计量检验装置原理及应用论文

1、数字化电能计量系统检验装置原理及应用王世辉鞍山供电公司2011年2月基于IEC61850的数字化电能计量系统检验装置原理及应用王世辉(鞍山供电公司114002摘要:鞍山供电公司致力全数字化变电站技术的开发应用,提出数字化电能计量系统设计构想。07年以来开发了符合IEC61850规约数字接口式智能电能表,解决了数字化变电站建设中光/电子式互感器的电能计量难题。由于数字化电能计量系统尚无计量技术体系,辽宁省公司立项开发基于IEC61850的数字化电能计量系统检验装置前瞻性重大课题,现已完成并应用与数字化变电站电子式互感器、数字接口式智能电能表检验,取得了良好的效果。本文就基于IEC61850规约数

2、字接口式智能电能表检验装置设计原理和应用进行简要分析。关键词: 数字化计量系统检验装置设计原理应用分析1 概述智能电网建设已成为世界低碳经济发展的迫切需要,国家电网公司提出了“建设以特高压电网为骨干网架,各级电网协调发展, 以信息化、自动化、互动化为特征的坚强智能电网”的战略目标。数字化是智能化电网建设的基础,在数字化变电站建设中,OCT/PT(光电式互感器、ECT/PT(电子互感器已进入实用阶段。与之配套的数字接口式智能电能表现已在鞍山66千伏小坨子、220kV王铁等数十个数字化变电站应用。由于数字化电能计量系统是技术创新,尚无计量技术体系。IEC61850规约的建立,为新技术快速推广发展提

3、供了统一的标准平台。为确保电能计量准确性,辽宁省公司立项开发基于IEC61850的数字化电能计量系统检验装置前瞻性重大课题,现已完成应用与数字化变电站电子式互感器、数字接口式智能电能表检验,取得了良好的效果。本文从设计、应用角度论述了基于IEC61850的数字化电能计量系统检验装置开发背景、工作原理、技术难点、应用效果等。该项目的实现标志电能计量技术进入真正意义上的数字化计量,推动电能计量技术的一次飞跃,是今后IEC61850标准、数字化二次设备研究发展方向。2电能计量检验装置开发背景2.1数字电能计量系统构成鞍山小坨子数字化变电站基于IEC61850规约,针对变电站综合自动化SAS (Syn

4、thetic Automatic System 系统,RTU/SCADA (Remote Terminal Unit / Supervisory Control And Data Acquisition管控一体化的系统结构。信息采集、传输、处理和输出过程全部数字化,采用智能化开关设备,并首先采用数字接口式智能电能表为核心的新型数字电能计量系统。数字电能计量系统由:电子式互感器(CT.PT、数字接口式智能电能表、合并单元和光纤以太网组成。如图1所示 图1数字化变电站系统单元结构示意图2.2数字接口式智能电能表/电子式互感器应用及检验现状由于传统电能计量装置的综合误差可减小裕度有限,性能价格比较高

5、,传统互感器存在铁心饱和、暂态特性差等结构性弊病,电压互感器二次压降误差不能完全消除,电能表及其通信规约的标准化问题等,面对数字化变电站建设采用新一代OCT(光电式互感器、ECT(电子互感器等数字化设备已不能适应。随着光/电子式互感器与之配套的数字接口式电能表大量应用,整个保护、测控、电度表、录波器等装置的精度主要取决于光/电子式互感器的精度。传统的电能表,互感器校验仪和校验方法已不适应。而因此就需要专用的测试设备来完成数字电能表及光电互感器的精度测试工作,以保证整个变电站的运行状态准确监控。2.3解决方案立项开发数字计量系统检定装置为推动智能电网建设,完善检验方法、建立相关标准,依法准确计量

6、,辽宁省电力有限公司鞍山供电公司立项开发数字接口电能表和光/电子式互感器检定装置。在充分调研基础上,制定了技术需求研发方案和实施计划,开发基于IEC61850规约的数字化电能表、光电互感器检定装置。3 数字接口式智能电能表检验装置设计3.1设计思想本项目的主要是设计研制用于数字接口式智能电能表检验装置。检验装置采用全数字式的方式,其核心部件为数字式的标准源,并由主控计算机控制整个检验装置的工作流程。在全数字模式下,信号源根据设置的参数,构造模拟电网实际运行情况的信号,信号电压、电流的幅值和相位可设。按照设定的采样频率对该信号采样,采样的数据进行量化,量化后的数据按照IEC61850-9-1、I

