高壓電能表在智能配電網計量系統中的應用

杜洪文

（安遠縣供電有限責任公司，江西贛州342100）

1 引言

我國10kV配電網主要是中性點不接地系統，高壓計量是目前供電企業與電力用戶點電能計量和電費收繳的核心分界點，其計量點統一選取在10kV高壓側（工程中常稱為“高供高計”電能計量模式）。現有的高壓計量普遍采用兩元件計量法（即兩臺計量用電壓互感器VT、兩臺計量用電流互感器CT和一臺多功能電能表）共同組成。兩元件計量體系中，計量誤差與CT、VT、電能表的準確度有關，同時還與計量接線方式有關，其在實際電能計量過程中，存在計量誤差較大、故障隱患較多、系統運行能耗較大、防竊電能力較弱等問題，很難滿足現代智能配電網實時精確、節能經濟電能計量需求［1] 。

智能化、網絡化、功能集成自動化等，是10kV智能配電網建設發展和技術升級改造研究的主要目標［2]。智能精細化高壓電能采集裝置和信息化運行管理技術手段，是10kV配電網實現智能化的重要保證基礎。鑒此，根據常規10kV高壓計量系統中存在的不足，結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量功能模塊，構筑整體式高壓直接計量系統，提高10kV高壓側電能計量實時性、準確性、可靠性，和計量系統的綜合防竊電能力，對10kV配電網智能化建設發展具有非常重要的推動意義。

2 10kV智能配電網高壓直接計量原理

為了解決10kV配電網中高壓電能計量系統中存在的計量誤差較大、故障隱患較多、能耗較大、防竊電能力較弱等問題，需要結合先進的電能特性參數測量儀器和功能模塊，改變10kV配電網現有的電能特性參數采集和計量模式，實現電能數據高壓側直接整體式準確計量。國內已針對高壓電能計量系統測量實時性、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、電流特征信號方面的高壓側采集，還需將電能特性參數通過光纖通信傳輸到低壓側進行電壓、電流信號處理和電能計量，沒有真正實現電能高壓側直接整體式計量功能，且計量系統中電能數據安全性、防竊電功能等沒有得到很好解決。

采用兩元件法進行高壓電能計量，不僅可以測量處于不對稱負載運行工況下10kV高壓線路的三相三線功率和電能，同時其測量精度較高，能夠滿足高壓直接計量測控系統設計需求。對不接地或小電流10kV配電網接地系統而言，三相總功率的函數表達為：

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個特性參數信號，就可以計算出10kV配電網高壓三相三線功率或電能S值。

3 高壓直接計量電能表設計方案

圖1 基于等電位電路的高壓直接計量方案

圖2 高壓單相電能直接計量功能模塊

為了便于給10kV配電網節能經濟調度運行提供詳細的電能參考數據，結合式（1）可知，對線路A相、C相分別采用高壓單相電能直接計量，就可以獲得10kV配電網分相和三相三線總功率。高壓單相電能直接計量功能模塊設計方案如圖2所示。

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

則10kV高壓配電網三相三線總功率可以表示為：

在式（3）的基礎上，通過配電網三相三線總功率對時間量的積分運算，就可以獲得10kV配電網高壓電能直接計量數據。

從圖1和圖2可知，基于高壓單相電能計量功能模塊的高壓直接計量系統，是一種懸浮在10kV電力線路高壓側的單相高壓電能直接計量系統，可以避免常規“高供高計”系統中使用信號線將電壓互感器的信號引到低壓端，造成二次信號產生壓降等不利情況發生，降低電能特征信號采集誤差，提高了10kV高壓配電網電能計量系統計量數據的精確可靠性。另外，由于將整個單相高壓電能直接計量功能模塊，直接懸浮在10kV電力線路高壓側進行計量，可以有效防止竊電非法行為發生；直接計量功能模塊與外界間進行數據信號傳輸采用高速率光纖以太網通訊模式，可以實現電能特征數據信號安全、及時、可靠、準確的傳輸；單相電能直接計量功能模塊，結合了電能計量集成芯片、CPU數據處理單元等先進功能元件，能夠對計量系統功能進行整體定義，和對電能計量誤差進行動態校驗，提高了計量系統運行準確性、可靠性；與常規電磁式高壓VT、CT和電能表組成的高壓計量系統相比，單相高壓電能直接計量系統的體積和重量均得到顯著減小，大大提高了高壓直接計量系統電能計量的網絡化、集成化、智能化水平。單相高壓電能直接計量功能模塊，具有較強的通用適用性，不僅可以用于10kV配電網的A相、C相功率和電能計量，還可以借用此種計量功能模塊開發原理，設計出適用于不同工作電壓等級下的高壓電能直接計量系統。

