智能变电站电能计量系统配置方案研究

姜 鲲，尚 韬，陈 兵，李燕斌

（1．河南省计量科学研究院，郑州461001；2．开封供电公司生产技术部，开封475000；3．中原工学院，郑州450007）

智能变电站电能计量系统配置方案研究

姜 鲲1，尚 韬2，陈 兵1，李燕斌3

（1．河南省计量科学研究院，郑州461001；2．开封供电公司生产技术部，开封475000；3．中原工学院，郑州450007）

在分析了数字式计量系统面临的主要问题的基础上，提出了智能变电站电能计量系统配置方案．以500 k V智能变电站为具体研究对象，说明了其电能量远方终端和电能表配置方案及其经济技术优势，并提出了关于智能变电站电能计量系统推广应用的建议．

智能变电站；计量系统；电能表；配置方案

智能变电站与传统变电站相比，电子互感器和IEC61850的应用是其明显的技术特征．电子互感器统一采集资源，保护、测控和计量共用一组电流互感器，其数字输出的方式给计量系统带来了革命性变化［1］．

电流、电压互感器与电能表是计量装置中的重要组成部分．智能变电站中的计量装置主要是由电子式互感器和数字式电能表组成．随着光电子技术的发展，数字式计量装置将得到广泛应用．

本文根据智能变电站设计规范对数字接口电能表的要求［2］，探讨了数字计量系统在智能变电站实际应用中所面临的主要问题及其解决方案，并结合500 k V变电站提出了具体、可行的方案．

1 数字式计量系统面临的主要问题

1．1 数字式电能表

在智能变电站中采用的数字式三相多功能电能表与传统的三相多功能电能表的工作原理完全不同，数字式电能表所接收的信号是以光纤传送的数字化电流、电压信号，而不是传统的57．7 V／100 V的电压信号和5 A／1 A的电流信号．与传统电子式电能表相比较，数字式电能表内部没有电压、电流互感器和采样电路．

数字式电能表采用数字信号处理器与中央微处理器相结合的构架，将数字信号处理器的高速数据吞吐能力与中央微处理器复杂的管理能力相结合．通过协议处理芯片获取合并单元的数据协议包，传送至数字信号处理单元，完成电参量测量、电能累计以及电能计算等任务，之后与中央微处理器进行数据交换，由中央微处理器最终完成表计的显示、数据统计、储存、人机交互、数据交换等复杂的管理功能．

数字式电能表实际上是一个高精度的积分运算器，其数字计算理论上可保证计算出的各项电量值完全没有误差．由于其数字计算过程理论上不会产生任何误差（实际可能产生的误差为浮点数运算时的有效位误差，这是计算机系统的固有误差，与电能表型号无关，这种误差小于1／10 000），所以不规定精度等级．此外，数字式电能表采用光纤传输数字信号，抗干扰能力强，传输误码率低，保证了计量精度．数字式电能表采用高速DSP运算，运算每周波256点的采样信号，可较好地计量基波和各次谐波的能量．

在智能变电站中，电子互感器二次部分采用新型的电子元器件，通过合并器直接与数字式仪表和智能综合测量保护装置相连，较好地满足了计算机技术对电流、电压等信息进行全过程数字化处理的要求．合并器接收、处理来自多个采集器的数字信号，并在对这些信号 进 行 汇 集 处 理 后，遵 循 IEC61850—9—1、IEC61850—9—2等通信规约，采用数据包的方式输出到监控、保护、计量等装置．

1．2 数字式电能表面临的主要问题

DL／T44—2000《电能计量装置技术管理规程》规定［3］，用作贸易结算的计量装置必须定期进行误差检测，以保证贸易结算的公平性．数字式电能表与电子互感器之间的通信方式是一种数据通信方式，一个完好的数字式电能表本身可以做到无误差，因此，数字式电能表校验仪对数字式电能表进行的误差检测本质上是对电能表通信误码率以及电能表的算法误差进行定级，这和常规电能表校验仪有本质的不同．

