一種高壓輸電線路電能計量裝置的研究與設(shè)計

張金波，高祥龍，邰 旻

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

一種高壓輸電線路電能計量裝置的研究與設(shè)計

張金波1，2，高祥龍1，2，邰 旻1，2

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

為了克服傳統(tǒng)電能計量裝置無法直接計量高壓線路電能問題，提出了一種基于場強(qiáng)法，并利用開口式電流互感器、電能計量芯片IDT90E36及STM32F103為核心控制處理器的計量裝置，實(shí)現(xiàn)了高壓輸電線路電能電量的計量。經(jīng)實(shí)際測試表明，該電能計量裝置使用簡便、成本低廉，穩(wěn)定可靠，能夠滿足高壓輸電線路的電能直接計量。

高壓輸電線路；場強(qiáng)法；IDT90E36；電能計量

1 引 言

隨著社會用電負(fù)荷的不斷增加，對供電可靠性要求也在不斷提高。配電設(shè)備作為向用戶供電的最后一個環(huán)節(jié)，其運(yùn)行狀況直接影響到對用戶的供電質(zhì)量。由于配電設(shè)備數(shù)量多、分布面廣而散，受人員、測量設(shè)備及數(shù)量的限制，通常只需要計量幾個或幾十個用戶的所用電量，最簡單的方法是計量這些用戶輸入端10－35kV輸電線路的電量。傳統(tǒng)計量方法是采用高壓電壓互感器、電流互感器、防止雷擊的避雷器及計量儀表進(jìn)行計量。這種計量方法存在計量設(shè)備復(fù)雜、投資大、占地面積大等缺點(diǎn)，尤其是放在戶外極易受到雷擊而損壞計量設(shè)備，所以，傳統(tǒng)計量設(shè)備已不能滿足輸電線路針對用戶端負(fù)載用電量實(shí)時計量的需要。據(jù)此提出一種新型輸電線路在線式電力電量計量裝置［1－2］，該裝置采用電場法非接觸方式獲得電壓相位信號、開口式電流互感器［3］測量電流及無線通信技術(shù)，利用電量測量裝置測量輸電線路功率因數(shù)、電流有效值、功率因數(shù)和電流有效值乘積及電流諧波含量，并通過無線方式發(fā)送給電量計量裝置，電量計量裝置在測量電壓有效值的同時，接收來自電量測量裝置輸電線路的功率因數(shù)、電流有效值、功率因數(shù)和電流有效值乘積及電流諧波含量。根據(jù)功率因數(shù)和電流有效值乘積及電壓有效值計算輸電線路負(fù)載電量，并分別顯示A相、B相和C相電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、電流各次諧波含量、總諧波含量、電壓變比、電流變比及A相、B相和C相的電量累計值。該裝置的的使用可以大大提高輸電線路電量計量的實(shí)時性、可靠性，減少運(yùn)行成本。

2 場強(qiáng)法獲得高壓線路電壓信號的原理

由電磁場理論可知變電所的電場是工頻交變電場，頻率為50Hz，波長遠(yuǎn)大于所研究對象的場域幾何尺寸，故可用靜電場［5］的一般概念和方程進(jìn)行描述。筆者在高壓輸電線路周圍空間電場的計算中采用等效電荷法并對線路做了如下簡化：認(rèn)為輸電線有著相同半徑，彼此間平行，電荷分布沿線路無畸變，并且忽略桿塔、橫擔(dān)和周圍臨近物體的影響［6］。高壓輸電線路下，空間任一點(diǎn)的電場強(qiáng)度用三角函數(shù)可表示為：

式中Ex、?x為水平分量的振幅和相角，Ey、?y為垂直分量的振幅和相角，各場強(qiáng)分量都是隨時間變化的脈動量。在式（1）中通常有?x≠?y，這樣空間任一點(diǎn)的合成場強(qiáng)就會是一個旋轉(zhuǎn)的橢圓場。但對于單相輸電線路，在經(jīng)過與該水平導(dǎo)線垂直的直線上，因Ex＝0，該橢圓變?yōu)榇怪庇诘孛娴拿}動量。基此選擇P（xi，y）點(diǎn)在與水平導(dǎo)線的垂直線上，如圖1所示。

