李恺，杨茂涛，徐先勇，万全

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

智能变电站数字计量系统溯源的新方法

李恺，杨茂涛，徐先勇，万全

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007)

本文提出一种新的现场整体溯源方法，可避开单个数字计量装置无法有效溯源的问题，理论分析了各个数字计量装置误差对整体有功计量的误差影响，通过建立数学模型，得到误差解析表达式。针对典型的智能变电站数字计量装置配置方案设计整体校验方案，对现场校验过程中可能出现的问题进行预估并提供解决方案。以某在建的智能变电站为例，对数字计量系统进行现场整体校验，统计并分析误差校验数据。实例证明整体校验方法的有效性和正确性，反映了当前数字计量系统的现状。

智能变电站；数字式计量装置；溯源；误差；现场校验

智能变电站的计量装置由电子式互感器、合并单元、数字电能表组成，具有结构简单、动态测量范围大、无磁饱和、易于数字接口、无TA二次侧开路、TV二次侧短路危险等优点〔1－9〕。也有的智能变电站使用传统互感器，模拟信号经合并单元转换为数字信号后输出给数字电能表，一定程度上继承了结构简单、易于数字接口等优点，同时也实现了降低技术风险、节约成本的目的〔10〕。对数字计量装置误差的现场校验可遵循相关标准进行〔11－14〕。文献〔15－18〕对电子式互感器的误差特性进行了分析，文献〔19－25〕对电子式互感器、合并单元、数字式电能表的现场校验提供了可借鉴的方法。

上述都是针对单个数字计量装置展开的研究，没有说明各装置的误差对有功计量的最终影响，而且单个环节的校验工作一直存在校验装置或标准装置不能溯源至国家基准的问题，校验结果的准确性和可靠性不足。文中针对上述不足提出整体校验方法，将各数字计量装置视为一个整体，从理论上分析单个数字计量装置的误差对整体有功计量误差的影响，通过整体校验得到有功电量计量误差，进而对整套数字计量系统进行评估，并且校验结果可以追溯至国家基准。针对工程运用上典型的数字式电能计量装置配置方案设计了校验方案并开展现场试验，对试验结果进行统计和分析，证明了此方法的有效性。校验方案借鉴了文献 〔26〕中的部分内容。

1 智能变电站计量装置配置方案

1.1 全数字化计量装置配置

计量系统由电子式互感器 (EVT，ECT)、合并单元 (MU)、数字电能表组成 (Wh)。电子式互感器遵循GB/T 20840.8—2007《电子式电流互感器》及GB/T 20840.7—2007《电子式电压互感器》标准，测量一次侧电压、电流量并输出16进制数字量。合并单元遵循DL/T 282—2012《合并单元技术条件》，将电子式互感器数字信息汇总并通过以太网点对点直连方式发给数字电能表。数字电能表遵循DL/T 614—2007《多功能电能表》标准，对数字信号进行解析处理，根据电压、电流信息计算功率，进行电能计量。对数字信息的处理和传输都遵循IEC61850《变电站网络与通信协议》标准。电子式互感器及合并单元采用网络化的时钟同步机制对时，遵循IEEE1588《网络测量和控制系统的精密时针同步协议》标准。智能变电站全数字化计量装置配置方案如图1所示。

图1 全数字化计量系统配置方案

1.2 传统互感器与数字化计量装置混合配置

计量系统由传统互感器 (TA，TV)、合并单元、数字电能表组成。传统互感器输出额定电流为1 A/5 A、额定电压为57.7 V/100 V的模拟量，经合并单元转化为数字量，打上同步时标并汇总信息，通过以太网点对点直连方式发给数字电能表，数字电能表解析电能信息，计算功率，进行电能计量。混合式计量系统的配置方案如图2所示。

图2 混合式计量系统配置方案

全数字化计量装置模式是智能变电站计量系统的终极配置模式，目前已有部分智能变电站采用此种模式运行。从运行经验来看，电子式互感器还存在不足之处，这主要表现为部分元件工艺不过关易损坏，导致无输出；测量误差受机械震动、温度环境、电磁环境影响较大，超差情况严重；一次绝缘裕度不够，绝缘击穿的情况时有发生。鉴于该现状，新投运的智能变电站基本采用传统互感器与二次侧数字计量装置混合配置的计量模式以降低技术风险。文中也重点讨论此种模式下数字计量装置的整体误差校验。

