新型数字变电站电能计量误差检测方案与设计

刘忠琛 朱瑞民

（国网晋中供电公司，山西 晋中 030600）

新型数字变电站电能计量误差检测方案与设计

刘忠琛 朱瑞民

（国网晋中供电公司，山西 晋中 030600）

在IEC 60044-7/8标准和IEC 61850-9-2LE标准的基础上，基于IEC 61850-9-2LE标准，充分考虑了当前数字变电站的现状，采用高速稳定的硬件方案，对模拟和数字电能计量进行误差测量，可以很好的适应现场测试，该方案保证了传输数据的准确性、实时性以及测量计算的准确性。

IEC 61850；标准；数字变电站；电能计量

随着通信技术、电子式互感器技术、数字化保护及测控技术的快速发展，数字化变电站技术研发和工程实践取得了大量的成果和经验，对变电站自动化系统的各方面将产生深远的影响。在数字化变电站的计量系统中，数字电能表的原理和接口方式都发生了根本性的变化，传统的检验设备和技术已经不能满足数字电能表的检验要求。而国内当前正处于由传统模拟表向新型数字表变革的过度期，国内的大部分数字变电站还处于模拟和数字电能表同时在线使用的状态，因此，研发一台既可以对现场的数字电能表的误差进行检测并分析电能质量，又可以对传统模拟电能表进行检验并将结果远程发送到用户的上位机软件的实时在线监测装置是非常有必要的。

1 采用模拟和数字电能误差及电能质量在线检测的意义

1）实现传统电能计量装置的误差的实时在线监测，其中包括电能表误差、电能质量监测等功能，可大大降低电能计量检定人员的工作强度，提高工作效率。

2）同时也可以实时在线监测电网运行状态下的数字电能表的电压、电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率、波形、谐波等参量，对电能质量进行分析并对数字电能表的误差进行在线检测。

3）可将现场实时测量的各种电参量存入网络服务器中进行远程发送，便于用电管理部门实时监测及查询、提高电能计量管理水平。

2 硬件设计

数字和模拟电能计量的误差监测装置主要包括现场模拟数据采集层、数字光信号采集层、通信传输层、数据管理层、界面显示部分及键盘输入部分组成。组网方式有光纤、无线两种方式。

1）现场模拟数据采集层由模拟采样部分和数据处理部分组成，可对实时输入的模拟电信号进行采样，通过接入模拟电能表的脉冲信号对被测表的误差进行计算，同时也可对电能质量进行分析，并将结果及时的显示出来。

2）现场数字数据采集层由光纤、光路由、光电模块、数据处理等组成，可对输入的数字信息进行解析，通过获取被测数字表的脉冲信号计算误差，同时通过对波形的计算进行分析电能质量，同时将误差数据及分析结果显示出来。

3）通信传输层由无线通信模块组成，可对当前采集到的实时模拟或数字信号、电能质量分析结果及被测表实时误差值通过无线的方式进行近程或远程传输。用户可以实现在远端 PC对现场进行实时监测及分析。

4）数据管理层由存储设备及上位机管理软件组成，可以对采集到的模拟和数字信号及电能质量分析结果进行保存。用户可以随时读取存储的内容对之前保存的数据并使用上位机软件对之前的电能质量进行分析和在线监测。上位机软件也可以同时对远程传输的数据进行实时分析和监测。系统工作框图如图1所示。

图1 综合误差测试原理图

5）界面显示部分负责对计算结果进行显示。

6）键盘输入部分主要作用为界面的切换部分参数设置的输入。

3 软件设计

软件设计主要包含数字量采集、模拟量采集及电能质量计算3个部分。

1）数字量采集涉及到光信号的采集，数字协议解析，数字量波形的提取及整合三个部分的内容，光纤信号采集模块采用符合IEC 61850标准要求的光口模块对光信号进行采集，并通过软件解码对网络协议进行分离，并将得到的数字内容进行计算，数字部分软件设计流程图如图2所示。

图2 数字部分软件设计流程图

2）模拟部分中，模拟部分负责对采集到的模拟量进行处理，并整合为完整的波形数据进行计算，最后将采集到的数据进行计算，得出对应电能并计算误差，模拟部分软件设计流程图如图3所示。

图3 模拟部分软件设计流程图

3）电能质量计算部分是通过数字和模拟的波形进行一系列高速计算，得到需要的电能质量数据。它包括数据波形还原修正及相关的电能质量计算、比差计算及角差计算三个部分。数据波形修正及相关的电能质量计算在这里不做详述。