智能变电站计量装置检定主要存在以下问题：

（1）传统的变电站计量装置二次回路中传输的是模拟信号，而智能变电站中的电子式互感器二次回路中传输的均为由光纤传输的数字信号，因此无法直接使用传统的仪器对其进行误差检测．

（2）由于电子式互感器及数字式电能表的计量标准无法向上级进行溯源，也缺少检定或检验所依据的规程，因而贸易结算用的电子式互感器及数字式电能表也就无法进行合理、合法地溯源检定．因此，智能变电站中用于贸易结算的计量系统成为制约智能变电站推广的瓶颈．

（3）数字接口电能表的正常运行与否直接关系到计量的准确性，就目前的电能量计费管理系统而言，其运行状况可能涉及位于前端的电子式互感器或者通讯网络，而这又不属于电能量系统，存在重新划分管理职能等问题．

因此，与传统的电子式电能表相比，数字式电能表在数字计算理论上无误差，有它独特的优越性．其问题主要是表计量值溯源问题，需相关电能计量技术机构做计量认证工作．

2 智能变电站电能计量系统配置方案

2．1 数字式电能表检定方案

数字式电能表的这种工作方式，使得传统电能表校验台无法对数字式电能表进行检定，需要重新设计一个校验装置．该装置应具备以下功能：

（1）具备光纤以太网接口；

（2）具备电度计算功能；

（3）链路层可采用IEC61850—9—1、IEC61850—9—2或FT3标准格式；

（4）可接收被校电表输出的脉冲信号，并进行比较；

（5）具备保留历史数据功能．

满足以上设计思想的电能表校验仪如图1所示．电能表校验仪配置出符合IEC61850—9—1、IEC61850—9—2或FT3标准的数字电流、电压信号，通过光纤传给被检的数字式电能表，电能表进行电度计算后，输出校验脉冲．电能表校验仪中有标准电能运算模块，会根据配置好的电流、电压数据源计算出电能基准．电能表校验仪采集到校验脉冲后，与自身计算出的标准电度量比较，得出电能表误差．

图1 数字式电能表校验仪原理框图

2．2 溯源问题解决方案

根据国家溯源政策规定，量值溯源是通过一条规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果能够与规定的参考标准联系起来．

在已投入运营的数字化变电站中，为解决溯源问题，有的变电站采用了负荷线对侧计费的办法，即线路对侧（用户侧）配置常规互感器和常规电能表计费，变电站侧的数字式电能表仅用于考核；有的变电站配置了双套互感器，即对于需要计费的间隔同时安装电子互感器和常规的计量级互感器，配置常规关口电能表进行计费．这种方案增加了互感器设备的投资，仅能作为目前计量系统配置的过渡方案．

经过上述分析，我们提出在数字计量系统中采用常规变电站远方采集终端和具有IEC61850—9—1、IEC61850—9—2接口的数字式电能表的方案．数字式电能表采用单模光纤接入合并单元的数据，通过DL／T645规约送至监控系统．计量系统与监控系统共用服务器，站内配置计量转发工作站，经过单向隔离装置从监控系统中获取数据，采用IEC60870－5－102规约将计量数据上传至省调计量主站．

3 500 k V智能变电站电能计量系统配置方案

3．1 计量系统技术原则

（1）电子互感器采用光学互感器．计量用互感器的选择、配置及精度要求应符合DL／T 448规定；

（2）要求采用具有同步采样技术的合并单元；

（3）采样VLAN进行组网连接；

（4）采用具有IEC61850－9－2接口的数字式电能表；

（5）采集终端具有电能量数据的采集、处理、存储、远方传送功能；

（6）采集终端设备应具有网络通信功能．远方终端通信规约应支持网调和省调电能计量系统现行的通信规约．

3．2 电能表的技术要求

（1）应能准确计量电能量，并且数据完整、可靠、及时、保密，满足电能量信息的唯一性和可信度要求；

（2）应具有分时段电能量自动采集、处理、传输、存储等功能，并能可靠接入网络；

（3）遵循IEC61850－9－2协议，方便组网和高精度采样值传输（采样值为32位整数）；

（4）具有采样点自适应功能，能够计量每周波80～256点的采样值（根据网络谐波含量和网络传输能力，选择不同的每周波采样点；根据电网实际谐波含量，推荐采用128点采样）；

