關口電能計量裝置在線監測技術研究現狀分析

趙國鵬,閻 超,孫 沖,史 輪,李宏勝,劉 璇

(1.國網河北省電力有限公司營銷服務中心,河北 石家莊 050035;2.國網河北省電力有限公司經濟技術研究院,河北 石家莊 050011)

0 引言

關口電能計量裝置是安裝在電能產生、傳輸、消耗處,用于發電、輸電、供電企業及電力用戶相互間進行電能貿易結算及相關技術經濟指標考核的法定計量器具,其運行誤差直接對購售電雙方、供用電雙方貿易結算的準確性產生很大的影響。為保障其準確可靠,需對關口電能計量裝置的運行誤差進行周期性現場檢驗,具體試驗項目包括電能表誤差、電壓電流互感器誤差、電壓互感器二次回路壓降以及互感器二次負荷試驗。

目前,關口電能計量裝置的現場校驗方法可分為離線式和在線式2類。離線式校驗是在系統停電時,由技術人員使用成套檢測設備在現場開展相應的檢測項目,需要人員定期往返于各計量點間,操作也較為復雜,并且這種方法校驗計量裝置的誤差狀態只是短時性的,不能準確感知計量裝置在電網運行狀態下的誤差變化情況,不利于發現其潛在的誤差變化趨勢。在線式校驗是在電能計量裝置運行狀態下,實現對計量裝置性能的測量與評價,能在線監測和評估其長期運行狀態,是現場檢測技術發展的趨勢。本文主要介紹當前關口電能計量裝置在線監測技術研究應用現狀,針對在線監測技術存在的問題以及能源互聯網建設大背景下對關口電能計量裝置管理技術提出的新需求等進行分析和探討,以期能為相關技術人員提供有益參考。

1 關口電能表在線監測技術

電能表作為智能化程度最高的計量裝置,在其運維管理工作中,傳統的人工校驗方法仍占據主流位置,與技術進步的潮流不匹配。通過智能感知和數據挖掘實現對電能表運行狀況的實時監測已成為新的研究熱點,驅動著電能表現場校驗技術的不斷進步。

1.1 實物標準比對方法

目前,在關口電能表現場運維一線工作中已廣泛應用了不停電在線校驗技術,即技術人員到被檢電能表裝設運行的現場,用與所攜帶的在線式電能表現場校驗儀所對應配套的高準確度鉗形電流互感器,從現場運行中的被檢電能表的電流接線獲取電流信號,并從其電壓接線端口獲得電壓信號,使用光電采樣器讀取功率脈沖信號,實現將被檢電能表獲取到的現場電信號送至校驗儀中的標準電能表去計量電能。通過將校驗儀的電能計量結果與被檢電能表的電能計量結果進行比對,實現對現場運行中的電能表進行誤差和相關量測試并查驗運行狀態[1]。但是,這種人工現場校驗的方式在管理上存在安全風險大、工作時間長、校驗成本高的問題;在技術上,存在鉗形電流表的檢測精度不穩定,負荷低時誤差校驗數據可信度低等問題。對此,各方研究人員提出了許多針對性的解決措施。

文獻[2-3]設計了一類電能表遠程校驗和監控系統,在計量屏柜處安裝現場控制主機和電能表現場校驗儀,通過現場固定接線與回路切換開關獲取各被檢電能表相關數據并完成校驗,再經無線通信網絡將校驗數據傳至后臺監控中心,實現對掛網運行中電能表的遠程在線校驗監測。該方案采用了電流直接接入測量方法,提高了準確度,而且試驗原理及方法符合DL/T 1664-2016《電能計量裝置現場檢驗規程》的有關要求,所得數據及結論可獲普遍認同。

近幾年,電力企業相繼開展現場設備精益化管理工作,嘗試在不新增設備的前提下,充分利用已有設備實現對電能表的遠程在線校驗。文獻[4]構建了一種基于負控終端的電能表遠程在線檢測系統,在遠程主站內用同一同步時間段內負控終端與被檢電能表以電能脈沖形式輸出的電能計量結果進行比對,判斷電能表的計量性是否符合要求。同時,通過主站歷史數據預測負荷變化情況,實現在低功率、額定功率等特定負荷情況下對被檢電能表的遠程在線檢測,其結果可以反映電能表在實際工況時的計量性能。

1.2 數據采集分析方法

大數據技術的廣泛應用給出看待問題的新角度:在線校驗和監測并非檢定工作,其核心在于能夠對電能表運行狀態、潛在故障隱患及未來發展趨勢做出可靠判斷,從而給出進行現場檢驗的最佳時機,準確指導運維管理工作。以此作為出發點,開拓出了許多新穎的關口電能表在線校驗方法。

