數字化變電站電能計量技術要點的探討

王曉泳 張 晨 魏靈坤

（1.青島供電公司，青島 266000;2.煙臺東方威思頓電氣有限公司，煙臺 264001）

引言

隨著計算機技術的不斷發展，變電站自動化技術不斷得到提升，完成了從集中式向分層式的過度。智能化的一次設備、數字電子/光電電流/電壓互感器、集成開關設備系統、變壓器及氣體絕緣開關GIS等一次設備在線狀態和變電站運行操作仿真等在變電站的應用，促使變電站自動化系統結構由變電站層、間隔層的2層結構向變電站層、間隔層、過程層3層結構過度。隨著變電站通信網絡和系統的IEC61850系列標準的制定，取代現場總線的基于以太網和TCP/IP的無縫通信體系也初見端倪，數字化變電站隨之呼之欲出。

因為數字化變電站采用全數字化處理，傳統的機械式、電子式電能表都不能適用于這種新型的變電站中。數字化變電站用多功能電能表隨之而生。與傳統的電能表相比，這種電能表能直接接收數字化變電站中的數字信號并處理，對數字化變電站中的電能作出精確計量。本文對這種多功能電能表技術要點進行討論。

1 數字化變電站的簡介

數字化變電站是指變電站內一次電氣設備和二次電子裝置均實現數字化通信,并具有全站統一的數據模型和數據通信平臺,在此平臺的基礎上實現智能裝置之間信息共享和互操作的現代化變電站。數字化變電站具有數據共享、信息全面、安裝、運行、維護、升級方便、底層數據格式相同、設備成本低、便于提供先進的應用功能等優點,具有數字化的TV/TA、二次設備、開關設備、無縫通信協議 (IEC61850)、實時數據傳輸(GOOSE)等主要特征[1]。

數字化變電站將自動化系統的結構在物理上可分為兩部分,即智能化的一次設備和網絡化的二次設備;在邏輯結構上可分為3個層次,根據IEC關于變電站的結構規范,將變電站分為3個層次,即變電站層、間隔層以及過程層。各層次內部及層次之間采用高速網絡通信。

數字化變電站主要核心技術主要體現在電子式互感器以及IEC61850標準的應用上[2][3]。電子式互感器的應用是數字化變電站發展的核心與基礎,任何形式的數字化變電站都離不開互感器的數字化。與傳統的電磁式電流互感器相比,電子式互感器沒有絕緣油,不會有安全隱患；沒有鐵芯,沒有鐵磁共振、磁滯效應及沒有磁飽和現象；測量帶寬和精度高；體積小、重量輕、運行時沒有噪音,高電壓等級時性價比好；二次系統沒有電流,不存在TA開路、TV短路的問題;數字化通信,可以通過網絡實時監測互感器工作狀態。這些優點為傳統的變電站帶來了變革性影響。

數字化變電站的主要一次、二次設備均應為智能設備，這是變電站實現數字化的基礎。智能設備具有與其它設備交互參數、狀態和控制命令等信息的通信接口。如果確需使用傳統非智能設備，應通過配置智能終端將其改造為智能設備。設備間信息傳輸的方式為網絡通信或串行通信，取代傳統的二次電纜等硬接線。

2 數字化變電站用電能表可行性討論

2.1 計量可靠性討論

由于計量原理不同，數字化變電站中電能計量系統可靠性與傳統計量系統側重點也不同，傳統變電站計量系統中，電能表以及二次傳輸回路的故障率高于互感器。而在數字化變電站中，電子式互感器是關鍵設備，電子式互感器遠比傳統互感器復雜，并且用光纖等傳輸方式代替了二次回路，這種情況下可靠性的重點主要在于電子式互感器。現在電子式電流互感器的研制已經進入了實用化階段,它具有無飽和、頻帶寬、體積小巧等諸多優點,而電子式互感器與保護、測控設備的接口問題,成為其能否實現產業化的關鍵。

電子式互感器的設計，應重點考慮可靠性問題，尤其是合并單元。因為合并單元集成在電子式互感器中，一并安裝在高壓側，若出現故障，可能要一次側停電才能維修。而傳統方式下電能表及二次回路發生故障，只要將二次回路切斷即可，不影響一次側供電。

