(jì)量需求［1] 。

智能化、網(wǎng)絡(luò)化、功能集成自動(dòng)化等，是10kV智能配電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展和技術(shù)升級(jí)改造研究的主要目標(biāo)［2]。智能精細(xì)化高壓電能采集裝置和信息化運(yùn)行管理技術(shù)手段，是10kV配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能化的重要保證基礎(chǔ)。鑒此，根據(jù)常規(guī)10kV高壓計(jì)量系統(tǒng)中存在的不足，結(jié)合光纖高精度傳輸通道，利用電子式互感器和高壓單相電能直接計(jì)量功能模塊，構(gòu)筑整體式高壓直接計(jì)量系統(tǒng)，提高10kV高壓側(cè)電能計(jì)量實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性，和計(jì)量系統(tǒng)的綜合防竊電能力，對(duì)10kV配電網(wǎng)智能化建設(shè)發(fā)展具有非常重要的推動(dòng)意義。

2 10kV智能配電網(wǎng)高壓直接計(jì)量原理

為了解決10kV配電網(wǎng)中高壓電能計(jì)量系統(tǒng)中存在的計(jì)量誤差較大、故障隱患較多、能耗較大、防竊電能力較弱等問題，需要結(jié)合先進(jìn)的電能特性參數(shù)測量儀器和功能模塊，改變10kV配電網(wǎng)現(xiàn)有的電能特性參數(shù)采集和計(jì)量模式，實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)高壓側(cè)直接整體式準(zhǔn)確計(jì)量。國內(nèi)已針對(duì)高壓電能計(jì)量系統(tǒng)測量實(shí)時(shí)性、可靠性等方面展開了大量的研究工作，但大多僅停留在電能電壓、電流特征信號(hào)方面的高壓側(cè)采集，還需將電能特性參數(shù)通過光纖通信傳輸?shù)降蛪簜?cè)進(jìn)行電壓、電流信號(hào)處理和電能計(jì)量，沒有真正實(shí)現(xiàn)電能高壓側(cè)直接整體式計(jì)量功能，且計(jì)量系統(tǒng)中電能數(shù)據(jù)安全性、防竊電功能等沒有得到很好解決。

采用兩元件法進(jìn)行高壓電能計(jì)量，不僅可以測量處于不對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行工況下10kV高壓線路的三相三線功率和電能，同時(shí)其測量精度較高，能夠滿足高壓直接計(jì)量測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。對(duì)不接地或小電流10kV配電網(wǎng)接地系統(tǒng)而言，三相總功率的函數(shù)表達(dá)為：

從式（1）可知，通過采集線路AB相、CB相相間電壓U˙AB和U˙CB，以及 A 相電流I˙A和 C 相電流I˙C4個(gè)特性參數(shù)信號(hào)，就可以計(jì)算出10kV配電網(wǎng)高壓三相三線功率或電能S值。

3 高壓直接計(jì)量電能表設(shè)計(jì)方案

圖1 基于等電位電路的高壓直接計(jì)量方案

圖2 高壓單相電能直接計(jì)量功能模塊

為了便于給10kV配電網(wǎng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)調(diào)度運(yùn)行提供詳細(xì)的電能參考數(shù)據(jù)，結(jié)合式（1）可知，對(duì)線路A相、C相分別采用高壓單相電能直接計(jì)量，就可以獲得10kV配電網(wǎng)分相和三相三線總功率。高壓單相電能直接計(jì)量功能模塊設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2中，定義10kV高壓線路A相、C相高壓單相電能計(jì)量功能模塊所采集的功率分量分別為：

則10kV高壓配電網(wǎng)三相三線總功率可以表示為：

在式（3）的基礎(chǔ)上，通過配電網(wǎng)三相三線總功率對(duì)時(shí)間量的積分運(yùn)算，就可以獲得10kV配電網(wǎng)高壓電能直接計(jì)量數(shù)據(jù)。

