关口电能计量装置在线监测技术研究现状分析

赵国鹏,阎 超,孙 冲,史 轮,李宏胜,刘 璇

(1.国网河北省电力有限公司营销服务中心,河北 石家庄 050035;2.国网河北省电力有限公司经济技术研究院,河北 石家庄 050011)

0 引言

关口电能计量装置是安装在电能产生、传输、消耗处,用于发电、输电、供电企业及电力用户相互间进行电能贸易结算及相关技术经济指标考核的法定计量器具,其运行误差直接对购售电双方、供用电双方贸易结算的准确性产生很大的影响。为保障其准确可靠,需对关口电能计量装置的运行误差进行周期性现场检验,具体试验项目包括电能表误差、电压电流互感器误差、电压互感器二次回路压降以及互感器二次负荷试验。

目前,关口电能计量装置的现场校验方法可分为离线式和在线式2类。离线式校验是在系统停电时,由技术人员使用成套检测设备在现场开展相应的检测项目,需要人员定期往返于各计量点间,操作也较为复杂,并且这种方法校验计量装置的误差状态只是短时性的,不能准确感知计量装置在电网运行状态下的误差变化情况,不利于发现其潜在的误差变化趋势。在线式校验是在电能计量装置运行状态下,实现对计量装置性能的测量与评价,能在线监测和评估其长期运行状态,是现场检测技术发展的趋势。本文主要介绍当前关口电能计量装置在线监测技术研究应用现状,针对在线监测技术存在的问题以及能源互联网建设大背景下对关口电能计量装置管理技术提出的新需求等进行分析和探讨,以期能为相关技术人员提供有益参考。

1 关口电能表在线监测技术

电能表作为智能化程度最高的计量装置,在其运维管理工作中,传统的人工校验方法仍占据主流位置,与技术进步的潮流不匹配。通过智能感知和数据挖掘实现对电能表运行状况的实时监测已成为新的研究热点,驱动着电能表现场校验技术的不断进步。

1.1 实物标准比对方法

目前,在关口电能表现场运维一线工作中已广泛应用了不停电在线校验技术,即技术人员到被检电能表装设运行的现场,用与所携带的在线式电能表现场校验仪所对应配套的高准确度钳形电流互感器,从现场运行中的被检电能表的电流接线获取电流信号,并从其电压接线端口获得电压信号,使用光电采样器读取功率脉冲信号,实现将被检电能表获取到的现场电信号送至校验仪中的标准电能表去计量电能。通过将校验仪的电能计量结果与被检电能表的电能计量结果进行比对,实现对现场运行中的电能表进行误差和相关量测试并查验运行状态[1]。但是,这种人工现场校验的方式在管理上存在安全风险大、工作时间长、校验成本高的问题;在技术上,存在钳形电流表的检测精度不稳定,负荷低时误差校验数据可信度低等问题。对此,各方研究人员提出了许多针对性的解决措施。

文献[2-3]设计了一类电能表远程校验和监控系统,在计量屏柜处安装现场控制主机和电能表现场校验仪,通过现场固定接线与回路切换开关获取各被检电能表相关数据并完成校验,再经无线通信网络将校验数据传至后台监控中心,实现对挂网运行中电能表的远程在线校验监测。该方案采用了电流直接接入测量方法,提高了准确度,而且试验原理及方法符合DL/T 1664-2016《电能计量装置现场检验规程》的有关要求,所得数据及结论可获普遍认同。

近几年,电力企业相继开展现场设备精益化管理工作,尝试在不新增设备的前提下,充分利用已有设备实现对电能表的远程在线校验。文献[4]构建了一种基于负控终端的电能表远程在线检测系统,在远程主站内用同一同步时间段内负控终端与被检电能表以电能脉冲形式输出的电能计量结果进行比对,判断电能表的计量性是否符合要求。同时,通过主站历史数据预测负荷变化情况,实现在低功率、额定功率等特定负荷情况下对被检电能表的远程在线检测,其结果可以反映电能表在实际工况时的计量性能。