7、EC61850-9-2、IEC60044-8协议标准定义的数据帧格式组成数据帧,数据帧通过光纤端口输出;数字标准表接收信号源输出的数据帧,解析出采样数据并进行电能计算,最终得到相应的电能量数据。3.2设计原理数字表检验装置主要包括了计算机、数字功率源、数字标准表、误差处理器、数据中继单元和电源单元等。检验装置主要部分的原理结构如图2所示。 图2 数字电能表检验装置原理框图3.3技术原理及创新3.3.1 检验装置工作原理检验装置由主控计算机控制整个装置的工作流程。主控计算机可通过RS485总线来控制数字式标准源和误差计算设备。数字式标准源根据所设置的参数构造模拟电网运行情况的信号,按照设定的采样

8、率对该信号采样量化,量化后的数据按照参数要求生成符合IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-8标准的数据帧,通过网络端口经由网络交换机输送给被测表和数字式标准表。数字式标准表接收数字信号源输出的符合各种协议标准的数据帧,解析数据帧获得其中的采样数据,进行电能计量,得到当前的功率值,并按照计算得到的功率值输出相应的高频脉冲。数据中继单元(例如网络交换机用于接收并转发数字式信号源输出的数据帧,可把一路数字信号分转出多路信号,同时供多个被测表使用。电光转换设备把电信号的数据帧转换成光信号数据帧,用于传输信号给具有光纤接口的数字量输入电能表,脉冲采集电路用于采集被测表输出

9、的功率脉冲并传输到误差处理器。误差处理设备直接接收被测电能表的功率脉冲和标准表的功率脉冲进行比较计算误差值。检验装置检测表计的数据流图如图3所示。主控计算机数字信号源输出数据帧 图3 系统检测数据流图3.3.2主要技术创新:本装置国内首创实现了符合IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-8数字接口式智能电能表的检验,解决了数字接口式智能电能表的检验问题。数字信号源发送检验数据的参数可以通过PC机的配置软件进行设置,以模拟各种电网参数情况下构造检验数据,数字信号源模拟合并单元发送符合IEC61850协议的数据包,数据包中包含对三相电压、电流信号的采样数据,并且电压、

10、电流的幅值、相位和频率检验数据参数,用于检测被检表在各种情况下的计量性能。数字标准表接收协议数据,完成对各个电参量的计算,包括电压、电流、频率等,并实时的显示当前所计算出的电参量值。数字标准表累积所接收到的数据产生的电量,输出各项电量脉冲,用于检测被检表精度的基准。该检验装置具有丰富的实验功能,可以进行的实验包括基本误差实验,数据帧丢失实验, IEC61850-9-1、IEC61850-9-2、IEC60044-8协议符合性实验,数据帧的数据通道状态异常实验,电参量的影响量实验,配合台体的主机软件,可以实现以下项目的检测:需量检测;时钟精度检测;有功、无功精度检测;启动、潜动实验;有功、无功电

11、能走字实验;表计参数设置等。3.3.3数字接口式智能电表检验装置软件特点检验装置采用自主开发软件,主要包括三部分的软件:控制计算机的主台软件;数字式信号源软件;数字式标准表软件。主台软件为使用检验装置的人机接口软件,主要功能是设置数字式信号源参数,控制数字式信号源的工作;设置数字式标准表的参数,控制数字式标准表的工作模式;设置误差处理器的参数并读其计算的误差值;抄读被测表的参数。软件分为表现层,逻辑层和数据访问层三大块,如图4所示。4 电子互感器检验装置解决方案Array 4.1电子互感器检验装置关键技术符合IEC60044-8、IEC61850-9-1和IEC61850-9-2协议(标定方法

12、和标准的光/角差精度检定。国内率先实现检定装置与合并单元MU数据传送符合IEC60044-8IEC61850-9-1和IEC61850-9-2协议。检定装置能够接入秒脉冲、B码对时和IEEE 1588信号,能够准确对时。重点解决模拟转换的准确性和检定参数的稳定性、一致性;解决时滞影响引起的误差波动。4.2电子互感器检验装置工作原理校验仪采用了最新的高速DSP技术、USB通讯技术和傅立叶算法。它主要由数据采集部分和计算机部分组成,数据采集部分完成对被校电子式互感器和标准互感器器的同步采样,通过USB接口把采样数据高速送到计算机内,计算机对这些离散的数字量进行复杂的傅立叶变换,实时的计算出频率、比