文獻[5]開發了一套由現場高精度前置采集裝置、通信網絡和主站服務器組成的關口電能表遠程在線監測系統。在每只被檢關口電能表處安裝一臺前置采集裝置,采集電能表的電壓、電流、脈沖數等電量信息及溫、濕度等環境數據并上傳主站,用計算電能量與實測電能量相比較得到計量相對誤差,結合不同環境條件下的最大允許誤差限值,可以推斷出被檢關口電能表的實際運行狀態。

文獻[6]介紹了一種基于AMI測量數據的電能表誤差遠程校準方法,依托廣義流量儀表集群模型及流量守恒理論,該方法基于電能表臺區相關電壓、電流、線路電阻等用電數據計算電能表誤差,并深入考慮AMI中存在的電能表功耗、電阻損耗和漏電損耗來不斷修正廣義流量儀表集群模型。仿真實驗驗證,根據修正模型,可有效估計出在存在損耗的情況下集群中電能表的相對誤差。然而,該方法的有效實施是建立在準確獲取電能表臺區基礎用電數據及線路損耗等信息的前提上,實際中很難準確遠程獲取相關真實數據,限制了該方法在實際工況中的應用。對此,文獻[7]在該方法的基礎上進一步提出了一種迭代計算線損的方法,實現模型優化。同時,針對誤差計算結果校驗困難的情況,構建了一種依托電能表出廠誤差檢定數據的假設檢驗方法對電能表誤差進行大規模驗證,該方法已在實際中部署運用。

美國ADI公司開發了一種內置于電能計量IC中的非侵入診斷技術mSure,原理示意見圖1。mSure系統將已知的參考信號與負載信號通過疊加注入輸入傳感器,傳感器能夠同時感應參考信號和負載信號。這個組合信號通過了相同的路徑,并經模數轉換器實現數字化。持續監控該信號路徑的反饋。檢測單元從組合信號中提取參考信號分量,結合初始參考信號,可以構建出計量信號鏈路的傳遞函數模型,進而可確定被檢電能表計量誤差。為了確保計量精度,組合信號中的參考信號經清除單元移除后,可以計算出負載信號對應的電能量。如此,mSure技術可以在電能表正常運行時實時監控其精度在內的健康狀態。但是,mSure技術是通過參考信號構建傳遞函數實現對電能表誤差的間接推定,檢測單元和移除單元對標準信號的處理以及傳遞函數的完整性是影響該方法的判斷準確性的重要因素。

圖1 mSure技術原理示意

1.3 關鍵問題

比對校驗時標準電能表準確度有待確認。傳統校驗方式中,由人員攜帶校準設備前往現場開展校驗,在路程上標準表等儀器可能受到物理沖擊而失準;將標準表固定在現場的方式,仍需對標準表進行定期檢測保證其精度。雖然有使用被檢電能表誤差的相互比對來驗證標準電能表準確度的方法,但仍存在集體超差的可能。

高頻采集裝置穩定性有待觀察。現有應用案例尚未有能夠證明長期使用數據證明高頻采集裝置在各類極端環境下的性能穩定程度,也未有測試數據論證高頻采集裝置與電能表的長期并列運行對電能表的準確計量的影響程度。

有限元法的基本思想是：假定接觸狀態，求出接觸力，檢驗接觸條件，若與假定的接觸狀態不符，則重新假定接觸狀態，直至迭代計算得到的接觸狀態與假定狀態一致為止。具體做法是：

數據采集分析結果的可信度有待驗證。由于缺少標準表進行比對,各種數據分析算法的嚴謹性以及結果的置信度,仍需長時間掛網運行觀測數據來支撐。同時,采集裝置對電網非正弦、動態波動等非常態運行情況能否可靠檢測也有待驗證。

2 互感器在線監測技術

根據關口計量裝置現場誤差檢驗數據的統計分析,互感器誤差超差問題發生的頻率最高,這其中又以電容式電壓互感器和低電壓等級電流互感器的誤差超差情況占比最多。綜合實際案例情況,引起互感器誤差超差的原因涵蓋了結構特性、制造工藝、運行環境、技術參數選擇等技術、管理的各方面,一時難以從根本上消除超差現象。鑒于電壓互感器、電流互感器在整個電力計量體系中發揮的重要作用,加強對電壓互感器、電流互感器誤差的在線監測,防范超差問題的發生,對保證電能計量的準確性和貿易結算的公正性具有重要意義。

