胡遠軍：變電站用電力互感器在線校準系統的研究

胡遠軍

摘要：對于變電站檢查而言，以往多以常規檢查方法為主，即通過電流互感器離線檢定，這種檢測方法不僅工作量巨大、浪費時間，而且往往會受到外界環境的影響，經常會導致檢定不足的問題，因此研發變電站用電流互感器在線校準系統顯得極為重要。本文基于自我研發的在線校準系統，首先對該校準系統的主要組成功能單元的結構特點、實現方案、以及性能測試結果進行了說明；最后以某110kV變電站現場電流互感器校準的實驗為案例，對整個系統進行了模擬試驗。結果表明，該系統不僅能夠較好的完成變電站電流互感器的在線校準，還能對電流互感器實際運狀態進行準確的評估。

關鍵詞：變電站；電流互感器；誤差；在線校準；標準器；開口式；帶電接入

引言：

眾所周知，目前我國電力系統中擁有大量的電力互感器，電力互感器離線校準也是目前我國變電站檢測的主要檢測方法。這種檢測方法不僅工作量巨大、浪費時間，而且往往會受到外界環境的影響，經常會導致檢定不足的問題，同時不能很好的測得三相帶電狀態下的真實數據。因此研發變電站用電流互感器在線校準系統顯得極為重要。

對于110～220kV等級的電壓關口計量點的計量，因為現有的全自動實時常規在線校準用互感器體積巨大、笨重的問題，往往會導致變電站的在線校準功能很難實現。基于這一現狀，通過對標準電壓電流互感器進行工藝改造，來實現容易安裝、體終輕盈輕目的。本文基于目前研究現狀，通過運用低功耗、高速、高精度的數據采集裝置，然后將標準電壓電流互感器輸出的信號轉化為數字信號利用光纖導線進行數據遠距離傳輸，這樣不僅能夠使得信號具有足夠的精度以及實時性，同時還能進行數據的長途傳輸，進而實現變電站額的現場在線校準。

1.系統方案設計難點及構架

現在變電站的標準電流互感器和數據采集裝置一般都會安裝在高壓線上，環境比較惡劣，因此目前存在兩個比較大的難點[1]：

（1）對于數據采集裝置而言，為了便于安裝，往往需要降低標準電流互感器及數據采集裝置的體積和重量，然而目前的電流互感器及數據采集裝置由于技術限制體積與重量都很難有實質性的降低，供電問題成為一大難點。同時因為母線的電流大小是很難確定的，電力互感器的單獨安裝和摘取往往需要帶電操作，而這對于實際操作而言很難實現；同時母線取電往往會導致諧波電流，致使電流測量值和實際運行的情況產生了出入，所以運用高壓母線對數據采集裝置進行供電的方案是很難實現的。現有技術可以采用激光供電或者太陽能電池供電，但是目前激光供電的功率很小，電路非常復雜，同時價格高昂；另一方面，太陽能電池往往受到陽光和體積的較多限制，因此也不太適用于現場帶電操作。

（2）對于目前關口計量用電能計量裝置的精確度等級一般為0.2級，同時標準電能校準系統的測量精度規范要求不低于萬分之五，方可對關口電能計量裝置進行在線校準。如上文所述，對于數據采集裝置而言，由于其一般安裝在高壓線路附近，電磁環境非常惡劣，同時容易受到溫度和濕度等因素的影響，所以較強的抗電磁干擾能力是數據采集裝置的必備特性。

通過對市場上的數據采集裝置的長時間調研發現，現有所有裝置都很難滿足本項目的要求。因此本文通過對高精度數據采集裝置的研究，分析了數據采集裝置的工作原理和設備結構，然后與標準電壓表3458進行比較，發現數據采集裝置能夠滿足目標要求。

本數據采集裝置由四大結構部分組成，自動AGC（Automatic Gain Control）、濾波電路、AD轉換單元、ARM數據處理平臺和光電通訊接口。其工作原理為：首先，標準電壓或電流互感器將微弱的信號輸入到自動AGC及濾波電路，然后利用前級濾波電路對信號的信噪比進行提高，其次，通過自動增益放大和濾波，使輸出的信號電壓幅度達到AD轉換平臺的最佳輸入電壓。由于對現場的線路來說，一般在較短的時間內輸出的負荷很少出現波動，一般很難出現較小的測量信號幅度的情況，所以僅設置1/10倍兩檔的AGC變換電路，就能達到現場檢定的要求。AD轉換平臺具備外部觸發控制和零點自動修正功能，每次測量前自動調零并較正溫漂，在接到外部采樣觸發信號后，立即啟動電壓保持器并進行模數轉換。

