高压计量装置及其远程测试系统的研究

韩 霞,闫丹梅

(太原供电分公司,山西太原 030012)

1 研究的背景

传统的电能计量柜大多采用电磁型互感器,体积大、较重,带有铁磁体,频带窄,易饱和且饱和时二次信号波形畸变,测量误差大,从而导致计量不准,电量损失大,严重时还会产生安全隐患,而且在互感器二次信号接入电子式的电能表时,也需要把大功率信号变换成小功率信号才能进行A/D转换处理,增加了转换环节,消耗更多的信号调理和转换成本,引入了更多的处理过程误差。因此,开发新型的电子式高压计量装置,既节能环保,又易于和信息系统无缝集成,实现自动化的监测和维护,同时也是智能电网建设的必然要求。

2 国内外研究现状

国内外对电子式电流和电压互感器的研究有两个方向:早期方向是结合光电子技术研究开发的光互感器,根据法拉第光电效应原理,也就是光线在不同强度的电场作用下,产生不同程度偏转的原理,利用光纤自身的绝缘性能既解决设备的绝缘问题,又解决信号传输的问题,还大大减轻了互感器的重量和体积。近期的研究的方向是:电子式电流互感器采用罗哥夫斯基 (Rogowski)线圈和轻载线圈的基本原理。电子式电压互感器采用电阻或电容 (阻容)分压原理,直接将一次测的高压大电流信号,按比例降低为低压弱电信号,经过电子转换电路处理变为可直接输入到测量或保护装置中的数字信号。ABB公司近期研制生产的一种基于电子式传感器的高压计量装置,采用的就是电阻分压器,以及罗哥夫斯基 (Rogowski)线圈内置数字积分器原理。

3 现有研究成果和产品的主要问题

现有研究成果和产品在技术上已经基本成熟,其主要问题是技术方案比较复杂,成本过高,产品批量生产一致性难以稳定,导致产品目前仍无法推广应用。

a)电阻分压原理的电压传感器容易受到外电场干扰。如不对传感器本身施加抗干扰措施或抗干扰措施不力的话,要使电压采集精度稳定可靠,就必须对转换处理系统增加大量的电子抗干扰措施,如数字滤波处理。这一方面增加了处理成本和处理系统的复杂性,也没有从根本上解决干扰问题。

b)采用罗哥夫斯基线圈的内置数字积分器的电流互感器能较好地解决磁场干扰问题,但由于罗哥夫斯基线圈本身生产工艺的复杂性,对保证产品性能的一致性方面比较困难,做到精确的一致性仍需要比较高昂的代价。

c)采用光电原理的电子式传感器能较好解决强电磁干扰和绝缘强度问题,但也存在产品批量生产的一致性问题。采用霍尔原理的传感器,由于本身靠电磁感应远离,不能很好地解决强电磁干扰问题。这些传感器产品都不大适合在10 kV计量装置中使用。

d)由于基于电子式传感器的高压计量装置是一种新生事物,对该类装置的测试检验手段欠缺。主要是由于电子式传感器不采用电磁感应原理,利用现有的互感器测试仪无法对传感器进行单独的检定和测试,因而也就无法在计量装置整体上对计量装置的精度指标进行衡量和检验。

4 解决方案的研究

针对上述主要问题,经过广泛了解、仔细地分析研究和实验探索,确定了一整套新的基于电子式传感器的高压计量装置及其测量系统方案,并对该方案进行了产品试制、现场试点运行,及测试调整试验,取得了一系列令人鼓舞的成果,为产品的批量化生产和应用积累了丰富的经验。新的解决方案主要进行了如下两方面改进。

4.1 通过提高元件的抗干扰能力简化计量柜整体结构

采用抗干扰技术进行过独特改进的电阻分压型的电压传感器、及使用纳米晶铁芯的高饱和度轻载线圈的电流传感器与具有低电压低功率模拟接口的数字式多功能电表通过屏蔽电缆连接的方式,直接对三相电气数据进行采集和计量,通过增强抗干扰能力简化系统结构,减少误差环节,实现精确计量。

