韓 霞,閆丹梅

(太原供電分公司,山西太原 030012)

1 研究的背景

傳統(tǒng)的電能計量柜大多采用電磁型互感器,體積大、較重,帶有鐵磁體,頻帶窄,易飽和且飽和時二次信號波形畸變,測量誤差大,從而導(dǎo)致計量不準(zhǔn),電量損失大,嚴(yán)重時還會產(chǎn)生安全隱患,而且在互感器二次信號接入電子式的電能表時,也需要把大功率信號變換成小功率信號才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理,增加了轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),消耗更多的信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換成本,引入了更多的處理過程誤差。因此,開發(fā)新型的電子式高壓計量裝置,既節(jié)能環(huán)保,又易于和信息系統(tǒng)無縫集成,實現(xiàn)自動化的監(jiān)測和維護(hù),同時也是智能電網(wǎng)建設(shè)的必然要求。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對電子式電流和電壓互感器的研究有兩個方向:早期方向是結(jié)合光電子技術(shù)研究開發(fā)的光互感器,根據(jù)法拉第光電效應(yīng)原理,也就是光線在不同強(qiáng)度的電場作用下,產(chǎn)生不同程度偏轉(zhuǎn)的原理,利用光纖自身的絕緣性能既解決設(shè)備的絕緣問題,又解決信號傳輸?shù)膯栴},還大大減輕了互感器的重量和體積。近期的研究的方向是:電子式電流互感器采用羅哥夫斯基 (Rogowski)線圈和輕載線圈的基本原理。電子式電壓互感器采用電阻或電容 (阻容)分壓原理,直接將一次測的高壓大電流信號,按比例降低為低壓弱電信號,經(jīng)過電子轉(zhuǎn)換電路處理變?yōu)榭芍苯虞斎氲綔y量或保護(hù)裝置中的數(shù)字信號。ABB公司近期研制生產(chǎn)的一種基于電子式傳感器的高壓計量裝置,采用的就是電阻分壓器,以及羅哥夫斯基 (Rogowski)線圈內(nèi)置數(shù)字積分器原理。

3 現(xiàn)有研究成果和產(chǎn)品的主要問題

現(xiàn)有研究成果和產(chǎn)品在技術(shù)上已經(jīng)基本成熟,其主要問題是技術(shù)方案比較復(fù)雜,成本過高,產(chǎn)品批量生產(chǎn)一致性難以穩(wěn)定,導(dǎo)致產(chǎn)品目前仍無法推廣應(yīng)用。

a)電阻分壓原理的電壓傳感器容易受到外電場干擾。如不對傳感器本身施加抗干擾措施或抗干擾措施不力的話,要使電壓采集精度穩(wěn)定可靠,就必須對轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)增加大量的電子抗干擾措施,如數(shù)字濾波處理。這一方面增加了處理成本和處理系統(tǒng)的復(fù)雜性,也沒有從根本上解決干擾問題。

b)采用羅哥夫斯基線圈的內(nèi)置數(shù)字積分器的電流互感器能較好地解決磁場干擾問題,但由于羅哥夫斯基線圈本身生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性,對保證產(chǎn)品性能的一致性方面比較困難,做到精確的一致性仍需要比較高昂的代價。

c)采用光電原理的電子式傳感器能較好解決強(qiáng)電磁干擾和絕緣強(qiáng)度問題,但也存在產(chǎn)品批量生產(chǎn)的一致性問題。采用霍爾原理的傳感器,由于本身靠電磁感應(yīng)遠(yuǎn)離,不能很好地解決強(qiáng)電磁干擾問題。這些傳感器產(chǎn)品都不大適合在10 kV計量裝置中使用。

d)由于基于電子式傳感器的高壓計量裝置是一種新生事物,對該類裝置的測試檢驗手段欠缺。主要是由于電子式傳感器不采用電磁感應(yīng)原理,利用現(xiàn)有的互感器測試儀無法對傳感器進(jìn)行單獨(dú)的檢定和測試,因而也就無法在計量裝置整體上對計量裝置的精度指標(biāo)進(jìn)行衡量和檢驗。

4 解決方案的研究

針對上述主要問題,經(jīng)過廣泛了解、仔細(xì)地分析研究和實驗探索,確定了一整套新的基于電子式傳感器的高壓計量裝置及其測量系統(tǒng)方案,并對該方案進(jìn)行了產(chǎn)品試制、現(xiàn)場試點(diǎn)運(yùn)行,及測試調(diào)整試驗,取得了一系列令人鼓舞的成果,為產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)和應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗。新的解決方案主要進(jìn)行了如下兩方面改進(jìn)。

4.1 通過提高元件的抗干擾能力簡化計量柜整體結(jié)構(gòu)

采用抗干擾技術(shù)進(jìn)行過獨(dú)特改進(jìn)的電阻分壓型的電壓傳感器、及使用納米晶鐵芯的高飽和度輕載線圈的電流傳感器與具有低電壓低功率模擬接口的數(shù)字式多功能電表通過屏蔽電纜連接的方式,直接對三相電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和計量,通過增強(qiáng)抗干擾能力簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減少誤差環(huán)節(jié),實現(xiàn)精確計量。

4.2 利用遠(yuǎn)程測控手段進(jìn)行現(xiàn)場對比測試

利用已有負(fù)荷管理系統(tǒng)的功能采集試點(diǎn)用戶原有的運(yùn)行參數(shù),通過新型計量柜和原有基于電磁型傳感器的計量柜并列在一條進(jìn)線上運(yùn)行,以原柜的計量數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值,以新型計量柜數(shù)據(jù)為待測和待調(diào)整值。在新型計量柜中增加一個GPRS遠(yuǎn)程測試控制終端,用來接收遠(yuǎn)方測試指令,向測試中心提供新型計量柜的運(yùn)行參數(shù),并接受誤差調(diào)整指令,對計量誤差進(jìn)行調(diào)整,以檢驗新型計量柜在現(xiàn)場實地運(yùn)行環(huán)境中,能否通過遠(yuǎn)程的誤差調(diào)整手段達(dá)到和傳統(tǒng)型計量柜同等精度要求。