高壓單相電能直接計量功能模塊中，電能計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單片機控制系統，光電轉換采用低速光纖收發專用功能模塊。從圖1可知，單相電能直接計量測量芯片的0.5V輸入由電容通過分壓措施在10kV線路相間獲取；而測量芯片的電流輸入端則從10kV線路電流互感器二次側獲取mA級電流信號在精密電阻上通過采樣獲得。10kV配電網高壓電能直接計量系統中，A相、C相的高壓單相電能直接計量功能模塊中，所采集到的實時電流信息、相間電壓信息、以及經轉換電路運算獲得的功率信息和電能信息，通過安全絕緣性能較強的光纖傳送給處于B相的電能計量綜合單元主控模塊，經時間量的積分運算處理后獲得對應的準確電能數據，并能進行及時記錄保存。

4 高壓電能表應用誤差分析

國家電網公司企業標準（Q／GDW 359-2009）：0.5S級三相費控智能電能表（無線）技術規范中明確規定，我國0.5S級高壓電能表的有功準確度等級為0.5S、無功準確度為2級，其計量允許誤差限值如表 1 所示［4]。

表1 0.5S級高壓電能表允許誤差限值

為了驗證所設計的高壓直接計量電能表在10kV配電網計量系統中計量的準確可靠性，按照圖1和圖2所示高壓直接計量系統工作原理和邏輯組成，研制出高壓直接計量電能表試驗樣機，其使用環境為10kV、50A高壓配電線路。樣機校驗范圍為試驗電壓為10%～120%額定電壓（即：1kV～12kV）、試驗電流為10%～120%額定電流（5A～60A）、功率為5kW～720kW。由于試驗條件有限，此處僅對10kV配電網高壓直接計量電能表的有功功率分量進行校驗，其試驗結果如表2所示。

表2 高壓直接計量電能表有功功率校驗結果

從表2可知，高壓直接計量電能表在10kV配電網計量系統中的應用，其最大校驗正誤差為實際功率230kW時，C相計量誤差為0.38%；最大校驗負誤差為實際功率720kW時，A相計量誤差為-0.42%。結果表明，設計的測試樣機性能指標能夠達到0.5S級標準要求。高壓直接計量電能表在10kV配電網中的應用，能靈活完成高壓電量直接采集計量功能，可以確保配網每條10kV饋線的電量數據及時、完整、準確的計量統計，方便地為配電網經濟調度管理人員線損統計分析提供實時準確的電能數據［5]。

5 結束語

本文介紹的基于高壓單相電能直接計量功能模塊的高壓電能表，可以實現在10kV配電網高壓側對電能直接進行計量的功能，可以對電能計量誤差進行整體校驗分析，有效提高了高壓電能計量準確可靠性。高壓直接計量電能表在運行過程中，不會產生鐵磁諧振，確保了10kV配電網系統安全經濟運行；另外，整個電能直接計量系統均工作在10kV高壓側，在很大程度上杜絕了竊電等非法不安全用電行為的發生。將所設計的高壓直接計量電能表，在10kV，50A的高壓配電線路上進行掛網試運行校驗分析，結果表明，高壓直接計量系統具有較高運行穩定性、安全性和電能計量準確可靠性，整體計量準確度能夠達到Q／GDW 359-2009技術規范中0.5S級三相費控智能電能表（無線）相關電能計量技術要求。

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

［2] 周新啟，劉會金，鄭 莎.混合式光電電流互感器高壓側的電源方案研究［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] .電力系統自動化，2004，28（9）：88-91.

［4] 國家電網公司企業標準（Q／GDW 359-2009）：0.5S級三相費控智能電能表（無線）技術規范［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展［J] .電測與儀表，2008，45（1）：1-3，42.