一种高压输电线路电能计量装置的研究与设计

张金波，高祥龙，邰 旻

（1.河海大学物联网工程学院，常州213022；2.江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022）

一种高压输电线路电能计量装置的研究与设计

张金波1，2，高祥龙1，2，邰 旻1，2

（1.河海大学物联网工程学院，常州213022；2.江苏省输配电装备技术重点实验室，常州213022）

为了克服传统电能计量装置无法直接计量高压线路电能问题，提出了一种基于场强法，并利用开口式电流互感器、电能计量芯片IDT90E36及STM32F103为核心控制处理器的计量装置，实现了高压输电线路电能电量的计量。经实际测试表明，该电能计量装置使用简便、成本低廉，稳定可靠，能够满足高压输电线路的电能直接计量。

高压输电线路；场强法；IDT90E36；电能计量

1 引 言

随着社会用电负荷的不断增加，对供电可靠性要求也在不断提高。配电设备作为向用户供电的最后一个环节，其运行状况直接影响到对用户的供电质量。由于配电设备数量多、分布面广而散，受人员、测量设备及数量的限制，通常只需要计量几个或几十个用户的所用电量，最简单的方法是计量这些用户输入端10－35kV输电线路的电量。传统计量方法是采用高压电压互感器、电流互感器、防止雷击的避雷器及计量仪表进行计量。这种计量方法存在计量设备复杂、投资大、占地面积大等缺点，尤其是放在户外极易受到雷击而损坏计量设备，所以，传统计量设备已不能满足输电线路针对用户端负载用电量实时计量的需要。据此提出一种新型输电线路在线式电力电量计量装置［1－2］，该装置采用电场法非接触方式获得电压相位信号、开口式电流互感器［3］测量电流及无线通信技术，利用电量测量装置测量输电线路功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量，并通过无线方式发送给电量计量装置，电量计量装置在测量电压有效值的同时，接收来自电量测量装置输电线路的功率因数、电流有效值、功率因数和电流有效值乘积及电流谐波含量。根据功率因数和电流有效值乘积及电压有效值计算输电线路负载电量，并分别显示A相、B相和C相电压有效值、电流有效值、功率因数、电流各次谐波含量、总谐波含量、电压变比、电流变比及A相、B相和C相的电量累计值。该装置的的使用可以大大提高输电线路电量计量的实时性、可靠性，减少运行成本。

2 场强法获得高压线路电压信号的原理

由电磁场理论可知变电所的电场是工频交变电场，频率为50Hz，波长远大于所研究对象的场域几何尺寸，故可用静电场［5］的一般概念和方程进行描述。笔者在高压输电线路周围空间电场的计算中采用等效电荷法并对线路做了如下简化：认为输电线有着相同半径，彼此间平行，电荷分布沿线路无畸变，并且忽略杆塔、横担和周围临近物体的影响［6］。高压输电线路下，空间任一点的电场强度用三角函数可表示为：

式中Ex、Øx为水平分量的振幅和相角，Ey、Øy为垂直分量的振幅和相角，各场强分量都是随时间变化的脉动量。在式（1）中通常有Øx≠Øy，这样空间任一点的合成场强就会是一个旋转的椭圆场。但对于单相输电线路，在经过与该水平导线垂直的直线上，因Ex＝0，该椭圆变为垂直于地面的脉动量。基此选择P（xi，y）点在与水平导线的垂直线上，如图1所示。

图1 单相导线垂直方向场强Fig.1 Single－phase wire vertical direction of the field

则P点电场强度的水平分量Epx和垂直分量Epy可表示为（取导线与其镜像的连线和地面的交点为坐标原点）：

x＝0，则有：

假设高压电力线路的电压瞬时值ui＝u1cos（wt＋Ø）＋u2cos（3wt），含有三次谐波。记P点与导线的垂直距离为Δh＝h－y≥R，则根据叠加原理得点P（0，y）处的电场强度瞬时值如下：

图2 Ep－Δh关系图Fig.2 The relation graph of Ep－Δh

高压输电线路通电情况下其周围工频［7］电场变化频率很低，属准静态场范畴。处于电场当中不同位置的两点P1（xi，y1）、P2（xi，y2）间将产生电势差即电压差，若设对应两点与导线的垂直距离为Δh1、Δh2，地面为电位等于零的平面，P1点电势可表示为：