圖1 單相導(dǎo)線垂直方向場強(qiáng)Fig.1 Single－phase wire vertical direction of the field

則P點(diǎn)電場強(qiáng)度的水平分量Epx和垂直分量Epy可表示為（取導(dǎo)線與其鏡像的連線和地面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)）：

x＝0，則有：

假設(shè)高壓電力線路的電壓瞬時值ui＝u1cos（wt＋?）＋u2cos（3wt），含有三次諧波。記P點(diǎn)與導(dǎo)線的垂直距離為Δh＝h－y≥R，則根據(jù)疊加原理得點(diǎn)P（0，y）處的電場強(qiáng)度瞬時值如下：

圖2 Ep－Δh關(guān)系圖Fig.2 The relation graph of Ep－Δh

高壓輸電線路通電情況下其周圍工頻［7］電場變化頻率很低，屬準(zhǔn)靜態(tài)場范疇。處于電場當(dāng)中不同位置的兩點(diǎn)P1（xi，y1）、P2（xi，y2）間將產(chǎn)生電勢差即電壓差，若設(shè)對應(yīng)兩點(diǎn)與導(dǎo)線的垂直距離為Δh1、Δh2，地面為電位等于零的平面，P1點(diǎn)電勢可表示為：

圖3 Ep－Δh關(guān)系仿真圖Fig.3 The simulation relation graph of Ep－Δh

P2點(diǎn)電勢可表示為：

P1與P2兩點(diǎn)間的電壓差則為：

上式表明高壓線路附近空間某兩點(diǎn)之間的電壓差信號與高壓線路的電壓信號在相位上保持完全一致性；在空間兩點(diǎn)與導(dǎo)線距離固定不變的情況下，該兩點(diǎn)間電壓差信號的幅值與相應(yīng)高壓線的電壓信號成比例關(guān)系；同時可以看出兩點(diǎn)間的電壓差信號諧波含量情況與高壓輸電線路基本一致，只是在幅值上存在一定比例。所以提出了用場強(qiáng)法獲取高壓線路附近垂直方向上兩點(diǎn)電壓差信號，近而也可以對該高壓線路諧波含量進(jìn)行分析。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

計量裝置主要由3個電量測量裝置和1個電量計量裝置組成，電量測量裝置和電量計量裝置通過無線方式［8－10］傳遞信息，電量測量裝置主要作為電能測量，電量計量裝置主要作為電能計量。電量測量裝置上裝有電極，分別掛接在被測高壓線路A、B、C三相上，根據(jù)場強(qiáng)法原理，電極上會耦合出與被測線路同頻同相的電壓小信號。同時利用開口式電流互感器測量輸電線路電流，分別將采集到的電流信號、電壓相位信號送入電能計量芯片進(jìn)行電能參數(shù)計量，計量得到的結(jié)果通過無線收發(fā)模塊實(shí)時傳送給電量計量裝置。電量計量裝置接收到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計算處理，并在液晶顯示器上實(shí)時顯示A、B、C三相高壓線路電能參數(shù)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 高壓輸電線電能計量的總體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The overall structure of powermetering on the high－voltage transmission

4 電能在線計量裝置設(shè)計

4.1 高壓線路電壓相位信號的采集

高壓輸電線路的電壓很高，在其周圍分布的電場強(qiáng)度很大。若有一導(dǎo)體放入該電場中，根據(jù)麥克斯韋電磁場理論，導(dǎo)體上就會感應(yīng)出一定的電荷量，致使導(dǎo)體與高壓輸電線路之間形成一個雜散電容，從而耦合出高壓線路上的交變信號。在該電路設(shè)計中，用于獲取交變電壓信號的導(dǎo)體被簡稱為電極。當(dāng)電極接觸或接近導(dǎo)線時，電極兩端就會感應(yīng)出與此線路信號同頻同相的電壓信號，然后通過雙向穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅處理和抗混疊濾波電路進(jìn)行濾波處理。高壓線路電壓采集信號電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 高壓線路電壓信號采集電路Fig.5 Voltage signal acquisition circuit of high－voltage line