從圖1和圖2可知，基于高壓單相電能計(jì)量功能模塊的高壓直接計(jì)量系統(tǒng)，是一種懸浮在10kV電力線路高壓側(cè)的單相高壓電能直接計(jì)量系統(tǒng)，可以避免常規(guī)“高供高計(jì)”系統(tǒng)中使用信號(hào)線將電壓互感器的信號(hào)引到低壓端，造成二次信號(hào)產(chǎn)生壓降等不利情況發(fā)生，降低電能特征信號(hào)采集誤差，提高了10kV高壓配電網(wǎng)電能計(jì)量系統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)的精確可靠性。另外，由于將整個(gè)單相高壓電能直接計(jì)量功能模塊，直接懸浮在10kV電力線路高壓側(cè)進(jìn)行計(jì)量，可以有效防止竊電非法行為發(fā)生；直接計(jì)量功能模塊與外界間進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸采用高速率光纖以太網(wǎng)通訊模式，可以實(shí)現(xiàn)電能特征數(shù)據(jù)信號(hào)安全、及時(shí)、可靠、準(zhǔn)確的傳輸；單相電能直接計(jì)量功能模塊，結(jié)合了電能計(jì)量集成芯片、CPU數(shù)據(jù)處理單元等先進(jìn)功能元件，能夠?qū)τ?jì)量系統(tǒng)功能進(jìn)行整體定義，和對(duì)電能計(jì)量誤差進(jìn)行動(dòng)態(tài)校驗(yàn)，提高了計(jì)量系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)確性、可靠性；與常規(guī)電磁式高壓VT、CT和電能表組成的高壓計(jì)量系統(tǒng)相比，單相高壓電能直接計(jì)量系統(tǒng)的體積和重量均得到顯著減小，大大提高了高壓直接計(jì)量系統(tǒng)電能計(jì)量的網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化水平。單相高壓電能直接計(jì)量功能模塊，具有較強(qiáng)的通用適用性，不僅可以用于10kV配電網(wǎng)的A相、C相功率和電能計(jì)量，還可以借用此種計(jì)量功能模塊開發(fā)原理，設(shè)計(jì)出適用于不同工作電壓等級(jí)下的高壓電能直接計(jì)量系統(tǒng)。

高壓單相電能直接計(jì)量功能模塊中，電能計(jì)量芯片采用較為通用的CS5460單相功率／電能測量芯片，CPU則采用小型化的AT89C2051單片機(jī)控制系統(tǒng)，光電轉(zhuǎn)換采用低速光纖收發(fā)專用功能模塊。從圖1可知，單相電能直接計(jì)量測量芯片的0.5V輸入由電容通過分壓措施在10kV線路相間獲?。欢鴾y量芯片的電流輸入端則從10kV線路電流互感器二次側(cè)獲取mA級(jí)電流信號(hào)在精密電阻上通過采樣獲得。10kV配電網(wǎng)高壓電能直接計(jì)量系統(tǒng)中，A相、C相的高壓單相電能直接計(jì)量功能模塊中，所采集到的實(shí)時(shí)電流信息、相間電壓信息、以及經(jīng)轉(zhuǎn)換電路運(yùn)算獲得的功率信息和電能信息，通過安全絕緣性能較強(qiáng)的光纖傳送給處于B相的電能計(jì)量綜合單元主控模塊，經(jīng)時(shí)間量的積分運(yùn)算處理后獲得對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確電能數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行及時(shí)記錄保存。

4 高壓電能表應(yīng)用誤差分析

國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q／GDW 359-2009）：0.5S級(jí)三相費(fèi)控智能電能表（無線）技術(shù)規(guī)范中明確規(guī)定，我國0.5S級(jí)高壓電能表的有功準(zhǔn)確度等級(jí)為0.5S、無功準(zhǔn)確度為2級(jí)，其計(jì)量允許誤差限值如表 1 所示［4]。