图3 Ep－Δh关系仿真图Fig.3 The simulation relation graph of Ep－Δh

P2点电势可表示为：

P1与P2两点间的电压差则为：

上式表明高压线路附近空间某两点之间的电压差信号与高压线路的电压信号在相位上保持完全一致性；在空间两点与导线距离固定不变的情况下，该两点间电压差信号的幅值与相应高压线的电压信号成比例关系；同时可以看出两点间的电压差信号谐波含量情况与高压输电线路基本一致，只是在幅值上存在一定比例。所以提出了用场强法获取高压线路附近垂直方向上两点电压差信号，近而也可以对该高压线路谐波含量进行分析。

3 系统总体结构

计量装置主要由3个电量测量装置和1个电量计量装置组成，电量测量装置和电量计量装置通过无线方式［8－10］传递信息，电量测量装置主要作为电能测量，电量计量装置主要作为电能计量。电量测量装置上装有电极，分别挂接在被测高压线路A、B、C三相上，根据场强法原理，电极上会耦合出与被测线路同频同相的电压小信号。同时利用开口式电流互感器测量输电线路电流，分别将采集到的电流信号、电压相位信号送入电能计量芯片进行电能参数计量，计量得到的结果通过无线收发模块实时传送给电量计量装置。电量计量装置接收到数据后，对数据进行相应的计算处理，并在液晶显示器上实时显示A、B、C三相高压线路电能参数，其总体结构图如图4所示。

图4 高压输电线电能计量的总体结构图Fig.4 The overall structure of powermetering on the high－voltage transmission

4 电能在线计量装置设计

4.1 高压线路电压相位信号的采集

高压输电线路的电压很高，在其周围分布的电场强度很大。若有一导体放入该电场中，根据麦克斯韦电磁场理论，导体上就会感应出一定的电荷量，致使导体与高压输电线路之间形成一个杂散电容，从而耦合出高压线路上的交变信号。在该电路设计中，用于获取交变电压信号的导体被简称为电极。当电极接触或接近导线时，电极两端就会感应出与此线路信号同频同相的电压信号，然后通过双向稳压管进行限幅处理和抗混叠滤波电路进行滤波处理。高压线路电压采集信号电路设计如图5所示。

图5 高压线路电压信号采集电路Fig.5 Voltage signal acquisition circuit of high－voltage line

4.2 电量测量装置的设计

电量测量装置主要完成高压线路上电流有效值、功率因数及电流谐波含量等电能参数的测量，同时根据电能计量装置的指令传输相应数据。电路主要由微控制器、电流采集模块、电压采集模块、电源模块、IDT－90E36电能计量模块，无线发送模块等组成，电路结构框图如图6所示。

图6 电量测量装置结构框图Fig.6 The structure block diagram of powermeasuring device

4.3 电量计量装置的设计

电量计量装置主要完成采集电能数据的接收、分析计算以及结果分析、显示、存储和查询等功能，电路结构包括STM32F103微控制器、电源模块、无线收发模块、实时时钟（RTC）模块、存储模块、人机交互模块、RS485通讯模块等，其基本结构框图如图7所示。

图7 电量计量装置结构框图Fig.7 The structure block diagram of powermetering device

5 电能计量装置的软件设计

电能计量装置软件部分包括电量测量装置软件设计和电量计量装置软件设计。电能测量装置和电量计量装置之间通过无线收发模块交换数据，由于实际应用中电能测量装置有3个挂接在高压线路A、B、C三相上，而无线收发模块之间的通信为半双工通信，所以为使多个电能测量装置与电量计量装置准确无误的交换数据，装置之间通信采用ModBus协议，采用协议RTU模式。电能测量装置上的无线收发模块一直处于接收状态，当接收到电能计量装置发来的指令时，首先将接收到的指令地址位和自身拨码开关设定的地址进行比较，若相同则响应电能计量装置的功能需求，发送所需数据，否则不响应，其具体程序流程图如图8所示。电量计量装置主要作为中心控制系统，测量电压有效值的同时定时向挂接在A、B、C三相高压线路上的电量测量装置发送数据请求，并对接收到的数据进行计量，同时将计算处理完成的电能参数结果实时显示在液晶屏上，主程序流程图如图9所示。

图8 电量测量装置程序流程图Fig.8 Program flow chart of powermeasuring device

6 结束语

系统基于场强法，利用开口式电流互感器及电能计量芯片IDT－90E36，设计了一种新型输电线路在线式电力电量计量装置。结合嵌入式技术、无线通信技术，实现了高压输电线路电能在线计量。经测试表明，该装置的使用可以大大提高输电线路电量计量的实时性、可靠性，并大大减少了运行成本。

图9 电量计量装置软件流程图Fig.9 Program flow chart of powermetering device

［1］ 杨步明，滕召胜，曾博.基于单芯片架构的三相电子式电能表设计［J］.计算机测量与控制，2009，17（10）：62－64.