目前電子式互感器傳輸數據給二次側設備有兩種方式：光纖、以太網。以太網是當今居于主導地位的局域網技術，它是建立在CSMA/CD機制上的廣播型網絡。沖突的產生是限制以太網性能的重要因素，光纖數據傳輸，雖然存在接頭中心不正等問題，但一般認為是比較可靠的傳輸方式，不受各種電磁環境的干擾。

數字化變電站用表對于光纖等傳輸的信號要進行實時監視，通過檢查校驗方式，剔除錯誤信息。若檢測到錯誤信息或者漏點，電表要進行補償，最簡單的方法為平均值法，即取前后兩點取平均，填充到漏點位置。當然，若運算速度足夠，還可以采用高次插值方法，可以得到更為精確的補償。

對于通訊質量，電能表要重點監視。一般監視漏點率，即統計一段時間的傳輸漏點次數，并且設置上限值，若漏點率超過此值，則在LCD上報警，并上傳警告，讓工作人員對此線路進行重點檢查。

2.2 數字化變電站電能計量系統檢定討論

傳統的變電站計量系統，檢定包括互感器檢定及電能表檢定。經過長時間的發展，傳統計量檢定已經形成了一套完善的檢定方法。

傳統檢定包括現場檢定與實驗室檢定。平時的循檢采用現場檢定的方法，即采樣現場校表儀，在不破壞電能表接線的情況下，從二次側取電，通過測量電表發送的脈沖，檢查電能表精度，此方法快捷、方便。若懷疑電能表故障，可以將電能表拆下來，在實驗室檢定。在實驗室檢定中，由校表臺的標準源提供恒定的電壓、電流，通過檢測電能表發送的脈沖，得到電能表精度。

數字化變電站電能表計量采樣數據直接從變電站得到，其誤差的計算也與傳統電表大相徑庭，可以說，這種電表是某種意義上的采集器。若認為輸入的數字信號為準確的，則電表誤差就是取決于計算，若沒有溢出，且不考慮舍入誤差，則認為此電表沒有誤差存在。

所以，在數字化變電站中，單純對電表的檢定意義不大，其誤差來源主要在于電子式互感器。能否建立一套成熟的數字化變電站計量系統檢定方案，是數字化變電站計量方式能否被推廣的關鍵。

在數字化變電站計量系統檢定中，最好的檢定方式是系統檢定，即取高壓側的電信號，經過計算，與電表發送的脈沖對比，得到系統精度。但此方法難點在于高壓電信號的提取。另外一些方法，如電子式互感器的合并單元與互感器分離或者由互感器提供檢定信號，這些都是折中的方法，不能徹底解決問題。

3 數字化變電站用電能表設計

數字化變電站用表與普通電表最大不同在于數據采集部分，普通電表直接采集模擬量，經過模數轉換后生成數字量，并對其進行處理。數字化電能表直接接收電子式互感器傳輸的數字信號，經過解碼得到采樣數據。

由電子式互感器提供的數據，可以通過光纖或者以太網提供給各個二次設備。若通過光纖方式，光信號經過光電轉換器，轉換為二進制的數據流，此數據流符合IEC60044-8規定。在數字化變電站用電表中，有一個解碼芯片，對數據流進行初步處理。此芯片一般采用可編程邏輯器件，如FPGA、CPLD等，以適應高速數據解碼的要求。此芯片要完成數據校驗、串行數據轉換并行數據及數據緩沖等功能。

解碼芯片與DSP間的數據交換有多種方式，包括串行的SPI、UART，并行的雙口RAM、讀解碼芯片內存等。其中串行方式設計簡單，但速度慢，不能滿足高速傳輸要求。而采用雙口RAM或者讀內存方式，設計較復雜，需要大量握手信號，操作也很繁瑣。當前大部分DSP都支持DMA功能，解碼芯片采用并行總線與DSP相連，在數據就緒后，觸發DSP的DMA功能，將數據直接存放在DSP的緩沖區中，這樣可以在不頻繁中斷DSP的情況下完成數據傳輸。存儲到DSP緩沖區的數據格式，可以按照傳統格式存儲，即一個數字波形。這樣DSP后續的處理就與普通電表相同了。

除了數據采集系統外，兩種電表區別不大，設計時，應考慮繼承性，以及使用習慣。

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