4.2 電量測量裝置的設(shè)計

電量測量裝置主要完成高壓線路上電流有效值、功率因數(shù)及電流諧波含量等電能參數(shù)的測量，同時根據(jù)電能計量裝置的指令傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)。電路主要由微控制器、電流采集模塊、電壓采集模塊、電源模塊、IDT－90E36電能計量模塊，無線發(fā)送模塊等組成，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 電量測量裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 The structure block diagram of powermeasuring device

4.3 電量計量裝置的設(shè)計

電量計量裝置主要完成采集電能數(shù)據(jù)的接收、分析計算以及結(jié)果分析、顯示、存儲和查詢等功能，電路結(jié)構(gòu)包括STM32F103微控制器、電源模塊、無線收發(fā)模塊、實(shí)時時鐘（RTC）模塊、存儲模塊、人機(jī)交互模塊、RS485通訊模塊等，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 電量計量裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 The structure block diagram of powermetering device

5 電能計量裝置的軟件設(shè)計

電能計量裝置軟件部分包括電量測量裝置軟件設(shè)計和電量計量裝置軟件設(shè)計。電能測量裝置和電量計量裝置之間通過無線收發(fā)模塊交換數(shù)據(jù)，由于實(shí)際應(yīng)用中電能測量裝置有3個掛接在高壓線路A、B、C三相上，而無線收發(fā)模塊之間的通信為半雙工通信，所以為使多個電能測量裝置與電量計量裝置準(zhǔn)確無誤的交換數(shù)據(jù)，裝置之間通信采用ModBus協(xié)議，采用協(xié)議RTU模式。電能測量裝置上的無線收發(fā)模塊一直處于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到電能計量裝置發(fā)來的指令時，首先將接收到的指令地址位和自身撥碼開關(guān)設(shè)定的地址進(jìn)行比較，若相同則響應(yīng)電能計量裝置的功能需求，發(fā)送所需數(shù)據(jù)，否則不響應(yīng)，其具體程序流程圖如圖8所示。電量計量裝置主要作為中心控制系統(tǒng)，測量電壓有效值的同時定時向掛接在A、B、C三相高壓線路上的電量測量裝置發(fā)送數(shù)據(jù)請求，并對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計量，同時將計算處理完成的電能參數(shù)結(jié)果實(shí)時顯示在液晶屏上，主程序流程圖如圖9所示。

圖8 電量測量裝置程序流程圖Fig.8 Program flow chart of powermeasuring device

6 結(jié)束語

系統(tǒng)基于場強(qiáng)法，利用開口式電流互感器及電能計量芯片IDT－90E36，設(shè)計了一種新型輸電線路在線式電力電量計量裝置。結(jié)合嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高壓輸電線路電能在線計量。經(jīng)測試表明，該裝置的使用可以大大提高輸電線路電量計量的實(shí)時性、可靠性，并大大減少了運(yùn)行成本。

圖9 電量計量裝置軟件流程圖Fig.9 Program flow chart of powermetering device

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Research and Design of Energy Metering Device on High－Voltage Transm ission Line

Zhang Jinbo1，2，Gao Xianglong1，2，Tai Min1，2
（1.College of Internet of Things Engineering，HoHai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

In order to solve the problem that traditional energy metering devices cannot measure high－voltage line electrical energy directly，the new energymetering device，using energymeasurement chips IDT90E36 and STM32F103 as core processor，by open type current transformer，based on field intensity method，is presented in this paper.It realizes themeasurement of electrical energy on the highvoltage power transmission line.The practical test shows that the electrical energy metering device is of simple operation，low costand reliable stability，and canmeet the requirements for directlymeasuring the electrical energy on the high－voltage line.

High－voltage power transmission line；Field intensitymethod；IDT90E36；Energymetering

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.025

TP393

A

1002－2279（2015）01－0091－05

張金波（1967－），男，黑龍江雙城人，副教授，工學(xué)博士，主研方向：電力系統(tǒng)及其自動化相關(guān)領(lǐng)域檢測設(shè)備的研究。

2014－06－27