（5）具有采样值传输在线监测功能，能够监测网络传输中断；

（6）具有有功、无功、正方向计量功能，及有功、无功四象限计量功能；

（7）具有分时计量功能和最大需量计量功能．分时计量功能可按尖、峰、平、谷4种费率时段进行总有功、无功，A、B、C三相元件正、反向有功，四象限无功，及感、容性无功电能的计量．最大需量计量功能可计算正、反向有功电度和4个象限无功电度的最大需量，并记录最大需量的出现时间；

（8）具有电压、电流、功率等瞬时量计量功能；

（9）具有操作记录功能，能够记录编程、开盖、清零等操作；（10）具有负荷曲线记录功能，记录周期大于30 d；（11）具有事件记录功能，能够记录失压、失流等；（12）具有无源脉冲输出和无源测试脉冲输出，并提供USB接口，可通过该接口使用PC编程软件对电表进行编程．

3．3 电能量远方终端配置方案

电能量远方终端应采用具有DL／T645－1997协议转IEC61850协议设备，站内多块电能表可以共用一个电能量远方终端，实现规约转换或电量采集．电能量远方终端的通信接口RS485（电能表通信接口）不少于6个，网络接口RJ45（主站通信接口）不少于2个，RS422／485／232（主站通信接口）不少于2个．计量系统需配置2台电能量远方终端，分别用于向网调、省调传输信息．

3．4 电能表配置方案

电能表具有双路RS485接口，规约采用DL／T645－1997．一路RS485接口供调度使用，一路RS485接口供计量使用．

（1）500 k V电压等级．根据国家电网公司通用设计要求，500 k V贸易结算用的电能计量点，原则上设置在购、售电设施产权分界处，当产权分界处不适宜安装时，应由购、售电双方协商；其次，电网经营企业之间需购销电量计量，应装设电能表；330 k V及以上交换电量考核，应装设电能表；电网经营企业内部用于经济技术指标考核的各电压等级的变压器侧、线路端及无功补偿设备处，应装设普通电能表．

根据以上计量点设置原则，该站内无贸易结算用的电能计量点．该站主变中压侧、站外电源侧作为电网经营企业之间需购销电量的电能计量点，需装设数字式电能表（0．2 s），按主／副表考虑，使变电站实现完整的数字化．该站500 k V线路出线侧作为交换电量的考核点，需装设数字式电能表（0．2 s），按单表考虑．表计按集中布置方式组屏，组两面计量屏．

（2）220 k V电压等级．220 k V出线作为考核关口点，需装设数字式电能表（0．2 s），按单表考虑．220 k V出线考核表分散布置在保护测控一体化屏上．

（3）110 k V电压等级．由于110 k V变电站的电能计量点不是关口计量点，所以电能表采用具有IEC61850－9－1接口的数字式电能表，通过串口与电能量远方终端连接．

（4）66 k V电压等级．对于66 k V电压等级，其计量对象是无功设备（电容器、电抗器）和所用变压器，计量范围仅限于站内监测设备的运行损耗，重要程度较低．其计量功能可采用66 k V测控保护一体化装置实现．一体化装置内置计量单元，可实现有功1．0、无功2．0的计量要求．

变电站计量系统的设备包括数字式电能表和电能量远方终端，其中精度为0．2 s的电能表20块，配置具有电话拨号／专线传输和网络传输功能的电量远方终端2台，分别用于向网调、省调传输信息．