4.2 利用远程测控手段进行现场对比测试

利用已有负荷管理系统的功能采集试点用户原有的运行参数,通过新型计量柜和原有基于电磁型传感器的计量柜并列在一条进线上运行,以原柜的计量数据为标准值,以新型计量柜数据为待测和待调整值。在新型计量柜中增加一个GPRS远程测试控制终端,用来接收远方测试指令,向测试中心提供新型计量柜的运行参数,并接受误差调整指令,对计量误差进行调整,以检验新型计量柜在现场实地运行环境中,能否通过远程的误差调整手段达到和传统型计量柜同等精度要求。

5 解决方案的实施

新的解决方案实施要点主要是电压传感器干扰屏蔽的改进和整个系统的部署和测试运行。

5.1 对电阻分压器屏蔽的改进

改进前方案的屏蔽电极分高压屏蔽罩和低压屏蔽罩,两屏蔽罩直径相同,相对设置,由于绝缘的需要,相互之间存在对外电场的缝隙,外电场仍然可以直接作用到电阻分压器,外电场对电阻分压器的作用不稳定性是造成干扰的主要原因。改进的方案将两屏蔽罩直径做出调整,在设置上改为嵌套设置,维持绝缘所需的屏蔽缝隙改为与外电场垂直的方向,外电场对电阻分压器的影响由于有高低压屏蔽罩的阻隔作用而减弱,经试验表明,改进后的屏蔽罩能将外电场的干扰影响降低1个数量级 (见图1)。

图1 对电阻分压器蔽罩结构的改进

5.2 远程测试系统的实现方案

远程测试系统的主要目的是对比测试新型计量柜和传统的基于电磁式互感器的计量柜的现场运行表现,并测试新型计量柜的远程误差调整手段的有效性。其次,远程测试系统还通过积累现场运行数据,为开发设计用于产品出厂试验的动态测试系统积累经验。

所确定的电子式计量柜远程测试系统的方案如图2所示,整个试验系统由试点机房、试验柜台管理系统、供电分公司负荷管理后台系统组成。

图2 远程测试系统整体架构示意图

供电公司选择其试点用户,并利用新投运的负荷管理系统负责收集试点用户原有的基于电磁式传感器的计量柜 (以下简称 “对比柜”)信息。试点用户提供试验现场和设备运行的实地环境。整个试验以不影响对比柜的运行和计量准确性,不影响供电公司负荷管理系统运行为基本原则进行设计,确保在不影响原供电能力和安全可靠性前提下,达到试验目的。如图3,系统采用试验柜和对比柜串连在同一负载回路上进行电能计量。试验柜在先,对比柜在后。确保试验柜运行不影响对比柜对用户电能计量的准确性。

图3 远程测试系统的现场设备配置关系图

试验柜配备专门开发的远方测调终端,可以通过485接口和电子式多功能表通讯,按指定时间抄取电能表数据,并下达计量精度调整指令,对电能表计量精度进行调整。远方测控终端通过GPRS网络直接和产品研究开发单位的上位机通讯,上位机通过发送指令和接受数据来获得现场数据,调整控制现场计量系统的计量精度。

对比柜是试点工程单位原有的计量柜,在试验进行阶段中照常运行,不必做任何改动。对比柜已经安装了用电现场负荷管理终端,该终端可以通过485接口和多功能表通讯,抄取多功能表运行数据,并通过GPRS网络将数据发回到供电公司负荷管理中心的后台系统。

进行多轮的测试调整,记录测试数据,分析总结,发现试验柜的计量数据能够在以对比柜数据为中心的稳定的相差级别范围内任意控制和调整,证明试验柜至少可以稳定地运行在对比柜精度等级上,根据可调整的精度等级差的大小,研究发现新型计量柜还有可能运行于更高的进度等级上。所得到的现场运行测试数据,也将是未来设计计量柜动态测试调整系统的宝贵基础。

6 结论

通过研究和试验的工作,设计了对电阻分压器更有效的屏蔽设计方案,在传感器源头最大限度地抑制了误差的来源,使得一种结构简化的基于电子式传感器的计量柜得以实现,通过现场测试运行表明,这种结构简化的基于电子传感器的计量柜,可以达到甚至超过目前广泛使用的基于电磁式互感器计量柜的精度指标。如何完善产品的结构,如何在批量生产条件下实现对产品的快速检验和校准,将是下一步的主要研究课题。