电能计量新技术——数字电能计量技术

1、电能计量新技术数字电能计量技术,2014年03月12日,XX,电力研究院,汇报内容,二、电子式电流互感器,一、电子式互感器概述,三、电子式电压互感器,四、组合型电子式电流/电压互感器,五、采集器与合并单元,六、电子式互感器的试验与测试,七、电子式互感器与智能变电站,八、电子式互感器的典型应用工程,一、电子式互感器概述,一、电子式互感器概述,一、电子式互感器概述,安全优势： 绝缘结构简单，无爆炸、无二次开路危险 成本优势： 220kV以上时，绝缘成本大幅降低 大量采用光纤，成本低 性能优势： 动态范围大，无死区，频带响应宽,电压等级越高电子式互感器优势越明显 中低电压等级使用电子式互感器意义不大

2、,一、电子式互感器概述,电子式互感器基本结构：,按一次传感部分是否需要供电划分 有源式电子互感器 无源式电子互感器 按应用场合划分 GIS结构的电子互感器 AIS结构(独立式)电子互感器 直流用电子式互感器,一、电子式互感器概述,电子式互感器按原理划分：,一、电子式互感器概述,一、电子式互感器概述,电子式互感器定义：,是具有模拟量电压输出或数字量输出，供频率15Hz100Hz的电气测量仪器和继电保护装置使用的电流电压互感器。电子式互感器具有模拟量输出标准值（如225mV）和数字量输出标准值（如2D41）。电子式互感器的精度等级和传统基本一致。,二、电子式电流互感器,电子式电流互感器的基本类型,

3、法拉第 (Michael Faraday) 1791年1867年,Faraday 电磁感应原理,Faraday 磁旋光效应,空心线圈,铁心线圈,自适应光学 电流互感器(AOCT）,罗可夫斯基线圈 电流互感器（RCT）,低功率铁心线圈 电流互感器（LPCT）,开环块状 磁光玻璃,光学电流互感器 (OCT）,闭环 磁光玻璃,全光纤电流互感器(FOCT）,光纤环,赛格耐克效应,电原理ECT,光原理ECT,二、电子式电流互感器,电子式电流互感器的品质,二、电子式电流互感器,铁心线圈低功率电流互感器,VS 与被测电流 I 成正比,特点：1. 提供电压输出； 2. 低功率互感器； 3. 动态范围大； 4.

4、 体积小。,二、电子式电流互感器,铁心线圈低功率电流互感器,传统电磁式电流互感器,I/I变换,具备低功率输入接口的设备,铁心线圈低功率电流互感器,I/V变换,对电磁式电流互感器的改进,二、电子式电流互感器,罗可夫斯基空心线圈电流互感器,空心线圈的感应电压与被测电流的导数成正比（ Rogowski，1912年）,被测电流,线圈感应电压,四条基本假设：1. 二次绕组足够多； 2. 二次绕组在一定的圆形非磁性材料骨架上对称均匀； 3. 每一匝绕组形状完全相同； 4. 每一匝绕组所在平面穿过骨架所在的圆周的中心轴。,二、电子式电流互感器,有源电子式电流互感器技术难点：高压侧电子电路供能问题,供能方案：

5、1. 利用CT从输电电路上取电能；(常用，较成熟) 2. 利用电容分压器从母线上取电能；(一般用于组合型) 3. 蓄电池供能；(常用作辅助电源) 4. 激光供能方式。(常用，一般与CT取能配合使用) 5. CT供电+激光供能(当前广泛采用的方案),激光供能方式存在的问题：1. 光电转换器(光电池)效率不高(30%40%)，激光二极管输出功率受到限制（0.51W）；2. 光电转换器件造价较昂贵，且大功率激光二极管的寿命有限，长期工作在驱动电流比较大的状态容易退化，工作寿命降低。,CT供电方式存在的问题：1. 大电流时的散热问题，一次电流过大时，容易引起二次导线发热，严重时可以导致二次导线烧毁；2

6、. 死区问题，再一次导线电流较小时，CT供电无法正常工作。,二、电子式电流互感器,CT供电+激光供能方式存在的问题：1. 线路检修后合闸时，CT供能需要一个较长的建立时间，此时只能靠激光供能，若此时激光二极管失效，互感器将不能工作，建议采用2个激光二极管，一主一备；2. CT和激光二极管的切换控制必须有一个合理的供电无法正常工作。控制策略，不能出现供能的“真空”。,二、电子式电流互感器,有源电子式互感器的供电方式总结,二、电子式电流互感器,有源电子式电流互感器的实现方案,二、电子式电流互感器,块状玻璃光学电流互感器,普通光,起偏器,偏振光,磁光材料,磁场 B,检偏器,Faraday旋光角,法拉