1.2 数据采集分析方法

大数据技术的广泛应用给出看待问题的新角度:在线校验和监测并非检定工作,其核心在于能够对电能表运行状态、潜在故障隐患及未来发展趋势做出可靠判断,从而给出进行现场检验的最佳时机,准确指导运维管理工作。以此作为出发点,开拓出了许多新颖的关口电能表在线校验方法。

文献[5]开发了一套由现场高精度前置采集装置、通信网络和主站服务器组成的关口电能表远程在线监测系统。在每只被检关口电能表处安装一台前置采集装置,采集电能表的电压、电流、脉冲数等电量信息及温、湿度等环境数据并上传主站,用计算电能量与实测电能量相比较得到计量相对误差,结合不同环境条件下的最大允许误差限值,可以推断出被检关口电能表的实际运行状态。

文献[6]介绍了一种基于AMI测量数据的电能表误差远程校准方法,依托广义流量仪表集群模型及流量守恒理论,该方法基于电能表台区相关电压、电流、线路电阻等用电数据计算电能表误差,并深入考虑AMI中存在的电能表功耗、电阻损耗和漏电损耗来不断修正广义流量仪表集群模型。仿真实验验证,根据修正模型,可有效估计出在存在损耗的情况下集群中电能表的相对误差。然而,该方法的有效实施是建立在准确获取电能表台区基础用电数据及线路损耗等信息的前提上,实际中很难准确远程获取相关真实数据,限制了该方法在实际工况中的应用。对此,文献[7]在该方法的基础上进一步提出了一种迭代计算线损的方法,实现模型优化。同时,针对误差计算结果校验困难的情况,构建了一种依托电能表出厂误差检定数据的假设检验方法对电能表误差进行大规模验证,该方法已在实际中部署运用。

美国ADI公司开发了一种内置于电能计量IC中的非侵入诊断技术mSure,原理示意见图1。mSure系统将已知的参考信号与负载信号通过叠加注入输入传感器,传感器能够同时感应参考信号和负载信号。这个组合信号通过了相同的路径,并经模数转换器实现数字化。持续监控该信号路径的反馈。检测单元从组合信号中提取参考信号分量,结合初始参考信号,可以构建出计量信号链路的传递函数模型,进而可确定被检电能表计量误差。为了确保计量精度,组合信号中的参考信号经清除单元移除后,可以计算出负载信号对应的电能量。如此,mSure技术可以在电能表正常运行时实时监控其精度在内的健康状态。但是,mSure技术是通过参考信号构建传递函数实现对电能表误差的间接推定,检测单元和移除单元对标准信号的处理以及传递函数的完整性是影响该方法的判断准确性的重要因素。

图1 mSure技术原理示意

1.3 关键问题

比对校验时标准电能表准确度有待确认。传统校验方式中,由人员携带校准设备前往现场开展校验,在路程上标准表等仪器可能受到物理冲击而失准;将标准表固定在现场的方式,仍需对标准表进行定期检测保证其精度。虽然有使用被检电能表误差的相互比对来验证标准电能表准确度的方法,但仍存在集体超差的可能。

高频采集装置稳定性有待观察。现有应用案例尚未有能够证明长期使用数据证明高频采集装置在各类极端环境下的性能稳定程度,也未有测试数据论证高频采集装置与电能表的长期并列运行对电能表的准确计量的影响程度。

有限元法的基本思想是：假定接触状态，求出接触力，检验接触条件，若与假定的接触状态不符，则重新假定接触状态，直至迭代计算得到的接触状态与假定状态一致为止。具体做法是：

数据采集分析结果的可信度有待验证。由于缺少标准表进行比对,各种数据分析算法的严谨性以及结果的置信度,仍需长时间挂网运行观测数据来支撑。同时,采集装置对电网非正弦、动态波动等非常态运行情况能否可靠检测也有待验证。