2 数字计量装置误差分析

数字计量装置整体误差来源于数字电能表误差、合并单元误差、数据传输失真和延时误差。数字电能表误差由功率算法误差、数据采样不同步带来的误差组成，误差量很微小，一般不超过0.01%；合并单元误差由A/D转换量化误差、非线性误差、失调误差组成，可由幅值误差 (相对百分比)、相位误差 (角度差)2个指标来评价，依据标准为 DL/T 282—2012《合并单元技术条件》。在110 kV及以上电压等级智能变电站中幅值误差要求不超过±0.2%，相位误差要求不超过±10分；数据传输失真和延时对计量误差的影响很小，一般将其忽略。

无误差的实际有功功率为:

考虑到误差影响，由合并单元、数字电能表组成的数字计量系统计量的有功功率表示为:

式中 Un′，In′表示含误差的每相电压、电流测量值；fUn，fIn表示每相电压、 电流幅值误差； δUn，δIn表示每相电压、电流相位误差；θn表示每相功率因数角；ε表示数字电能表有功计量相对误差；λ表示数据传输失真和延时影响量，处于0到1之间，无影响则λ＝1。

有功计量相对误差为:

忽略数据传输失真和延时影响量，即 λ＝1，式 (4)可化为:

由于 fUn， fIn， sin(δUn－δIn)， ε均是微小量，且数值大大小于1，它们之间相乘得到的二次及以上次方微量可忽略，上式可化简为:

同一间隔3台TV电压信号的模数转换过程由一套合并单元完成，同一间隔3台TA电流信号的模数转换过程由另一套合并单元完成。故可认为每相电流、电压的幅值误差和相位误差具有一致性，即:

式 (6)可简化为:

对于高压输电而言，三相电压、电流和功率因数基本一致，式 (8)可进一步化简为:

3 整体误差检测方法

3.1 整体误差检测思路

整体误差检测的思路是将数字电能表、合并单元、光纤数据网络整体视为一套计量装置。由于其采用电流、电压模拟量输入，电能量光脉冲输出的工作模式，因此可以利用传统的电能表校验装置对其进行现场校验。

为了更全面地检测数字计量装置在各种工况下的整体误差状况，使用三相可调标准交流电源模拟互感器二次侧输出的电流、电压。

现场检测在变电站内数字计量装置安装完毕后进行。标准电源的三相电流输出与电能表校验仪电流检测端、合并单元电流检测端串联；标准电源的三相电压输出与电能表校验仪电压检测端、合并单元电压检测端并联；电能表校验仪采集数字电能表的电能量光脉冲，计算整体误差。计算公式为:

式中 m为对数字电能表的实测脉冲数，即带误差的电能表在设定时间Tn内显示的脉冲数；m0为算定脉冲数，按式 (9) 计算〔13〕:

式中 C为被检装置铭牌脉冲数；P为现场检测时测定的二次功率实时值；KI，KU为标准电能表外接电流、电压互感器变比，没有外接互感器时均为1。

整体误差检测方案如图3所示。

图3 整体误差检测方案

3.2 现场检测注意事项

来自标准电源的电压量输出至合并单元与电能表校验仪时会在导线上产生电压降落，影响有功计量误差的检测结果。为尽量减少此类影响，电能表校验仪应尽量靠近合并单元柜以减小压降。若现场工作条件不允许，则通电后应检测电压回路压降，将误差影响补偿至最终的检测结果中。下面分析误差补偿公式。

压降由比值差fd和相角差δd2个指标组成，且认为三相压降相同，其对有功计量的影响为:

式 (13)可计算压降误差补偿量。数字计量装置整体有功计量误差＝测定误差－压降误差补偿量。

现场检测时，光电信号采集器置于控制室内的数字电能表上，电能表校验仪本体位于一次设备区内的合并单元柜附近。两者距离较远，需加装长电缆将光电信号采集器的脉冲信号引至校验仪。光电信号采集器反馈高电平脉冲信号，高电平脉冲信号电压低于＋3.5 V，对电磁干扰较敏感。在长电缆内应敷设双绞屏蔽线，且应避开存在大功率电源的区域布线。

