直流配電網中計量設備的計量特性研究

袁欣雨，石振剛，孫 沖，張林浩，武超飛，李 涵

(1.天津大學，天津 300072；2.國網河北省電力有限公司電力科學研究院，石家莊 050021)

隨著直流配電網技術迅速發展，中低壓直流配網將成為未來配網不可缺少的重要組成部分，目前，直流配電網計量設備缺乏權威的檢測方法和檢測標準，各級計量機構未建立完整的量傳體系和計量授權標準和規范，因此有必要開展直流配電網計量設備計量特性研究[13]，提出不同應用場景下直流傳感器選型方案，形成中低壓直流配電網計量設備典型配置導則。

1 直流互感器計量特性

1.1 分壓器式直流電壓互感器

直流配電系統所用的分壓器式直流電壓互感器，一般由一次電壓傳感器、一次轉換器、傳輸系統、二次轉換器組成，基本原理如圖1所示(圖中并非每一個部件均為必需的)。

當直流輸電系統中的一次直流高電壓施加在一次電壓傳感器的高壓端子上時，一次電壓傳感器輸出與一次端子施加電壓相對應的模擬信號。該模擬信號經一次轉換器轉換成適合于傳輸系統信號后，再經由傳輸系統傳輸到二次轉換器。二次轉換器將傳輸過來的信號進一步轉換成測量儀器、儀表和控制保護裝置所需的量。

圖1 直流電壓測量裝置基本原理

分壓器式直流電壓互感器采用阻容分壓器作為一次電壓轉換器，是整套裝置的傳感器部分，要求具有較高的穩定度和準確度。一次電壓轉換器的內絕緣一般采用變壓器油、氮氣或六氟化硫氣體作為絕緣介質。分壓器式直流電壓互感器的一次電壓傳感器原理如圖2所示。圖中，R13、C11分別為一次電壓傳感器的高壓臂電阻和高壓臂電容；R24、C22分別為一次電壓傳感器的低壓臂電阻和低壓臂電容。

圖2 一次電壓傳感器原理

阻容分壓器電阻部分的主要作用是測量直流電壓的大小，額定電流一般在m A數量級。高壓臂電阻R13的選擇不能太小，否則流過電阻的電流I1過大會增大電阻本身的熱損耗，以致電阻的阻值不穩定而出現測量誤差；也不能選得太大，否則會由于流過電阻的電流I1太小而使電暈放電和絕緣支架泄露對測量的影響增大。一次電壓傳感器低壓臂的實際電阻大小等于低壓臂電阻R24與電子線路輸入電阻Rin的并聯電阻大小。當測量的一次直流電壓為UHV時，一次電壓傳感器的輸出電壓US由公式(1)計算得到，一般US的大小在幾十伏數量級。

阻容分壓器電容部分的主要作用是均勻雷電沖擊電壓和操作沖擊電壓的分布。電阻分壓器在沖擊電壓作用下，由于受雜散電容的影響，分壓器電阻上的沖擊電壓分布極不均勻，靠近高壓側的電阻將承受很高的沖擊電壓，這極有可能使單個電阻因過電壓而損壞，從而導致整個分壓器的損壞。而并聯的補償電容能夠有效減小雜散電容的影響，有利于沖擊電壓的均勻分布。

電容還與電阻一起構成阻容分壓器來測量諧波電壓。一次電壓傳感器低壓臂的實際電容大小等于低壓臂電容C22、電纜等效電容Cc以及電子線路輸入電容Cin的并聯電容大小。電容分壓比和電阻分壓比應相等，則有:

分壓器式直流電壓互感器雖然體積、質量大，但是由于穩定性和可靠性相對較高，因此廣泛應用于直流系統中。

1.2 光電式直流電壓互感器

某些物質具有光電效應，在外加電場的作用下，對透過它的光發生Pockels效應，即其雙折射快慢軸之間的相位差角φ與外加電壓V之間呈線性正比關系:

式中:K為常數，與晶體材料、結構有關。

因此對電壓V的測量可以轉化為對相位差角φ的測量，其測量原理如圖3所示。

圖3 光電式直流電壓互感器測量原理

整個系統由三部分組成:光發射部分、光纖傳感部分、信號接收處理部分(模擬信號處理和數據采集)。系統工作時，光源發出的光(PO)經光纖傳到互感器，光纖互感器在外加直流電壓(實際為外加直流電壓所激勵的磁場)作用下，發生Pockels效應，分解為2束光Px和Py，其光強由馬呂斯定理可知:

由式(4)、(5)可以看出:當外加電壓V時，產生了1個與V呈正比的相位差角φ，同時φ又影響出射光Px、Py的光強。

由于φ比較小，故sin2φ≈2φ。結合式(4)、(5)可得測量電壓的最終表達式:

式(6)表明，只需測出光纖互感器輸出的2束光Px、Py的強度或相對強度，通過定標求得比例系數K，就可以得到被測電壓的大小。

光電式直流電壓互感器與分壓器式直流電壓互感器相比，具有體積小、質量輕、瞬變響應速度快、抗電磁干擾能力強、安全難燃、智能化等優點，應用前景十分樂觀。但是，由于光電式直流電壓互感器的光學器件制作和加工難度大，易受溫度、震動等影響，導致光電式直流電壓互感器的穩定性、可靠性較差，阻礙了光電式直流電壓互感器的實用化進程。

1.3 零磁通式直流電流互感器

零磁通式直流電流互感器是一個用于測量中性線上的直流電流和諧波電流的寬頻帶電流測量裝置。它由安裝于復合絕緣子上的一次載流導體、鐵心、繞組和二次控制箱(室內部分)組成。一次載流導體和鐵心、繞組之間的絕緣介質為SF6氣體。

互感器模型的電路部分主要由振蕩器和調制檢測繞組的激勵電源組成。它將正弦激勵信號通過功率放大器A2進行功率放大，并將激勵電流輸入調制檢測繞組W1和W2。峰差解調器，將調制檢測繞組檢測出的有用峰差信號，轉換成一個直流控制電壓。反饋放大器A1，將解調器輸出的直流電壓信號進行放大，供給二次繞組，形成反饋電流，實現原副方安匝平衡。電壓輸出單元，運算放大器A4將采樣電阻上的電壓信號放大并輸出。

峰差調制是零磁通式直流互感器的核心，其原理如圖4所示，振蕩器把1個正弦波電壓施加于2個反向串接的調制檢測繞組上，使調制鐵心每周期進入適當飽和狀態。被測直流電流和反饋放大器輸出電流在每1個檢測鐵心內將建立1個合成直流磁勢，稱之為凈直流磁勢。凈直流磁勢代表了零磁通直流電流互感器的誤差分量。在任一瞬間，如1個檢測鐵心上的合成磁勢由凈直流磁勢和激勵電流建立的磁勢(激勵磁勢)相加，則在另1個鐵心上則一定是相減。

圖4 互感器電路結構

當凈直流磁勢為零時，由于2個調制檢測鐵心的對稱性，每個調制解調繞組采樣電阻上的電壓相等，峰差解調器中A3的輸入差分電壓為零。當凈直流磁勢不為零時，依據之前的分析，相對于2個調制解調繞組中激勵磁勢，凈直流磁勢的方向是相反的。調制解調繞組采樣電阻上的電壓一個變大，另一個變小。運算放大器A3輸入差分電壓變大，該電壓控制反饋放大器A1的輸出電流使得凈直流磁勢變小，進而A3的輸入差分電壓變小，直到達到1個平衡狀態。在該平衡狀態下，存在1個微小的凈直流磁勢，該凈直流磁勢使得峰差解調器產生1個控制電壓，這個控制電壓維持著反饋電流。因此，零磁通式直流電流互感器測量直流電流時，必然存在著三要素:被測直流電流、二次反饋電流和凈直流磁勢(由凈直流安匝產生)，凈直流安匝構成了直流電流測量的誤差。

定義零磁通式直流開環增益為反饋放大器A1輸出的直流電壓與凈直流安匝的比值，也稱該開環增益為磁調制器的靈敏度。如果整個系統的開環增益相當大時，1個微小的凈直流安匝即可維持系統的平衡，達到精確的安匝平衡，開環增益越大，直流電流測量誤差越小。本系統的開環增益G，按式(7)計算:

式中:h1為磁調制器的靈敏度，或變換電阻，Ω，h1正比于調制鐵心的匝數、凈截面積、微分導磁率、激勵頻率f，反比于鐵心的平均周長l；h2為磁調制器中放大器的電壓增益；r2為二次繞組的導線電阻，Ω；ws為二次繞組的匝數。

與任何自控系統相同，在滿足系統穩定的條件下，零磁通式直流電流互感器的開環增益，即磁調制器的靈敏度應盡量的大。要獲得較高的磁調制器靈敏度，應提高鐵心的磁導率，所以本樣機采用高磁導率低矯頑力的坡莫合金；激勵電源的頻率適當選高一些，但不宜過高，頻率太高增加鐵心渦流(有去磁作用)，使鐵心不易達到充分飽和，設計中的激勵電源頻率為500 Hz；激勵交流電壓適當選高一點，使鐵心達到充分飽和，這樣不僅可以提高靈敏度，而且可以提高零點的穩定性。零磁通式直流電流互感器二次反饋部分采用大功率運放作為反饋驅動，最大輸出功率240 W。

1.4 有源光電式直流電流互感器

有源光電式直流電流互感器的原理示意如圖5所示。

圖5 有源光電式直流電流互感器原理

高壓側傳感頭部分含有分流器和Rogowski繞組，分流器用于測量直流電流，Rogowski繞組用于測量諧波電流。分流器和Rogowski繞組輸出的信號經過高壓側電路板的信號調理、濾波、A/D轉換、電光轉換得到光信號，經過光纖傳輸至低壓側控制箱，低壓側處理模塊將接收到的光信號轉換為電信號，進一步D/A轉化為模擬電信號輸出。低壓側的激光模塊通過光纖發射激光至高壓側，轉化為電能供給高壓側電路板。利用分流器測量直流電流的方法的優點是不受外磁場影響，結構簡單。設計的分流器的額定電流為4 500 A，額定輸出電壓為75 m V。誤差影響因素有:溫度系數的影響、電流分布不均勻造成的誤差及熱電勢的誤差。