5 解決方案的實施

新的解決方案實施要點(diǎn)主要是電壓傳感器干擾屏蔽的改進(jìn)和整個系統(tǒng)的部署和測試運(yùn)行。

5.1 對電阻分壓器屏蔽的改進(jìn)

改進(jìn)前方案的屏蔽電極分高壓屏蔽罩和低壓屏蔽罩,兩屏蔽罩直徑相同,相對設(shè)置,由于絕緣的需要,相互之間存在對外電場的縫隙,外電場仍然可以直接作用到電阻分壓器,外電場對電阻分壓器的作用不穩(wěn)定性是造成干擾的主要原因。改進(jìn)的方案將兩屏蔽罩直徑做出調(diào)整,在設(shè)置上改為嵌套設(shè)置,維持絕緣所需的屏蔽縫隙改為與外電場垂直的方向,外電場對電阻分壓器的影響由于有高低壓屏蔽罩的阻隔作用而減弱,經(jīng)試驗表明,改進(jìn)后的屏蔽罩能將外電場的干擾影響降低1個數(shù)量級 (見圖1)。

圖1 對電阻分壓器蔽罩結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

5.2 遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的主要目的是對比測試新型計量柜和傳統(tǒng)的基于電磁式互感器的計量柜的現(xiàn)場運(yùn)行表現(xiàn),并測試新型計量柜的遠(yuǎn)程誤差調(diào)整手段的有效性。其次,遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)還通過積累現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù),為開發(fā)設(shè)計用于產(chǎn)品出廠試驗的動態(tài)測試系統(tǒng)積累經(jīng)驗。

所確定的電子式計量柜遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的方案如圖2所示,整個試驗系統(tǒng)由試點(diǎn)機(jī)房、試驗柜臺管理系統(tǒng)、供電分公司負(fù)荷管理后臺系統(tǒng)組成。

圖2 遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

供電公司選擇其試點(diǎn)用戶,并利用新投運(yùn)的負(fù)荷管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集試點(diǎn)用戶原有的基于電磁式傳感器的計量柜 (以下簡稱 “對比柜”)信息。試點(diǎn)用戶提供試驗現(xiàn)場和設(shè)備運(yùn)行的實地環(huán)境。整個試驗以不影響對比柜的運(yùn)行和計量準(zhǔn)確性,不影響供電公司負(fù)荷管理系統(tǒng)運(yùn)行為基本原則進(jìn)行設(shè)計,確保在不影響原供電能力和安全可靠性前提下,達(dá)到試驗?zāi)康?。如圖3,系統(tǒng)采用試驗柜和對比柜串連在同一負(fù)載回路上進(jìn)行電能計量。試驗柜在先,對比柜在后。確保試驗柜運(yùn)行不影響對比柜對用戶電能計量的準(zhǔn)確性。

圖3 遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備配置關(guān)系圖

試驗柜配備專門開發(fā)的遠(yuǎn)方測調(diào)終端,可以通過485接口和電子式多功能表通訊,按指定時間抄取電能表數(shù)據(jù),并下達(dá)計量精度調(diào)整指令,對電能表計量精度進(jìn)行調(diào)整。遠(yuǎn)方測控終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)直接和產(chǎn)品研究開發(fā)單位的上位機(jī)通訊,上位機(jī)通過發(fā)送指令和接受數(shù)據(jù)來獲得現(xiàn)場數(shù)據(jù),調(diào)整控制現(xiàn)場計量系統(tǒng)的計量精度。

對比柜是試點(diǎn)工程單位原有的計量柜,在試驗進(jìn)行階段中照常運(yùn)行,不必做任何改動。對比柜已經(jīng)安裝了用電現(xiàn)場負(fù)荷管理終端,該終端可以通過485接口和多功能表通訊,抄取多功能表運(yùn)行數(shù)據(jù),并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)回到供電公司負(fù)荷管理中心的后臺系統(tǒng)。

進(jìn)行多輪的測試調(diào)整,記錄測試數(shù)據(jù),分析總結(jié),發(fā)現(xiàn)試驗柜的計量數(shù)據(jù)能夠在以對比柜數(shù)據(jù)為中心的穩(wěn)定的相差級別范圍內(nèi)任意控制和調(diào)整,證明試驗柜至少可以穩(wěn)定地運(yùn)行在對比柜精度等級上,根據(jù)可調(diào)整的精度等級差的大小,研究發(fā)現(xiàn)新型計量柜還有可能運(yùn)行于更高的進(jìn)度等級上。所得到的現(xiàn)場運(yùn)行測試數(shù)據(jù),也將是未來設(shè)計計量柜動態(tài)測試調(diào)整系統(tǒng)的寶貴基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

通過研究和試驗的工作,設(shè)計了對電阻分壓器更有效的屏蔽設(shè)計方案,在傳感器源頭最大限度地抑制了誤差的來源,使得一種結(jié)構(gòu)簡化的基于電子式傳感器的計量柜得以實現(xiàn),通過現(xiàn)場測試運(yùn)行表明,這種結(jié)構(gòu)簡化的基于電子傳感器的計量柜,可以達(dá)到甚至超過目前廣泛使用的基于電磁式互感器計量柜的精度指標(biāo)。如何完善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),如何在批量生產(chǎn)條件下實現(xiàn)對產(chǎn)品的快速檢驗和校準(zhǔn),將是下一步的主要研究課題。