基于I/V和V/V技术的三相高压电能测量装置的研究*

郑志受 王立新 张志高

(中国计量科学研究院，北京 100013)

0 引言

随着节能减排和资源节约越来越受到世界各国的重视和我国电力工业体制改革，高压电能计量的重要性凸显出来。数字化、信息化和网络化是电能计量与电网测控技术发展的方向。特别提出要建立将传感器技术、通讯技术、计算机技术、测控技术与传统物理电网技术高度集成的智能电网[1]，使高压电能计量成为建设国家能源计量体系的关键和焦点。目前，世界各国的高压电能计量都是采用电压互感器PT、电流互感器CT和电能表三者组合成计量柜来实现的，其最高准确度是通过0.2级电能表和0.2级的电压电流互感器组合而约定为0.7%[2]，它的溯源是通过电能表和互感器分别溯源实现。存在的主要问题有[3-4]：互感器用的材料是资源越来越缺乏的铁磁和铜(如10kV的互感器需62kg的铁磁材料和12kg的铜)；互感器包括负载都是耗能设备(1套10kV的互感器，即使用最好的硅钢材料，功耗也要达到65W)；盗窃电严重(低压下盗窃电很容易实现)；计量不准确(高压条件下互感器的准确度无法再提高，存在CT开路、PT短路及铁磁谐振等问题，并且无法整体进行计量溯源和评价)。其主要原因受传统PT、CT方法条件限制而又没有新的方法取代它。虽然各国学者专家都试图用光电转换OTA[5-9]、空芯线圈TA[10]等办法来代替PT、CT解决上述问题，但至今未取得应用成功。本文提出采用I/V、V/V技术和高压“虚地”的理念研制高压电能测量装置，从根本上解决高压电能计量问题，以达到高压电能计量的革命性改变。

1 基于I/V和V/V技术的三相高压电能测量的理论依据

一般三相三线电能测量的理论依据[11]：

(1)

iA+iB+iC=0

(2)

(3)

没有虚地时三相高压电能测量装置(三角形结构如图1)的电能测量结果的理论依据为：

图1 三角形高压电能测量装置结构图

(4)

(5)

(6)

PΣ=(PΣA+PΣB+PΣC)/3

(7)

式(7)中第2项为实际测量时所带来的误差，设uA+uB+uC=Δu，则该误差可表示为：

(8)

一般三相四线制的三相电能测量的理论依据仍为式(1)。

通过上述理论分析可以看出，三相三线(三角形)电能要做到准确测量，要求其三相负载对称，否则会带来误差；另外它无法单独测得单相电流电压。而三相四线电能测量虽然除了能测得电能，也能测得单相电流电压，但在高压条件下，往往没有地线，无法采用这种结构进行测量。

本文提出的有虚地的三相高压电能测量装置(如图2)通过三相三线接法实现三相四线功能，其电能测量的理论依据为：

图2 有虚地高压电能测量装置结构图

(10)

进而可得：

(11)

上式中最后一项为三相电能测量装置测量结果的误差。

根据电流连续性原理(克希荷夫定律)：

(12)

则有：

(13)

(14)

上述图1和图2中：W1、W2和W3分别代表A相、B相和C相测量单元；Sp代表供电单元；M代表信号处理与储存单元；T代表信号传输或发送单元(通过无线或光纤)。

2 基于I/V和V/V技术的三相高压电能测量装置的组成

高压电能测量装置由电压检测单元、电流检测单元、电能测算单元和无线发送单元组成，其原理图见图3。其中A、B、C相电压检测单元及所述电能测算单元的地按照“星型”接法形成共同的虚地，既达到三相四线的目的，又减少了耐压，增加了安全。有虚地和无虚地两种高压电能测量装置电压支路承受电压比较如表1所示。

图3 三相高压电能测量装置的原理图

表1

电网电压(kV)1035110220500无虚地装置1035110220500有虚地装置58202635127289

图4 实验结果曲线图

电压检测单元包括A、B及C三相，各相电压检测单元由一电阻电压器和电流/电压互感器串接构成，用于检测所在输电线路的各相电压；电流检测单元也为A、B及C相，由互感器与电阻构成，用于检测所在输电线路的各相电流；电能测算单元M，由模拟/数字变换模块(A/D)、功率计算模块、数字/频率转换模块、电能累计模块和输出模块组成，用于接收上述各相电流检测单元和各相电压检测单元的输出信号，将模拟量变换为相应的数字量，并根据各相电流检测单元和各相电压检测单元对应的A/D输出，计算出功率值，然后，将计算出的功率变换为相应频率的脉冲，并对该脉冲信号进行累计获得电能值；同时可以将电流、电压、电能值、功率值和报警信号等信息输送给无线发送单元。无线发送单元T将电能测算单元输出的结果通过无线或光纤输送到低压区或工作区，可以进行电能计量管理和电网运行状况监测。

3 高压电能测量装置的实验结果

对10kV/1000A测量装置进行了两个月的实验验证，电压、电流、相位、功率和电能测量结果如图4。从图中可以看出：电压、电流和相位的短期稳定性、长期稳定性及温度稳定性都优于1×10-5，三相电能变化的标准偏差达到2.4×10-5。

4 结论

理论分析和实验验证表明，基于I/V和V/V技术的三相高压电能测量装置确实具有结构简单、准确度高、安全可靠。特别提出了虚地的概念，使它在高压电网中实现了三相四线的电能测量，避免了三相负载不平衡引入的误差，在未来的智能计量电网中将发挥标准表的作用，具有重要的计量学意义，同时具有广泛的实际应用价值，可在能源计量和电网管理中实现巨大的经济和社会效益。

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