智能变电站中计量装置的应用

□王黎军 杨 兴

一、引言

随着智能电网的快速发展，智能变电站建设步伐的加快，使用智能变电站数字技术标准的数字化电能计量装置在工作中应用也越来越广泛，本文针对在智能变电站计量方案的应用及计量装置交接实验、验收、维护等方面遇到的实际问题进行了讨论。

二、智能变电站的技术特点

智能变电站是采用先进、可靠、集成和环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，同时，具备支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策和协同互动等高级功能的变电站。

(一)智能变电站与IEC61850标准。IEC61850系列标准的中文译名是“变电站通信网络和系统”(Communication Networks and Systems in Substations)，IEC61850代表了变电站自动化系统SAS技术的最新趋势，是实现数字化、智能化变电站的关键技术。IEC61850制定的目标主要包括操作性、功能的自由配置、良好的扩展性三个方面，以适应变电站自动化和通信技术的发展。它主要有四方面的特点，即:建立信息模型、建立信息服务模型、配置描述文件、IEC61850应用范围的扩大。IEC61850标准定义了变电站3层通信接口模型，除了传统变电站层和间隔层外，将采用数字化接口的一次设备定义为过程层。通过3层通信接口模型，IEC61850涵盖了现在和将来变电站自动化系统的各种通信需求。

(二)智能变电站配置语言SCL。IEC61850－6定义了一种基于智能变电站配置语言(SCL)。制定SCL语言的目的是为不同厂商的工程工具提供一种统一、标准的描述格式，使各种工程工具之间能够实现互操作，从而简化变电站各个设备之间集成过程并降低费用。SCL是IEC61850技术体系的重要组成部分。

(三)智能变电站设备定义和组成。过程层:一次智能化设备(电子式电流、电压互感器、智能断路器等)、合并单元(MU)等;间隔层:保护装置、计量装置、测控装置;站控层:监控、远动、故障信息子系统。

三、智能变电站中的计量装置

在智能变电站中计量装置主要是由电子式互感器和数字化电能表或者由传统电磁式互感器和数字电能表组成。

(一)电子式互感器。基本原理是将一次侧高电压、大电流转变成方便传输的信号，一般为数字信号或频率变换信号，经传输系统送到二次侧，在二次侧做一定的处理后，可以以模拟量形式或数字量形式输出，供计量和保护使用。

主要特点有:一是可从实现原理上根本地避免磁路饱和、铁磁谐振等问题。二是频率相应宽，动态范围大，可有效进行高频大电流的测量，二次信号通过光纤传输，避免了二次侧TA开路和TV短路的危险。三是二次信号通过光纤传输，没有电缆传输的电磁干扰问题。四是绝缘结构简单，一次高压与二次设备通过光纤连接，无电磁式互感器的绝缘问题。五是二次侧可直接输出数字信号与其他设备连接，满足IEC61850标准的要求。

(二)数字式电能表。在智能化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57.7V/100V的电压信号和5A/1A的电流信号。

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完美结合。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对电参量测量，电能累计以及电能的计算等任务，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。由于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有效位误差，为计算机系统固有误差，与电能表型号无关，这种误差小于1/10000)，所以不规定精度等级。

数字式电能表具有分时计量、最大需量、月统计电量、实时测量、监控、负荷曲线记录、脉冲输出与通信接口等功能。

(三)合并单元。合并单元虽然不属于计量装置，但是在智能变电站中，所有的电压、电流信息均由合并单元转换成数字信号，经处理发送给二次保护、控制设备、计量设备。合并单元的正常运行是计量准确、稳定运行的重要保证。

四、智能变电站计量方案

(一)基于电子式电流互感器、电子式电压互感器输出的计量方案。如采用电子式电压、电流互感器，互感器本身输出就是数字信号，所以无需通过合并单元的处理即可以直接使用光纤接入数字电能表。(这种方案必须保证互感器自身有专有的计量信号输出接口。如与测量共用仍需通过交换机进行转接。)

(二)基于合并单元输出计量解决方案。使用的互感器仍是传统的电流、电压互感器，由于电子式互感器在使用中仍存在计量精度差的缺点，所以这种计量方案使用很多。

(三)智能变电站的计量特点。数字式电能表的电量输入采用了数字输入接口模式。它的信号接收通过光纤以太网传送的数字化电流电压瞬时值，传输数据快，抗干扰能力强，可以和电子式互感器实现真正意义上的无缝连接。其实际意义上是一个高精度的积分运算器，从功能上说具备了现行电子式多功能电能表的所有功能，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。

智能化变电站的电子式电流、电压互感器与数字式电能表的接口在物理和链路层上采用了IEC61850推荐的高速光纤以太网，减少了传统二次回路的各种损耗，具有传输数据快，抗干扰能力强，接线简洁等特点。计量系统的误差由电子式电流、电压互感器决定。电子式互感器的测量精度能够满足电能计量装置技术管理规程要求，它的使用可以大大减少电能计量装置的测量误差，从而提高了计量装置的精度。下面就传统计量装置和数字式计量装置的测量系统进行简要对比。第一，传统计量系统由电磁式模拟互感器、电能表通过电缆连接构成。假设电流、电压互感器、电能表均为0.2级，加上线缆传输误差，最终计量系统准确度为0.7。第二，数字式互感器和数字式电能表之间通过光纤传输电流、电压信号，可采用诸如CRC校验等检错手段保证数据传输的正确性。因此数字式计量系统的准确度由电子式互感器决定。假设数字式光电电流、电压互感器均为0.2级，最终计量系统的准确度为0.4。