1.5 全光纖直流電流互感器

全光纖直流電流互感器的基本原理是基于Faraday磁光效應，當一束線偏振光入射至磁光介質后，其偏振面發生旋轉，旋轉的角度與外加的磁場強度成正比，即:

式中:V為光學介質的Verdet常數；H為磁場強度；L為光在介質中的傳播的距離。

全光纖電流傳感器則是以具有Faraday磁光效應的特殊光纖為傳感介質，圖6所示的是一種反射式的全光纖電流傳感器原理框圖。

圖6 反射式全光纖電流傳感器原理

典型的反射式全光纖電流傳感器基本原理為:由光源發出的光經過耦合器后由光纖偏振器起偏，形成線偏振光。線偏振光以45°注入保偏光纖后，被等幅注入保偏光纖的X軸和Y軸傳輸。當這2束正交模式的光經過波片后，分別轉變為左旋和右旋的圓偏振光，進入傳感光纖。在傳感光纖中由于被測電流產生磁場的Faraday效應，這2束圓偏振光以不同的速度傳輸。在由傳感光纖端面的鏡面反射后，2束圓偏振光的偏振模式互換(即左旋光變為右旋光，右旋光變為左旋光)，再次穿過傳導光纖，并再次與電流產生的磁場相互作用，使產生的相位加倍。這2束光第2次通過波片后，恢復為線偏振光，并在光纖偏振器處發生干涉。最后，攜帶相位信息的光由耦合器耦合進探測器。由于發生干涉的2束光，在光路的傳輸過程中，分別經歷了保偏光纖的X軸和Y軸及傳感光纖的左旋和右旋模式，只在時間上略有差別，因此返回探測器的光只攜帶了由于Faraday效應產生的非互易相位差。其表達式為:

式中:φ0為調制相位；Kloss為光路損耗；I0為光源輸出光強；N為傳感光纖的匝數；I為導線中的電流。

2 計量設備典型配置方案

為實現直流配電網系統中光伏側、線路側、負荷側及儲能側等直流電能計量，用于貿易結算，需在源網荷儲各環節設置直流計量點。目前直流配電網常見典型電壓為±20 k V、±10 k V、±375 V及±48 V等，即直流計量點需分別設置在±20 k V、±10 k V母線側、±375 V母線側、儲能出線側、新能源發電出線側及直流負荷側。

±20 k V和±10 k V中壓母線側采用電壓、電流互感器加直流電能表的計量方案。國內尚未發布針對直流配網用直流計量器具的相關標準或規范。參考DL/T 448—2016《電能計量裝置技術管理規程》，確定中壓母線側直流計量裝置的準確度等級:額定電壓為±20 k V和±10 k V，屬于Ⅲ類電能計量裝置，建議配置0.5 S級直流電能表、0.5級直流電壓互感器及0.5S級直流電流互感器。根據母線額定電壓值，確定直流電壓互感器的額定電壓為20 k V和10 k V，考慮到電壓互感器量值溯源要求，二次輸出電壓設計建議為10 V或100 V。根據母線額定電流值，確定直流電流互感器的額定電流為50 A，額定電壓為20 k V和10 k V。測量直流電流可采用全光纖、零磁通、分流器及霍爾4種原理，綜合考慮設備的技術及經濟性要求，擬采用零磁通電流互感器。中壓母線側直流電能表的電壓及電流輸入接口應與配置的直流電壓、電流互感器相匹配。

針對低壓計量配置方案，參照DL/T 448—2016《電能計量裝置技術管理規程》:額定電壓為±375 V或±48 V，屬于Ⅳ類電能計量裝置，應配置1級直流電能表、0.5級直流電壓互感器及0.5S級直流電流互感器。參照GB/T 29318—2012《電動汽車非車載充電機電能計量》:低壓側計量擬采用直流電能表加分流器的計量方案，建議配置1級直流電能表，0.2級分流器。

同時，為了確保直流計量系統與保護系統相互獨立、互不影響。應將中壓計量點的直流計量裝置安裝在直流斷路器與能量路由器之間，低壓計量點的直流計量裝置安裝在直流斷路器與低壓直流母線之間，儲能設備的直流計量裝置安裝在直流斷路器與直流儲能之間，新能源發電的直流計量裝置安裝在直流斷路器與新能源設備之間，負荷側直流計量裝置安裝在直流斷路器與直流負荷之間。

3 結束語

以上介紹了各類直流互感器基本原理及特性，分析了各設備的應用特點，并根據互感器特性提出不同應用場景下直流互感器典型配置方案，形成中低壓直流配電網計量設備典型配置導則，為直流配電網電能計量點設置和計量器具配置提供統一技術規范和技術支撐。