表1 0.5S級(jí)高壓電能表允許誤差限值

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的高壓直接計(jì)量電能表在10kV配電網(wǎng)計(jì)量系統(tǒng)中計(jì)量的準(zhǔn)確可靠性，按照?qǐng)D1和圖2所示高壓直接計(jì)量系統(tǒng)工作原理和邏輯組成，研制出高壓直接計(jì)量電能表試驗(yàn)樣機(jī)，其使用環(huán)境為10kV、50A高壓配電線路。樣機(jī)校驗(yàn)范圍為試驗(yàn)電壓為10%～120%額定電壓（即：1kV～12kV）、試驗(yàn)電流為10%～120%額定電流（5A～60A）、功率為5kW～720kW。由于試驗(yàn)條件有限，此處僅對(duì)10kV配電網(wǎng)高壓直接計(jì)量電能表的有功功率分量進(jìn)行校驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 高壓直接計(jì)量電能表有功功率校驗(yàn)結(jié)果

從表2可知，高壓直接計(jì)量電能表在10kV配電網(wǎng)計(jì)量系統(tǒng)中的應(yīng)用，其最大校驗(yàn)正誤差為實(shí)際功率230kW時(shí)，C相計(jì)量誤差為0.38%；最大校驗(yàn)負(fù)誤差為實(shí)際功率720kW時(shí)，A相計(jì)量誤差為-0.42%。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的測試樣機(jī)性能指標(biāo)能夠達(dá)到0.5S級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。高壓直接計(jì)量電能表在10kV配電網(wǎng)中的應(yīng)用，能靈活完成高壓電量直接采集計(jì)量功能，可以確保配網(wǎng)每條10kV饋線的電量數(shù)據(jù)及時(shí)、完整、準(zhǔn)確的計(jì)量統(tǒng)計(jì)，方便地為配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度管理人員線損統(tǒng)計(jì)分析提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的電能數(shù)據(jù)［5]。

5 結(jié)束語

本文介紹的基于高壓單相電能直接計(jì)量功能模塊的高壓電能表，可以實(shí)現(xiàn)在10kV配電網(wǎng)高壓側(cè)對(duì)電能直接進(jìn)行計(jì)量的功能，可以對(duì)電能計(jì)量誤差進(jìn)行整體校驗(yàn)分析，有效提高了高壓電能計(jì)量準(zhǔn)確可靠性。高壓直接計(jì)量電能表在運(yùn)行過程中，不會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振，確保了10kV配電網(wǎng)系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；另外，整個(gè)電能直接計(jì)量系統(tǒng)均工作在10kV高壓側(cè)，在很大程度上杜絕了竊電等非法不安全用電行為的發(fā)生。將所設(shè)計(jì)的高壓直接計(jì)量電能表，在10kV，50A的高壓配電線路上進(jìn)行掛網(wǎng)試運(yùn)行校驗(yàn)分析，結(jié)果表明，高壓直接計(jì)量系統(tǒng)具有較高運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性和電能計(jì)量準(zhǔn)確可靠性，整體計(jì)量準(zhǔn)確度能夠達(dá)到Q／GDW 359-2009技術(shù)規(guī)范中0.5S級(jí)三相費(fèi)控智能電能表（無線）相關(guān)電能計(jì)量技術(shù)要求。

［1] 陳樹勇，宋書芳，李蘭欣等.智能電網(wǎng)技術(shù)綜述［J] .電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（8）：1-7.

［2] 周新啟，劉會(huì)金，鄭 莎.混合式光電電流互感器高壓側(cè)的電源方案研究［J] .繼電器，2005，33（18）：71-74.

［3] 劉 欣，楊北革，王 健等.新型高壓電能表的研究［J] .電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（9）：88-91.

［4] 國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Q／GDW 359-2009）：0.5S級(jí)三相費(fèi)控智能電能表（無線）技術(shù)規(guī)范［M] .北京：中國電力出版社，2009.

［5] 胡 順，徐芝貴.高壓電能表的研制進(jìn)展［J] .電測與儀表，2008，45（1）：1-3，42.