2.1 電壓互感器誤差在線監測

在110～220 k V電壓等級的關口計量點,已通過對標準電壓互感器進行小型化的工藝改造,并采用人工帶電作業或機器人手臂等方式將標準器接入系統,實現了關口計量電壓互感器在線監測。但這種方法存在檢測效率低、對系統擾動大、輸出信號易受外界電磁干擾等缺點,已經難以適應電網高電壓、大規模的發展趨勢。為了解決這一問題,國內外學者提出了多種針對性解決方案。

為避免進行電壓互感器誤差在線檢測時因標準器頻繁投切引起的系統電壓波動大,校準時間長等問題,文獻[8]提出一種電壓互感器在線群校準方法。使用電容式分壓器作為標準器接入系統,在同步信號指令下,多臺被檢電壓互感器的二次輸出經采集板、合并單元打包數字化后,與標準通道信號數據一起在工控機數字處理單元中實現信號處理和誤差計算。當變電站內電壓互感器數量龐大時,可根據實際情況增加合并單元數量實現大規模在線監測。

在實際生產中,大部分在線運行的電壓互感器,尤其是特高壓工程項目,根本無法停電,且隨著電壓等級的不斷提高,相關校驗設備的規模和尺寸更加巨大。因此,為了解決這一突出問題,利用變電站內現有設備和接線進行適當改造,作為標準設備與關口計量電壓互感器長期并列運行,實現對運行中的電壓互感器誤差在線監測,就成了現實條件下的一種選擇。

文獻[9]開發了一套電容式電壓互感器誤差在線監測系統,如圖2所示,其利用電磁式電壓互感器計量特性穩定的特點,使用母線電磁式電壓互感器(TV)與線路電容式電壓互感器(CVT)進行誤差比對,實現對CVT誤差的在線實時監測。文獻[10]則在前者基礎上更進一步:在特高壓站中,分別使用0.1級母線TV與0.2級主變壓器側CVT作為標準器,以二者檢測0.2級高抗側CVT得到的絕對誤差偏差小于0.05級電壓互感器誤差限的檢測結果,推導了在校驗0.2級CVT時,0.1級TV標準與0.2級CVT標準的測量絕對誤差是“相等”的結論。據此,提出了一種使用相同準確度等級的特高壓CVT開展誤差在線比對校驗的試驗方法。然而,使用TV/CVT校驗同一級別的CVT在校驗原理上是行不通的,并且這類方法所依據的檢測數據與應用案例太少,缺乏充分的實踐經驗支撐。

圖2 電壓互感器誤差在線同級比對技術原理示意

文獻[11]將站內LVQB型電流互感器視為高壓標準電容,通過互鎖開關再串聯一個低壓標準電容器,實現與高壓標準電容器高壓電極、低壓電極之間結構的類似,將其改造為標準裝置實現對電壓互感器的在線監測。但是,這種改造成的高壓標準電容器,其量值溯源路徑不明,且互鎖開關出現故障時,屏蔽罩上會產生隨機的懸浮電壓,引起局部放電,存在較大的安全風險;作電流互感器使用時,其暫態性能及誤差性能可能會受影響。

2.2 電流互感器誤差在線監測

由于標準比較法在校驗原理、方法及相關裝置使用等方面的要求,在運的電流互感器難以采用傳統電磁式標準裝置并列運行的方法進行誤差的在線比對與監測。目前,應用較廣的是使用電子式電流互感器作為標準器構建電流互感器在線校驗系統,原理如圖3所示。

圖3 電流互感器誤差在線監測系統工作原理示意

這類直接測量系統主要由傳感部分、電源供電與管理、傳感信號的采集與通信、數據處理,數據的模擬輸出5個部分構成。其基本原理是:標準通道的高壓側采用鉗形電子式電流互感器,在不停電的情況下,將傳輸線上的電流轉換成電壓信號,通過光纖傳輸至低壓側的數據處理平臺,被校通道電流互感器的信號也同時被采集送入,數據處理平臺將同一時刻的2個信號進行比對,給出校驗結果。但是,傳統的鉗形電子式電流互感器在使用時易受到開口氣隙、載流導體位置、外界電磁場等因素的影響,并且其模擬積分器存在溫度漂移和零點漂移等問題,整體測量準確度難以達到0.05級,作為標準器,這將嚴重影響誤差的檢測準確度。因此,為了最大限度的發揮關口電流互感器的作用,實現狀態檢修,提高經濟效益,亟需研究能在不停電狀態下對電流互感器進行在線校驗的高精度標準傳感器。