7、第磁旋光效应（1846年）,入射光,出射光,电流,旋转角与电流I成正比关系,二、电子式电流互感器,闭环块状玻璃光学电流互感器,主张从光学玻璃材料上解决温度稳定性问题,二、电子式电流互感器,开环块状玻璃光学电流互感器,关键技术 非接触光连接技术 光纤绝缘子软体绝缘技术 容错光学电流传感技术 零和御磁结构技术 自愈光学电流传感技术,解决的问题 可靠性问题 精度问题,SRU&MU (室内安装或就地安装),二、电子式电流互感器,开环块状玻璃光学电流互感器外卡式GIS方案,SRU&MU (室内安装或就地安装),光缆,卡体 (内置光学传感器),二、电子式电流互感器,开环块状玻璃光学电流互感器外卡式GIS方

8、案,外卡式OCT，在罐式断路器或GIS外部低压侧安装，简单方便。,二、电子式电流互感器,全光纤光学电流互感器,无电流 有电流,A）不加电 B）加电 两偏振光相干叠加示意图,二、电子式电流互感器,全光纤光学电流互感器,FOCT的闭环控制原理框图 采用闭环控制技术可以将测量范围大大提高,二、电子式电流互感器,全光纤光学电流互感器,GIS集成方式FOCT组成示意图,二、电子式电流互感器,110KV GIS三相一体式安装方式,二、电子式电流互感器,220kV及以上GIS 单相安装方式,二、电子式电流互感器,套在变压器母线绝缘子根部,二、电子式电流互感器,套在罐式断路器出入线绝缘子根部,二、电子式电流互

9、感器,注1：罗式线圈电流互感器在GIS应用中可以采用无源方式。 注2：磁光玻璃与LPCT组合式为有源方式。,现 有 各 种 结 构 的 比 较,二、电子式电流互感器,现有各种原理的性能比较,LPCT 缺点：1、不能根本解决磁路饱和问题 2、基本原理导致测量频带问题 RCT 优点：没有磁路饱和现象 缺点：1、基本原理导致测量频带问题 2、一次端有源导致运行可靠性问题 OCT 优点：1、无饱和现象、无测量频带问题 2、一次端无源保证运行可靠性,二、电子式电流互感器,现有光原理的比较,磁光玻璃型 优点：技术难度较小，原理简单 缺点：1、系统由分立元件组成，结构复杂，抗振动能力差 2、光学元件间用光学

10、胶粘接，长期运行稳定性差 3、采用的分立光学元件加工困难，一致性难以保证 全光纤型 优点：1、无分立元件，全光纤结构简单，抗振动能力强 2、光纤熔接后连接可靠，长期稳定性好 3、所有光学器件基于光纤制作，工艺成熟，一致性好 缺点：技术难度大，原理复杂，,三、电子式电压互感器,分压型电压互感器（有源）,电原理电子式电压互感器,阻容分压,电容分压,电阻分压,与常规电容式电压互感器原理相同，输出电压不超过5V,四、电子式电压互感器,GIS有源式电流电压组合式结构：,a:一次导体 b:SF6气体 c:电容环 d:线圈 e:接地外壳 f:采集器,四、电子式电压互感器,光原理电子式电压互感器,ABB重点研

11、究逆压电效应型OVT NxtPhase重点研究泡克尔斯效应型OVT,四、电子式电压互感器,光原理电子式电压互感器,当光波通过晶体时，在两个轴上光波之间的相位差会随着电压或电场改变。 检测功率变化相位差被测电压值。相位差与施加电压的关系如下：,泡克尔斯（Pockels）效应,四、电子式电压互感器,光原理电子式电压互感器,泡克尔斯（Pockels）效应,四、电子式电压互感器,光原理电子式电压互感器,晶体在电场作用下产生应变的现象称为逆压电效应。 晶体形变光信号调制检测光信号 电压引起的相位差： KNU,逆压电效应,四、电子式电压互感器,光原理电子式电压互感器优势：,绝缘性能好，用来做传感材料的磁光