2 互感器在线监测技术

根据关口计量装置现场误差检验数据的统计分析,互感器误差超差问题发生的频率最高,这其中又以电容式电压互感器和低电压等级电流互感器的误差超差情况占比最多。综合实际案例情况,引起互感器误差超差的原因涵盖了结构特性、制造工艺、运行环境、技术参数选择等技术、管理的各方面,一时难以从根本上消除超差现象。鉴于电压互感器、电流互感器在整个电力计量体系中发挥的重要作用,加强对电压互感器、电流互感器误差的在线监测,防范超差问题的发生,对保证电能计量的准确性和贸易结算的公正性具有重要意义。

2.1 电压互感器误差在线监测

在110～220 k V电压等级的关口计量点,已通过对标准电压互感器进行小型化的工艺改造,并采用人工带电作业或机器人手臂等方式将标准器接入系统,实现了关口计量电压互感器在线监测。但这种方法存在检测效率低、对系统扰动大、输出信号易受外界电磁干扰等缺点,已经难以适应电网高电压、大规模的发展趋势。为了解决这一问题,国内外学者提出了多种针对性解决方案。

为避免进行电压互感器误差在线检测时因标准器频繁投切引起的系统电压波动大,校准时间长等问题,文献[8]提出一种电压互感器在线群校准方法。使用电容式分压器作为标准器接入系统,在同步信号指令下,多台被检电压互感器的二次输出经采集板、合并单元打包数字化后,与标准通道信号数据一起在工控机数字处理单元中实现信号处理和误差计算。当变电站内电压互感器数量庞大时,可根据实际情况增加合并单元数量实现大规模在线监测。

在实际生产中,大部分在线运行的电压互感器,尤其是特高压工程项目,根本无法停电,且随着电压等级的不断提高,相关校验设备的规模和尺寸更加巨大。因此,为了解决这一突出问题,利用变电站内现有设备和接线进行适当改造,作为标准设备与关口计量电压互感器长期并列运行,实现对运行中的电压互感器误差在线监测,就成了现实条件下的一种选择。

文献[9]开发了一套电容式电压互感器误差在线监测系统,如图2所示,其利用电磁式电压互感器计量特性稳定的特点,使用母线电磁式电压互感器(TV)与线路电容式电压互感器(CVT)进行误差比对,实现对CVT误差的在线实时监测。文献[10]则在前者基础上更进一步:在特高压站中,分别使用0.1级母线TV与0.2级主变压器侧CVT作为标准器,以二者检测0.2级高抗侧CVT得到的绝对误差偏差小于0.05级电压互感器误差限的检测结果,推导了在校验0.2级CVT时,0.1级TV标准与0.2级CVT标准的测量绝对误差是“相等”的结论。据此,提出了一种使用相同准确度等级的特高压CVT开展误差在线比对校验的试验方法。然而,使用TV/CVT校验同一级别的CVT在校验原理上是行不通的,并且这类方法所依据的检测数据与应用案例太少,缺乏充分的实践经验支撑。

图2 电压互感器误差在线同级比对技术原理示意

文献[11]将站内LVQB型电流互感器视为高压标准电容,通过互锁开关再串联一个低压标准电容器,实现与高压标准电容器高压电极、低压电极之间结构的类似,将其改造为标准装置实现对电压互感器的在线监测。但是,这种改造成的高压标准电容器,其量值溯源路径不明,且互锁开关出现故障时,屏蔽罩上会产生随机的悬浮电压,引起局部放电,存在较大的安全风险;作电流互感器使用时,其暂态性能及误差性能可能会受影响。

2.2 电流互感器误差在线监测

由于标准比较法在校验原理、方法及相关装置使用等方面的要求,在运的电流互感器难以采用传统电磁式标准装置并列运行的方法进行误差的在线比对与监测。目前,应用较广的是使用电子式电流互感器作为标准器构建电流互感器在线校验系统,原理如图3所示。