文獻[12]構建了一種以高精度電子式開口雙級電流互感器作電流標準器的TA誤差在線校準裝置,標準器的圓環形鐵心采用高導磁坡莫合金材料制成,通過并列運行方式在線同步獲取被試電流互感器和電流標準器的二次電流,經計算得到被試品的比差和角差。現場試驗結果證明,此裝置能夠滿足對0.2級電流互感器的現場誤差校準要求。該方法中鉗形線圈的設計便于互感器接入線路,但其在長期使用后測量精度容易受到開口氣隙的影響。為解決這一問題,文獻[13]提出了鉗形結構的鐵心-空心雙線圈電子式電流互感器,利用2種線圈開口氣隙與誤差的變化特點:鉗形鐵心線圈的比差、角差隨開口氣隙的增大而增大,角差影響更大;鉗形空心線圈比差隨開口氣隙增大而增大,角差基本不受影響。首先以2個線圈相位比對差值小于2′的閾值驗證雙線圈閉合完好性,若閉合完好,再以鐵心線圈的輸出作為標準進行比差和角差的校驗。該方法通過兩線圈輸出相互比對的方式實現了自動校準,經過測試可以達到0.05級的準確度。

在間接測量方法中,文獻[14]基于電流互感器帶電運行的各種狀態考慮,提出以等效阻抗原理為基礎的誤差監測算法:首先在停電狀態下,通過試驗得到電流互感器25%～100%負荷下的任意一電流點的誤差值及勵磁特性曲線。然后在帶線狀態下,測出現場實際二次電流和二次負荷,利用一次電流變化引起勵磁電抗變化與負荷變化引起勵磁電抗變化的等效關系,結合相關關系方程,即可計算出任意負荷、任意電流下的誤差。該方法既能實現電流互感器穩態無故障條件下的誤差監測,也能在故障條件下實時報警。

2.3 關鍵問題

新型監測方法應用效果有待長期觀測驗證。現在提出的許多新的試驗方法,并不需要接入傳統標準互感器,從試驗原理和方法上雖然不符合有關檢定規程和管理辦法的要求,但是如果不是進行檢定校準工作,只是在日常運行管理中實現對誤差變化情況的監控,這些方法也是可行的。不足之處在于脫離標準互感器的情況下,如何準確獲取用于構建互感器運行特征和模型的特征量信息,區分是由系統波動因素還是由互感器本體因素所引起的互感器運行誤差的變化。目前已提出方法的運行可靠程度尚缺乏成熟的應用案例及長期的觀測數據進行支撐。

并列運行的標準互感器誤差溯源方法有待解決。在一些在線監測方法中,通過將一個更高精度的標準互感器與被監測對象并列運行以達到實時在線監測,但是并列運行將導致系統更加復雜,退出運行難度增加,標準互感器自身誤差溯源及檢修工作的開展需要尋找更為可靠、高效的方法,以確保輸出數據的準確性。

在線監測系統中電子類設備的電磁兼容性能有待考證。變電站環境中天然存在著由變電站開關操作、系統短路、系統局部放電、雷電放電等所引起的強電磁干擾,而在互感器的在線監測中大量使用了電子式互感器、采集與通信裝置等結構和功能復雜的電子類設備,這些新型電子設備在變電站高壓強電磁場環境中的工作可靠性及穩定性將直接影響在線監測系統的工作性能及結果準確度,目前工程界尚無對此類設備電磁兼容性能成熟的評價結果或現場應用情況的長期觀測案例。

3 互感器二次回路在線監測技術

根據有關規程,互感器二次回路現場校驗項目包括TV二次回路壓降及TV、TA二次實際負荷。其中,TV二次壓降須通過周期檢測進行持續監控,TV、TA二次負荷只需在裝置投運后開展首次檢驗即可。同時,電能計量裝置故障多發生于計量二次回路,故障期間伴隨有差錯電量的產生,由于計量二次回路故障的復雜性,當前的差錯電量計算方法在處理相關問題時多有不足,電量追補結果與實際情況之間往往存在偏差,因此對互感器二次回路進行持續監測,預先發現故障隱患,保障其安全、健康顯得尤為重要。

3.1 TV二次壓降及TV、TA二次負荷在線監測

目前,電壓互感器二次回路壓降的測量主要使用專用測試電纜連接電能表表尾與電壓互感器二次接線端子箱,由壓降測試儀進行數據測量及顯示。測試互感器二次負荷可用專門的二次負荷測試儀,使用儀器線夾測量互感器的二次電壓,使用鉗型電流表測量互感器的二次回路電流,即可得出各相電壓、電流互感器的二次負荷。這種測試方法準確度高、測試結果穩定,但是在具體操作過程中需要多人配合進行電纜鋪設和接線,工作量大,并且變電站高壓強電場環境下電纜軸線易產生感應電,接線及測量作業是在帶電情況下進行的,具有一定程度的觸電風險。