12、玻璃（或光纤）、传输信号的光纤都是良好的绝缘材料； 测量频带宽，可以达到1kHz以上； 不存在铁磁谐振等问题； 体积小，重量轻，节能环保，无需充油； 适应了电力保护和计量的数字化、自动化及光通信的发展趋势。,研制难度大，对材料稳定性要求高； 间接利用了电场分压，环节多，设计难度较大； 长期稳定性有待验证。,光原理电子式电压互感器存在问题：,四、组合型电子式电流电压互感器,独立式有源电子式组合互感器,四、组合型电子式电流电压互感器,独立式有源电子式组合互感器,技术特点： 通过空芯线圈、LPCT、电容分压器及远端模块的综合屏蔽设 计，精度高、运行稳定、可靠性高，适应户外长期稳定运行； 2. 采用基

13、于介质胶绝缘的光纤复合绝缘子，绝缘简单可靠； 3. 远端模块完全双重化采样设计，避免采样异常引起保护误动； 4. 激光供能与线路取能无缝切换供电技术，产品可靠性高； 5. 配套合并单元支持IEEE1588 V2网络对时、IRIG-B码光纤点对 点对时； 6. 数据输出支持IEC60044-8、IEC61850-9-2标准，接口符合国 际标准，兼容性好，便于系统集成。,四、组合型电子式电流电压互感器,GIS有源电子式组合互感器,单相结构GIS电子式互感器,三相共箱结构GIS电子式互感器,四、组合型电子式电流电压互感器,GIS有源电子式组合互感器：技术特点,1. 充分利用GIS气体绝缘的结构特点，

14、绝缘结构简单可靠； 2. 互感器罐体、空心线圈、LPCT、电压传感器及远端模块一体化设计，结构 紧凑，抗干扰特性好，互感器可与不同厂家的GIS配套； 3. 三相共箱GIS电子式互感器设计有特殊的凸环屏蔽结构（已申请专利），能 很好地解决三相电压测量间易相互影响的问题； 采用特殊设计的金属密封端子板（已申请专利），可有效避免开关操作产 生的瞬态过电压（VFTO）对远端模块信号的影响； 5. ECT利用空芯线圈传感保护电流，利用LPCT传感测量电流，测量精度、动 态范围大、暂态特性好。空芯线圈采用等匝数密度及回绕线技术，抗外磁场 干扰性能优越； EVT利用基于同轴电容及精密电阻的微分电压传感器传感

15、被测电压，利用 软硬件相结合的积分技术还原被测电压信号，测量精度高、温度特性及暂态 特 性好； 远端模块采用两路独立模拟采样回路实现双重化采样，实时比较、校验两 路采样值，具备采样回路硬件自检功能，避免采样异常引起保护误动； 8. 配套MU采用插值算法实现同步，硬件简单、可靠性高。远端模块及合并单 元具有完善的自监视功能，便于运行监视及故障维护； 9. 配套MU支持IRIG-B码光纤点对点、IEEE1588网络对时，现场应用方便； 10. 配套MU数据输出支持IEC60044-8、IEC61850-9-2，接口符合国际标准， 兼容性好，便于系统集成。,四、组合型电子式电流电压互感器,AIS无源

16、电子式组合互感器,四、组合型电子式电流电压互感器,GIS无源电子式组合互感器,GIS式无源电子式组合互感器结构,四、组合型电子式电流电压互感器,无源电子式组合互感器,1. 采用全光纤电流互感器和电容分压器组合方式，实现对电流和 电压的同时测量，兼顾了技术先进性和运行可靠性。 2. 成功应用线性双折射控制技术，解决了电流传感光纤环易受温 度影响的问题。 3. 采用波片相位控制技术，通过精确控制波片参数抵偿环境温度 的影响。 4. 成功应用多阶相关解调技术，有效消除了光源功率波动及环境 温度对传感光纤干扰的影响。 5. 通过Sagnac干涉实现对光信号的高精度测量，精度高、动态 范围大。 6. 配

17、套合并单元支持IEEE1588 V2网络对时、IRIG-B码光纤点对 点对时。 7. 数据输出支持IEC60044-8和IEC61850-9-2标准，接口符合国 际标准，兼容性好，便于系统集成。,五、采集器与合并单元,合并单元（Merging Unit，MU）定义 最早在IEC60044-8标准中定义；,五、采集器与合并单元, 传感器与采集器 互感器一次传感器与二次采集器之间通过光纤传输模拟光信号，光信号由光检测器转换成电压信号，采集器进行A/D转换并处理； 采集器与合并器 互感器的采集器通过光纤直接输出数字信号至合并器，采集器与合并器之间采用与IEC60044-8相似的私有规约； 合并器与二