Yang Burning，Teng Zhaosheng，Zeng Bo.Design of Three－Phase electronic Power Meter Based on 71M6513H.［J］.Computer Measurement＆Control，2009，17（10）：62－64.

［2］ 肖伟峰，王大雷.智能电能表三相全失压监测功能及实现方法［J］.电测与仪表，2010，47（4）：21－26.

XIAOWei－feng，WANG Da－lei.Three－phase Voltage Lost Detecting Function＆Implementations of the Smart Electricity Meter［J］.Electrical Measurement＆Instrumentation，2010，47（4）：21－26.

［3］ 吴建明，杨广亮，黄文涛.开口式电流互感器在低压配电系统中的应用［J］.电气技术，2012（8）：154－156.

［4］ 张金波，陈振娇，周忠冉，钱江山.一种新型高压输电线路电压谐波检测方法的研究与设计［J］.高压电器，2012，48（12）：92－97.

ZHANG Jin－bo，CHEN Zhen－jiao，ZHOU Zhongran，QIAN Jiang－shan.Research and Design on the High Voltage Line Harmonic Detection Based on a New Method［J］.High Voltage Apparatus，2012，48（12）：92－97.

［5］ GW of General System Subcommittee IEEE.Electrostatic effects of overhead transmission line，part1－hazards and effects［J］.IEEE Trans on Power Apparatus and Systems，1972，PAS－91（2）：422－426.

［6］ 李圣清，朱英浩，周有庆，何立志.电网谐波检测方法的综述［J］.高电压技术，2004，30（3）：39－42.

LISheng－qin，ZHU Yin－hao，ZHOU You－qing，HE Li－zhi.The Overview of Detecting Methods for Harmonic in power system［J］.High Voltage Engineering，2004，30（3）：39－42.

［7］ 谢小荣，韩英铎.电力系统频率测量综述［J］.电力系统自动化，1999，23（3）：54－57.

XIE Xiao－rong，HAN Ying－duo.An Overview on Power System Frequency Measurement［J］.Automation of Electric Power Systems，1999，23（3）：54－57.

［8］ 张金波，王俊，范梅荣，冯媛媛.实用高压电力线路无线核相仪的设计［J］.电力自动化设备，2005，25（10）：65－67.

ZHANG Jin－bo，WANG Jun，FAN Mei－rong，FENG Yuan－yuan.Design of wireless phase detector for high voltage power transmission line［J］.Electric Power Automation Equipment，2005，25（10）：65－67.

［9］ Miguel O B CMelo，Luiz C A Fonseca.Electric and magnetic fields of compact transmission lines［J］.IEEE Trans on PWRD，1999，14（1）：2000－2004.

［10］ Jinbo Zhang，Wei Li.A New Method for Measurement of Performance of Oxide Lightning Arresters［C］.Proceedings of the3th International Conference on Impulsive and Hybrid Dynamical Systems，2006.

Research and Design of Energy Metering Device on High－Voltage Transm ission Line

Zhang Jinbo1，2，Gao Xianglong1，2，Tai Min1，2
（1.College of Internet of Things Engineering，HoHai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

In order to solve the problem that traditional energy metering devices cannot measure high－voltage line electrical energy directly，the new energymetering device，using energymeasurement chips IDT90E36 and STM32F103 as core processor，by open type current transformer，based on field intensity method，is presented in this paper.It realizes themeasurement of electrical energy on the highvoltage power transmission line.The practical test shows that the electrical energy metering device is of simple operation，low costand reliable stability，and canmeet the requirements for directlymeasuring the electrical energy on the high－voltage line.

High－voltage power transmission line；Field intensitymethod；IDT90E36；Energymetering

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.025

TP393

A

1002－2279（2015）01－0091－05

张金波（1967－），男，黑龙江双城人，副教授，工学博士，主研方向：电力系统及其自动化相关领域检测设备的研究。

2014－06－27