4 现场检测实例

以220 kV林海智能变电站林红线数字计量装置整体误差现场检测为例。

三相可调电源选用TD4500型交流采样与变送器综合测试装置；电能表校验仪为CALPORT300型，准确度等级0.05级；被检设备中，合并单元为NAE－MU系列，测量模拟量的准确度等级为0.2级；数字电能表为DTSD341－ME2型，准确度等级0.2 S级。

参照DL/T 282—2012《合并单元技术条件》、JJG596—2012《电子式交流电能表》检定规程，互感器二次额定电流和额定电压确定检测点，如表1所示 (cosθ＝1，cosθ＝0.5(L)，cosθ＝0.8(C))。

表1 数字计量系统误差检测点

图4所示为现场检测时三相标准电源所提供的电压、电流波形图。

图4 数字计量系统误差校验电压电流波形

图4 是A相的电压、电流波形图，电压有效值为57.7 V，电流有效值为1 A。B，C两相电压、电流波形与之完全相同，只是每相之间的初相角相差120°。其余检测点的波形图与之类似，区别在于电流幅值不同，因此不再赘述。

按照表1标注的检测点检测各工况下数字计量装置的整体计量误差，并绘出误差曲线，如图5。

从图5可看出，随着二次侧电流的增大，计量装置整体误差情况趋好，这是因为合并单元对小电流的检测准确度不高，产生的幅值误差较大。根据公式 (9)可知，幅值误差越大，对有功电能计量误差的影响量也越大。因此二次侧电流越大，有功计量误差越小。

另一方面，功率因数对计量装置整体误差也产生了不可忽略的影响。由公式 (9)可知，电流、电压相角对有功计量误差的影响由两方面组成:一是电流、电压相角误差的差值，即相角误差影响量；二是一次侧负载的功率因数，即功率因数影响量。在电压、电流幅值不变的情况下，电流、电压相角误差波动很小，相角误差影响量基本不变，此时功率因数越高，功率因数影响量越小。另外，在电压、电流幅值相同的情况下，计量装置整体误差的变化与功率因数的变化是同步的。因此通过图5可看出，功率因数越高，计量装置整体误差越往负方向发展，且误差值越小。

总的来说，合并单元的误差对有功计量误差曲线带来趋势性的影响。

数字电能表、数据传输网络产生的误差很小，且误差值呈随机正态分布，只会使误差曲线在重复测量的情况下呈发散性。

校验装置、检测环境带来的误差也会对测量结果产生略微影响。由于校验装置的准确度很稳定，且大大优于数字计量系统整体准确度，检测时又尽量避开了环境误差影响源，因此不会给误差曲线带来趋势性的影响，只会令曲线略微发生纵向偏移。

5 结论

文中针对智能变电站数字式计量系统的误差检测提出了整体校验方法，避开了单个数字计量装置的检测标准不能溯源的问题。对影响有功计量误差的因素进行了理论计算和分析，搭建了试验平台并完成现场试验，对检测数据进行了分析。通过文中的研究，可得出以下结论:

1)文中提出的方法可针对配置传统互感器的智能变电站展开数字计量装置的现场检测，对其进行整体溯源，且适用于任意电压等级。

2)检测结果表明，220 kV林红线数字计量系统整体误差比较大，再加上传统互感器带来的误差，整体有功计量的准确度还有待提高。因此传统互感器配数字计量装置的计量方式还不适用于重要关口的结算计量。

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A new method of digital measuring system traceability in smart substations

LI Kai，YANG Mao-tao，XU Xian-yong，WAN Quan
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，a holistic tracing method is proposed in order to avoid the problem that the effective traceability can not be implemented for single digital measuring device.The relationship between digital measuring devices’error and holistic power measuring error is analyzed，meanwhile mathematical model is established and error analytic expression is obtained.The holistic verification scheme is designed aiming at typical digital measuring scheme in smart substations.The possible problem in the calibration process is estimated and the corresponding solutions is provided.In a substation under construction as an example，the field calibration for the whole digital measurement is carried out，and the error calibration data are counted and analyzed.The local calibration result indicates that the holistic calibration method is correct and effective.

smart substations；digital measuring device；traceability；error；local calibration

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.002

TM932

A

1008-0198(2015)01-0005-06

李恺(1985)，男，硕士研究生，助理工程师，主要研究方向为电能计量装置的现场检测。

2014-08-14