3．5 方案的经济技术优势

变电站的关口点有20个．按照相关规定，计费关口点按双表设置，考核关口点按单表设置，220 k V电能表的精度根据国家电网公司计量设计要求按0．2 s等级配置．一块常规变电站电子式关口电能表的价格约为5万元，则全站仅关口点的电能表投资就不少于100万元．而对于智能变电站来说，电能计量系统在高压关口计费点和考核点配置数字式电能表，在低压计量点配置电量计量单元．采用本方案，计量系统在满足电能表计量精度要求的同时，还可以大大减少设备的总投资．

根据以上分析比较，推荐采用数字式电能表进行计量，这样既能够满足计量精度要求，又能够实现智能变电站的要求，具有良好的经济性能和安全性能．

4 关于智能变电站电能计量系统推广应用的建议

针对目前智能变电站计量系统配置及应用现状，提出以下建议：

（1）研制开发性能优越的数字式电能表，推动相关管理部门颁发数字式计量许可证，使数字式计量合法化．

（2）电能计量器应用前，应先在实验室进行全面检测．量值应能溯源到上一级的电能计量基准；电子式互感器量值应能溯源到电压和电流比例基准．

（3）有关技术指标的检定应由当地供电企业的电能计量技术机构进行，或委托上级电力部门的电能计量技术机构进行．

（4）制定数字式电能表的相关标准，各省网公司应规范计量表计的管理，每个变电站宜配置一套能够实现一发多送功能的电能量采集终端，将数据同时送往本地监控、网调、省调及地调多个主站系统，实现省调与地调的数据共享．这样既经济，又能实现数据的异地互备．

5 结 语

本文通过对数字计量系统的分析，提出了智能变电站电能计量系统的配置方案，并以500 k V智能变电站为具体研究对象，说明了其电能计量系统的配置方案．采用遵循IEC61850—9—1、IEC61850—9—2标准格式的数字电能表，配置相应检定装置以实现数字式电能表计量值溯源，能够进行更为精确的计量；较传统的计量装置而言，它具有运行稳定、可靠、精确以及重量轻、体积小、成本低的显著特点．

变电站电能计量系统作为区域智能电网电能质量监测、评估的组成部分，还需进一步研究开发具有支持电能质量分析、支持电力市场实时电价的分析应用、支持高级通信方式、具有良好互动性的高级智能应用功能的数字式电能表．智能变电站计量系统应支持电能质量在线监测评估、用户互动等相关应用，支持向大用户实时传送电价、电量、电能质量及电网负荷信息的功能，支持电力交易的有效开展，实现资源的优化配置．

［1］高翔．数字化变电站应用展望［J］．华东电力，2006，34（8）：46．

［2］Q／GDW 394－2009，330 k V～750 k V智能变电站设计规范［s］．

［3］DL／T448－2000，电能计量装置技术管理规程［s］．

Research on the Energy Metering Scheme in Smart Substation

JIANG Kun1，SHANG Tao2，CHEN Bing1，LI Yan－bin3
（1．Henan Province Institute of Metrology，Zhengzhou 461001；2．Production Technology Department of Kaifeng Power Company，Kaifeng 475000；3．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

This paper puts forward the solution of electricity energy metering system in the smart substation，based on the analysis of main problem which the digital metering system is facing．Then，the configuration of electric energy remote terminal and the configuration program of energy meter for 500 k V smart substation are analyzed．Based on the above research，more development suggestions of the smart substation electricity energy metering system are proposed．In addition to this，the solution is discussed and compared with traditional substations in technology and economy，and better result is obtained．Finally，according to the result of research，application prospects of the smart substation metering system are done．All of these have made positive process in the practice of engineering to the configuration of the smart substation metering system．

smart substation；metering system；energy meter；configuration scheme

TM76

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．02．003

1671－6906（2012）02－0015－04

2012－03－22

国家自然科学基金项目（51177054）

姜 鲲（1984－），男，湖北恩施人．