18、次设备 合并器接受并同步来自不同采集器的数字光信号，按照IEC 61850-9-1/-9-2LE的通信协议进行数据处理，并按此协议与保护、测控装置等二次设备进行通信。,五、采集器与合并单元, 采集器间的数据同步 方案1 采集器接收合并器秒脉冲,在采集器实现同步。 方案2 采集器间的数据同步采用合并器重采样方式同步,在合并器实现同步。 采集器按设定的频率进行采样，经固定延时后发送给合并器；合并器使用FPGA硬件逻辑进行采集器规约解析，并附加上FPGA的运行频率计数值。重采样算法使用同源的FPGA时钟对采集器数据进行插值运算。重采样算法采用抛物线插值算法，具有很高的精确度，当采样率为每周波80点时

19、，对于基波的误差小于3.110-5，完全满足电力系统数据精度要求。,五、采集器与合并单元, 合并器间的数据同步 合并器间的数据同步通过接收GPS秒脉冲信号同步。 双对时光脉冲输入，互为备用，自动切换。时钟频率为1Hz（秒脉冲），同步时刻为信号上升沿 。 双同步脉冲接入 双同步脉冲接入，提高装置对时的可靠性，在装置丢失一路同步脉冲输入时仍有另一路同步脉冲输入保证装置输出数据的同步性； 冗余电源输入 双电源输入，如一组电源输入失败，自动切换至另一组电源输入，提高可靠性；,五、采集器与合并单元, 全面支持IEC 61850规约 做为新型过程层设备，适用于符合IEC 61850规范的全数字化变电站，实

20、现各配套厂家的无缝联接，真正实现间隔层和过程层智能设备间的数据共享； 强抗干扰能力 软硬件设计上充分考虑过程层相对恶劣的运行环境，采取1U全封闭机箱，装置的抗干扰能力、抗震动能力大大提高，对外的电磁辐射也满足相关标准； 宽温工作范围 装置的适用环境温度范围宽，温度在4085 环境均可正常工作，可在端子箱就地安装。,六、电子式互感器的试验与测试,厂内试验方案, 互感器的厂内试验内容 （1）基本光强测试(适用于光学互感器)； （2）端子标志检验； （3）一次端的工频耐压试验； （4）局部放电测量； （5）采集器的工频耐压试验； （6）准确度试验（包括温度循环试验）； （7）采集器连续通电试验。,六

21、、电子式互感器的试验与测试,厂内试验方案,互感器准确度的试验方案,六、电子式互感器的试验与测试,厂内试验方案, 合并单元的厂内试验内容： （1）装置外观检查； （2）绝缘介质强度检查； （3）电源检查； （4）装置性能检测； （5）连续通电试验。,六、电子式互感器的试验与测试,厂内试验方案,合并器性能的试验方案 （1）秒脉冲接收测试 秒脉冲分别接入合并器的SYN1与SYN2口，同时将合并器光纤以太网TX，RX经光电转换器连接至计算机，通过IEC61850报文监控分析工具观察合并器同步状态变化； （2）接收采集器数据测试 模拟采集器经光扩展后接入合并器的9个采集器输入口，同时将合并器光纤以太网口

22、TX，RX经光电转换器连接至计算机，然后将合并器同步脉冲输入口SYN1，SYN2连接至同步秒脉冲发生器，装置上电，合并器配置为输出通道依次关联各采集器的同一通道，合并器输出数据应满足误差。 （3）电压切换功能测试 通过NPI测试工具向装置发送间隔刀闸位置GOOSE，将模拟并列合并器接入待测合并器，合并器配置为输出通道关联模拟并列合并器的通道0、通道1、通道2，合并器应能根据GOOSE信息输出切换后电压，即当接于I母间隔刀闸为合位、接于II母刀闸为分位时，合并器输出I母电压，当接于I母间隔刀闸为分位、接于II母间隔刀闸为合位时，合并器输出II母电压。,六、电子式互感器的试验与测试,现场试验方案,

23、 现场主要测试设备和工具(以光学电流互感器为例) （1）大电流发生装置（调压器、升流器）； （2）标准数字CT； （3）电子式互感器校验装置（包括安装有校验软件的计算机）； （4）秒脉冲发生器； （5）模拟采集器； （6）安装有NPI测试软件和IEC 61850报文监控分析软件的计算机。,六、电子式互感器的试验与测试,现场试验方案, 互感器测试,六、电子式互感器的试验与测试,现场试验方案,六、电子式互感器的试验与测试,现场试验方案,六、电子式互感器的试验与测试,ECT实验室试验方案,六、电子式互感器的试验与测试,EVT实验室试验方案,六、电子式互感器的试验与测试,ECT、EVT共用测试验方案,六、电子式互感器的试验与测试,实验室试验方案,七、电子式互感器与智能变电站,