13、差和角差。并显示波形、有效值等参数;实现存储、汇总等功能。见原理框图5。 互感器检验装置通过A/D 转化接受标准的电压信号,同时通过光纤接受合并单元以IEC60044-8、61850-9-1 或者IEC61850-9-2 的通讯协议上送的数字帧。在以61850-9-1或者IEC61850-9-2 为通讯方式时,被测装置和PCS-221ZB 都需要接受秒脉冲、B 码对时或者IEEE1588 对时信号;以IEC60044-8 为通讯方式时,不需要接对时信号。合并单元则通过光纤接受远端模块过来的数字帧。远端模块通过Rogowski 线圈或低功率铁心线圈采样一次电流,通过分压回路采样一次电压用标准互感

14、器法,10kV侧加工频电压和大电流,标准互感器二次模拟量通过模数转换器变为数字量与电子式互感器二次数字量相比较,得到误差参数。5装置应用效果分析到2010年12月,数字接口式智能电能表已在辽宁鞍山小驼子、河北唐山郭家屯、广东山110kV沙坪、山东青岛110kV午山数字化变电站等数十个数字化变电站应用。数字电能表校验装置,应用于辽宁鞍山小坨子、220kV王铁变数字化电能计量系统检验、华北电网内数字化变电站内电能表的检验;互感器检验装置已大量投入制造厂和电力系统使用。经鞍山66kV小坨子、220kV王铁数字化变电站调试工作验证,实现设计目标,解决生产关键难题,起到了不可替代的作用。为验证计量表和装

15、置准确性,项目组按自主编制的规程开展智能电能表、电子互感器检验,还采用多种新方法测试电能表、互感器的误差,创造性提出10kV计量装置综合误差整体测试的方法,用10kV侧加高压和大电流的方法,按照国家现行检验规程进行电能表误差试验。在10kV 富德一线二线线路出口安装常规互感器、电能表,与数字化计量系统富德一线二线进行同回路电量比对,进行综合误差分析,检验了数字计量系统各器件的准确度和一致性。见附录表2。保证了变电站按时投产可靠运行。在一系列技术创新中,培养锻炼了一批技术骨干。项目创新技术已申请国家实用新型专利四项,并全部获得专利权,并获辽宁省公司2010年科技进步一等奖。数字接口式智能电能表满

16、足了智能电网建设过程中的主要节点数字化变电站的要求,实现了数字化的计量系统,从根本上改变了传统的计量模式,也解决了传统计量模式下各种外界环境影响引起的计量问题。数字接口式智能电能表检验装置为电能表挂网运行前的检验提供了检验方法和检验设备,为电能表的正常运行提供了保障。结合项目和检验工作需求编制规程,已经企业内部讨论批准试用,并申报国家行业标准,见附录1。及时指导了现场新设备的检验工作,为数字化变电站建设、IEC61850协议技术发展摸索了宝贵的实践经验。随着智能电网建设的深入, ,IEC61850标准应用研究的深入,示范应用经验的积累和总结,对有自主知识产权真正的数字化变电站产品需求将按十亿元

17、、百亿元增长。智能电网的基础是数字化变电站建设,随着数智能电网建设的深入,示范应用经验的积累和总结,采用该技术的变电站综合自动化系统所占的比例会逐步提高,此技术是自主知识产权的技术创新,其技术属于国际前沿。电能累计经过比对准确可靠,无故障发生,具有推广价值,是今后IEC61850标准、数字化二次设备研究发展方向。参考文献:1高翔数字化变电站技术应用M中国电力出版社(2008-12 葛维春王世辉数字接口式电能表误差测量原理及验证分析C2009.11中国电机学会年会发布3 王世辉杨晓科基于61850标准的数字化电能表设计原理及检验浅析P2008,34王大鹏、栗俊凯、晁军征浅谈数字化变电站的发展及应用J山东电力技术 2007.015李九虎,郑玉平,古世东。须雷电子式互感器在数字化变电站的应用J电力系统自动化 2007 -31-76 辛建波、黄瑶数字化变电站建设中应注意的几个问题J江西电力2007,03作者简介:主要科技成果:王世辉男工作单位:辽宁省鞍山供电公司高级工程师通信地址:辽宁省鞍山供电公司邮编:114001 电话0412* E-mail; shwang1953主要科技成果:新一代数字化电能计量系统设计