為了優化現有互感器二次回路的傳統校驗方法,文獻[2-3]設計了一種互感器二次回路在線監測和遠程校驗系統,通過現場固定布線和設置二次壓降及負荷測試儀器的方式,由多回路切換裝置控制線路的切改,在TV、TA端子箱及電能計量屏間建立測試回路,測試結果經通信模塊傳至后臺管理中心,實現對全站范圍的電壓互感器二次壓降及二次負荷、電流互感器二次負荷的遠程在線測試。該方法使用直接測差原理實現壓降和負荷測試,符合DL/T 1664-2016《電能計量裝置現場檢驗規程》相關規定,免除了人工測量方法需現場臨時布線等繁瑣環節,能夠顯著提高工作效率。但是,這種方法只能分路測試,無法實現對整個二次回路的實時在線監測,且前期固定鋪設測試電纜、儀器的工程量大、對場地條件要求高、后期維護難度大。

為解決采用傳統布線校驗方式所存在的問題,文獻[15]設計了一種互感器二次回路自動化遠程實時在線監測系統,由測量主機、TV測量分機、TA測量分機等部分組成,系統原理如圖4所示。其中,TV分機位于TV二次端子箱,完成TV二次負荷測量,并與測量主機一起完成TV二次壓降所導致的誤差等測量功能;TA測量分機位于TA根部,完成TA二次負荷測量等測量功能。以TV二次壓降測量為例,將TV分機和測量主機分別設置在電壓互感器二次側端子箱處和電能計量屏柜電能表接線端子處,利用GPS統一授時,同步讀取兩端的電壓和相位信息,TV分機將讀取的信息通過低壓電力線寬帶載波同步通信方式發送至測量主機,在主機中運行TV壓降測量算法進行比較、計算,即可得到電能表端的電壓相對于TV二次端電壓的比差和角差,并可進一步求得二次壓降引起的計量誤差值,實現無需布線即可遠程實時自動測量之目的。TV、TA二次負荷測量,則分別由TV、TA分機在相應二次端子箱內采集電壓、電流信息數據,在本地運行負荷測量算法計算出二次負荷結果后發送至主機,實現二次負荷測量功能。

圖4 互感器二次回路自動化遠程在線監測原理示意

此外,一些學者為了實現對互感器二次回路故障的智能檢測與分析,通過加裝導納在線測試儀、對遠程負荷管理終端進行功能改造等方式,提出了導納測試法用于系統帶電情況下的二次回路故障診斷。由于其在實現過程中同樣需要對二次回路的電流、電壓向量進行測量采集,故可在導納在線測量原理的基礎上通過添加互感器二次負荷的測量算法,對相關裝置進行升級,在測量導納的同時,實現對互感器二次負荷的在線監測。

3.2 關鍵問題

多回路切換技術的實現形式有待優化。對電流信號的切換,由于電流互感器在運行過程中禁止二次開路,不能直接通過選擇繼電器實現二次回路的切換。實際中通常采用穿心式電流互感器將線路電流轉變成小電流信號,再將其進行“電流-電壓”轉換成電壓信號輸入到繼電選擇單元進行選擇切換。這個過程中有多個變換環節,增加了多種電子裝置,加大了監測系統發生故障的概率,且模擬量小信號更易受外界干擾,影響監測結果的準確性。

4 結論

關口電能計量裝置在線監測技術的應用實現了在實際運行條件下評估電能計量裝置性能,形成了一種新的關口計量裝置管理及運維機制,有助于管理者及時、準確地掌握關口計量裝置的實際運行狀態,解決了目前工作中存在的作業安全風險高、周期檢定工作強度大、異常發現及時性差、信息化程度低等問題。在線監測技術的發展與應用是關口電能計量裝置管理及校驗工作適應智能電網能源互聯以及電力貿易市場化等現實需求,向操控自動化、功能多樣化和運行智能化發展的必然趨勢。此外,對在線監測技術的深化應用提出3點建議:一是進行在線監測系統長期掛網觀測試驗,積累實際環境下的運行數據及異常事件信息,分析在線監測系統與電網運行之間的相互作用及影響,全方位評價在線監測系統及裝置運行的穩定性、準確性情況;二是開展新裝置、新設備的研究,滿足新技術發展需求,在傳感器件、高頻采集、同步技術等方面努力解決“卡脖子”的關鍵問題,助力技術應用實現質的飛躍;三是推動相關技術標準和管理規程的制定,引導在線監測技術科學、有序、規范化發展,為其規模化的應用部署鋪平道路。