五、智能变电站计量装置的验收与调试

虽然智能变电站的建设已经开展多年，但是对于智能变电站内计量装置安装、验收、调试的工作，仍处于探索阶段，以下是根据工作中具体的操作情况对于计量装置验收、调试等工作取得的一些经验。

(一)交接实验阶段。

1.交接实验工作开展时间节点及必要条件。进行交接实验工作的时间节点应为合并单元及后台设备的调试已经完成后开展。需要取得本变电的SCL文件。(由合并单元厂家提供，每个智能变电站的SCL文件为独有，不可通用)

2.工作开展的具体内容。

(1)装固定电能表并连接光纤。此工作中需连接电能表的直流工作电源，进行光纤连接时首先要确认该线路电能表在交换机上对应的接口。接口信息可以由后台调试人员提供，也可以使用红光笔在合并单元输出侧光纤接口打光确定。连接光纤均为输入、输出两个接口，电能表正常运行只需接入输入。

(2)电能表参数调试。此工作需要使用电能表厂家提供的设表软件及解析SCL文件软件进行。一是在电能表参数设置中应设置该线路的一次二次电流、电压比值。二是从解析SCL文件中获取MAC地址，使用电能表设表软件进行设置。三是根据SCL文件中获取的数据通道对电能表的电压、电流通道进行设置。四是根据SCL文件中获取的UsvID对电能表的UsvID进行设置。

(3)电能表是否接收到光纤信号。一是可以通过观察电能表工作指示灯来进行判断(各厂家规格不同，观察方法也不同)。二是可以通过在互感器二次侧升压、升流，观察电能表电流、电压值来判断。三是可以通过报文接收软件，使用笔记本电脑接收光纤传输的报文。

3.需要注意的事项。第一，连接光纤时需确认光纤是否连接正确，即确认交换机侧连接的光纤头对侧是否连接进电能表。第二，进行电能表参数设置时，应仔细核对电能表端口号是否与SCL文件规定的端口号一致。如电能表端口号起为0，SCL的端口号起为1。在设置电能表端口号时就应该相应－1端口设置。在使用笔记本接收报文时也需要注意解析报文软件的端口号是否与电能表的一致。如不一致也需要相应+1或－1。第三，由于一些变电站中保护测量与计量共用一组互感器绕组，测量要求的电流方向与计量规程中要求的电流方向有时相反，传统情况下是在电能表接线处进行调整，但是数字式电能表是光纤传输信号，没有进行调整的条件。现阶段一般是以保护测量的电流方向为准，送电后，电流数值即为负电流，电能表应为反向计量。第四，在二次侧升压升流后，也可以使用笔记本安装的抓包工具对传输到电能表的数字信号进行分析，检查二次接线是否正确。

(二)日常维护调试阶段。运行中可能出现的问题:

1.电能表接收不到信号。一是光纤损坏，可使用红光笔进行检查通断。二是合并单元端口进行调整，需与保护进行协调。在合并单元进行调整时，电能表也需要进行调整。三是如出现一项没有数据，应检查互感器二次侧是否连接良好，进入合并单元的电流、电压线是否连接良好。

2.电能表计量不准确(在不考虑电能表故障的情况下)。

一是如出现计量不准确，应立即核对电能表设置的变比参数是否有误;二是由于计量可能与保护共用电压互感器统一绕组，电压变比应与保护定值进行核对。如:35000V/100V的电压互感器保护定值可能会与此变比不一样。在这样的情况下电能表电压变比设置为35000V/100V。电压值就会相应出现偏差。造成计量不准确。三是应该检查电流、电压互感器的二次线接入合并单元的接线是否正确。

六、未来展望

智能变电站计量装置的应用，必然会随着数字技术的发展逐步全面过渡到数字化。现阶段电子式互感器的技术已经日趋成熟，精度及运行稳定程度也不断提高。在很多的大型变电站已经进行了使用。符合精度要求有专门计量接口的电子式互感器大量使用将给计量装置在智能变电站带来更大的变化，计量电能表可以脱离合并单元的控制，在IEC61850统一数据中直接接收到来自于电子式互感器的电流、电压的数字信号，运行变得更加独立，精度也会更有保证。

在数据采集上传方面，随着以太网技术的大量使用，未来的电能表必将淘汰485接口上传的数据形式。改由IEC61850标准的数据传输模式。这些技术的使用将使得电能表数据传输的速度大幅度提升，上传数据由于使用了统一的数据模式，也可以直接传输至站控层，由其他设备共享。数据将会更加开放。

七、结语

虽然智能变电站已经推广多年，技术也相对成熟。但是我们对于智能变电站计量装置应用还处在探索阶段。依据IEC61850－9－2标准格式的生产的数字化电能表，还缺乏可以对其进行检定的计量装置以实现数字电能表计量值溯源。使得数字化电能表在定期检定及维护方面还存在不足之处。在调试方面也存在诸多限制需要协调解决。文中提出的关于验收调试及日常维护的方法相对简单，只能为一些常规问题提出解决方案，仍需要继续探索。

［1］浙江省电力公司，陈安伟.IEC61850在变电站中的工程应用［M］.北京:中国电力出版社，2012

［2］李毅.浅析智能化变电站计量方案［J］.电力学报，2010