（1）比差计算方法如下：

在这里默认模拟采样为标准值，此定义仅涉及二次电压的额定频率分量，未考虑直流电压分量。

（2）角差计算方法如下：

假设被测合并单元的额定延时为tdr，如果这时DSP根据同步波形计算的实际相位差为那么角差就可以根据下式得

式中，f电网的基波频率。

关于合并单元的综合误差计算，可以通过和数字部分一样的方式进行求出，表示为，此时，就可以求出合并单元的误差为

以上式及定义参考《GB/T 20840.7—2007》互感器 第7部分和《GB/T 20840.8—2007》互感器第8部分。

4 系统功能特点

1）现场安装安全、方便，不破坏现场测量回路。

2）现场安装装置体积小，可以直接安装在室内仪表屏内。

3）每路电能表误差可同时接入二路脉冲（电能表的有功和无功脉冲）。

4）实时测量交流电压、交流电流、功率、频率和相位等电参量。

5）在线监测模拟电压和电流的波形及谐波，谐波测量范围2～31次。

6）通过解析数字协议获取波形数据并计算出当前数字信号中的交流电压、交流电流、功率、频率和相位等电参量。

7）在线监测数字电压和电流的波形及谐波，谐波测量范围2～21次。

8）可以分别对模拟电能质量和数字电能质量进行分析。

9）能通过网络远程设置参数并查看实时测量数据以及历史测量数据。

10）每台设备都配有看门狗功能，保证系统可靠运行。电能计量回路现场运行出现故障时可自行复位并恢复现场。

5 现场测试数据分析表（见表1）

表1 现场测试数据分析表

6 结论

本文围绕山西晋中市220kV智能变电站从数字信号的获取、数字信息传输及数字电能计量等技术的应用角度详细分析和测试了技术方案，并对出现的新的技术问题进行了深入思考，尤其是对现场数字电能计量设备的测量及数字信号的检测方面做了大量的试验及测量，在数字协议、电压、电流、频率、相位及电能误差的现场检测方面有着非常重要的意义，对智能变电站建设做了极具应用价值的探索。

实验证明，本文设计的测试方案合理、先进，高度适应于当前国内数字站的现状，设备在高度集成化的情况下，尽可能考虑了用户使用的方便性及便携性，同时也能够保证采样数据实时传输及计算的准确。

［1］陈维千.数字化变电站技术丛书.中国电力出版社，2010.

［2］高翔.数字化变电站应用技术.中国电力出版社，2008.

［3］GB/T 20840.7—2007.互感器 第7部分：电子式电压互感器.

［4］GB/T 20840.8—2007.互感器 第8部分：电子式电流互感器.

表1 福建电网2014年继电保护远方操作统计

实施继电保护远方操作前后操作用时见表 2。继电保护远方操作前的操作时间含运维人员往返变电站的车程，调控专业与变电运维专业操作配合耗时等。实现继电保护装置远方操作后操作时间大幅减少，大幅提高设备停役期间检修作业实际有效时长。

表2 继电保护远方操作前后操作用时对比

4 结论

基于本文研究，得出如下结论：

1）采用继电保护远方操作能有效缓解电网输变电规模快速增长与生产承载能力之间的矛盾。避免了变电运维人员和继电保护技术人员频繁往返于各个变电站之间，有效提高工作效率。

2）采用本文技术，能有效解决安规所规定的继电保护远方操作“双确认”。

参考文献

［1］陆圣芝，薛钟兵.基于EMS一体化的保护定值远方操作研究与应用［J］.电力系统保护与控制，2014，42（20）：150-154.

［2］郝文斌，洪行旅.智能电网地区继电保护定值整定系统关键技术研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39（2）：80-82，87.

［3］赵勇，韩平，王洪涛，等.利用IEC 61850实现继电保护远程校验［J］.电力系统自动化，2010，34（3）：63-65，74.

［4］段惠明，何飞跃，李志宏，等.基于 EMS和故障信息系统的在线定值管理系统构想［J］.电力系统自动化，2006，30（10）：97-99，104.

［5］林传伟，卓枕警，周健，等.福建电网远方不停电修改及核查定值系统的设计［J］.电力系统保护与控制，2010，38（5）：107-110，126.

［6］谢恩彦，潘勇伟，何鸣一，等.500kV无人值班站集控系统保护通信和远方操作功能设计与实现［J］.华东电力，2008，36（1）：47-51.

［7］吴小勇，刘春艳，李健，等.继电保护和自动装置压板回路远方控制技术与应用［J］.电力系统自动化，2008，32（15）：100-103.

作者简介

邓 勇（1978-），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为电力调度自动化、电力市场及继电保护。

The Scheme and Design of Electric Energy Measurement Error Detection in New Digital Substation

Liu Zhongchen Zhu Ruimin
（State Grid Jinzhong Power Supply Company，Jinzhong，Shanxi 030600）

In the IEC 60044-7/8 standard and IEC 61850-9-2LE standards based，based on the standard of IEC 61850-9-2LE，fully consider the status of the digital substation，the hardware scheme of high-speed and stable，of analog and digital electrical to measurement error，can be very good to field test，the scheme ensures the calculation accuracy of data transmission，real-time and measurement accuracy.

IEC 61850； standard； digital substation； electric energy measurement

刘忠琛（1964-），男，高级工程师，大学本科，工学学士，主要从事电能计量技术与管理的研究工作。