2 .在線校準系統設計構架

由于變電站內具有大量的電壓互感器，互感器之間的距離較遠，從抗干擾角度來說，分布式測量系統和現場總線技術需要遠距離引入電壓互感器二次輸出電壓信號，在電磁兼容復雜環境下即使采用小電流平衡測量原理也非常容易受到干擾，與模擬信號進行比較，發現也會出現模擬信號遠距離傳輸受到干擾影響的情況。與此同時，全線同步監測系統會對每臺被監測設備的信號利用電壓傳感器就地進行模數轉化，利用光纖傳輸的方式進行信號傳輸，可以很好的避免模擬信號在長途傳輸過程中受到的干擾，然后利用多臺數據處理單元來進行聯網。從測量角度而言，因為被檢電壓互感器的二次輸出信號是利用采集板進行采樣、同步等功能，所以也會出現和標準信號的采樣存在轉化時間和延時的同樣問題。所以，在數據處理方面不推薦使用差值法而采用直接比較法，即對同一時刻電壓互感器和電壓比例裝置的電壓絕對值進行比較計算誤差。從互感器輸出接口來看，接收電壓互感器二次信號的合并單元將同一時刻不同協議規定的電壓互感器的計量、測量、保護端子輸出，共 3 路信號按標準規定的數據格式組成幀內容，以特定的格式發送給工控機。通過合并單元輸出的數字信號有兩種以太網輸出方式，分別為按照 IEC60044-8 中所述的 FT3 格式采用曼切斯特編碼發送方式和采IEC61850-9-1 所述的IEEE8802.3的發送方式。前者傳輸速率為 2.5 Mbps，后者的傳輸速率達到 100 Mbps。

如圖1所示，電力電壓互感器在線群通過數臺被檢電壓互感器的二次輸出信號來模擬電壓信號，利用采集板進行模數轉化之后通過光纖傳輸至合并單元，合并單元收到多組數字量后進行打包，然后等待同步時鐘發出同步信號，收到同步信號之后以規定的格式將數字量傳遞到測量通道采集單元，與同時收到同步采集信號的標準通道信號采集單元同時將數據傳遞到數字處理單元[8-10]。在變電站擁有較多的電壓互感器的情況時，可利用合并單元的采集通道數量來配置多臺合并單元[2，3]。

3.在線群校準環境要求

對于在線誤差的校準而言，一般都會與實驗室校準誤差存在差別。而對于在線群校準而言，往往需要考慮電力電壓互感器實際運行情況對信號測量的影響。首先，由于一次導體上通過一次電流便會產生電感，因此在進行在線監測時必須將一次電流的潮流方向進行準確的標識。其次，由于變壓器輸出側可以利用GIS管道或分裂導線進入各臺電壓互感器的長度獲得，因此利用μA級鉗形電流表可以得到電流值，可以通過計算得到一次導體的感抗值。此外，GIS 管道對外殼之間的容升效應可達數十伏，實際運行情況導致電壓標準器與被檢電壓互感器的一次電壓值有時會相差幾十伏。因此，在進行在線群校準系統測試之前有必要對一次電流潮流方向、一次壓降、二次壓降、二次負荷進行實際測量。標注測量環境參數，結合標準器實際情況實際對在線校準數據進行限定，提高電壓互感器在線群校準數據的可靠性。

結束語：

本文通過應用全站同步監測系統，實現了在短時間內對全站在運電壓互感器的多路信號進行采集、數據處理的能力。同時提出了根據電壓互感器的實際運行情況，對被檢電壓互感器的一次壓降、二次壓降及包含測量系統后的二次負荷進行測量，將測量數據作為群校準方法獲得的被檢電壓互感器誤差的限定條件。當限定條件超出在線誤差校準技術規定時，應對測量的誤差進行修正或者考慮調整外界條件重新測量。

參考文獻：

[1]李鶴，李前，胡浩亮，等. 變電站用電流互感器在線校準系統的研制[J]. 電測與儀表，2013，50（12）：5-8.

[2]章述漢，雷民，熊前柱，等. 電力互感器在線校準用數據采集裝置的研制[J]. 電測與儀表，2012，49（12）：82-85.

[3]項瓊，王歡，杜硏，等. 電力電壓互感器在線群校準技術研究[J]. 電測與儀表，2016，53（3）：32-37.