图3 电流互感器误差在线监测系统工作原理示意

这类直接测量系统主要由传感部分、电源供电与管理、传感信号的采集与通信、数据处理,数据的模拟输出5个部分构成。其基本原理是:标准通道的高压侧采用钳形电子式电流互感器,在不停电的情况下,将传输线上的电流转换成电压信号,通过光纤传输至低压侧的数据处理平台,被校通道电流互感器的信号也同时被采集送入,数据处理平台将同一时刻的2个信号进行比对,给出校验结果。但是,传统的钳形电子式电流互感器在使用时易受到开口气隙、载流导体位置、外界电磁场等因素的影响,并且其模拟积分器存在温度漂移和零点漂移等问题,整体测量准确度难以达到0.05级,作为标准器,这将严重影响误差的检测准确度。因此,为了最大限度的发挥关口电流互感器的作用,实现状态检修,提高经济效益,亟需研究能在不停电状态下对电流互感器进行在线校验的高精度标准传感器。

文献[12]构建了一种以高精度电子式开口双级电流互感器作电流标准器的TA误差在线校准装置,标准器的圆环形铁心采用高导磁坡莫合金材料制成,通过并列运行方式在线同步获取被试电流互感器和电流标准器的二次电流,经计算得到被试品的比差和角差。现场试验结果证明,此装置能够满足对0.2级电流互感器的现场误差校准要求。该方法中钳形线圈的设计便于互感器接入线路,但其在长期使用后测量精度容易受到开口气隙的影响。为解决这一问题,文献[13]提出了钳形结构的铁心-空心双线圈电子式电流互感器,利用2种线圈开口气隙与误差的变化特点:钳形铁心线圈的比差、角差随开口气隙的增大而增大,角差影响更大;钳形空心线圈比差随开口气隙增大而增大,角差基本不受影响。首先以2个线圈相位比对差值小于2′的阈值验证双线圈闭合完好性,若闭合完好,再以铁心线圈的输出作为标准进行比差和角差的校验。该方法通过两线圈输出相互比对的方式实现了自动校准,经过测试可以达到0.05级的准确度。

在间接测量方法中,文献[14]基于电流互感器带电运行的各种状态考虑,提出以等效阻抗原理为基础的误差监测算法:首先在停电状态下,通过试验得到电流互感器25%～100%负荷下的任意一电流点的误差值及励磁特性曲线。然后在带线状态下,测出现场实际二次电流和二次负荷,利用一次电流变化引起励磁电抗变化与负荷变化引起励磁电抗变化的等效关系,结合相关关系方程,即可计算出任意负荷、任意电流下的误差。该方法既能实现电流互感器稳态无故障条件下的误差监测,也能在故障条件下实时报警。

2.3 关键问题

新型监测方法应用效果有待长期观测验证。现在提出的许多新的试验方法,并不需要接入传统标准互感器,从试验原理和方法上虽然不符合有关检定规程和管理办法的要求,但是如果不是进行检定校准工作,只是在日常运行管理中实现对误差变化情况的监控,这些方法也是可行的。不足之处在于脱离标准互感器的情况下,如何准确获取用于构建互感器运行特征和模型的特征量信息,区分是由系统波动因素还是由互感器本体因素所引起的互感器运行误差的变化。目前已提出方法的运行可靠程度尚缺乏成熟的应用案例及长期的观测数据进行支撑。

并列运行的标准互感器误差溯源方法有待解决。在一些在线监测方法中,通过将一个更高精度的标准互感器与被监测对象并列运行以达到实时在线监测,但是并列运行将导致系统更加复杂,退出运行难度增加,标准互感器自身误差溯源及检修工作的开展需要寻找更为可靠、高效的方法,以确保输出数据的准确性。

在线监测系统中电子类设备的电磁兼容性能有待考证。变电站环境中天然存在着由变电站开关操作、系统短路、系统局部放电、雷电放电等所引起的强电磁干扰,而在互感器的在线监测中大量使用了电子式互感器、采集与通信装置等结构和功能复杂的电子类设备,这些新型电子设备在变电站高压强电磁场环境中的工作可靠性及稳定性将直接影响在线监测系统的工作性能及结果准确度,目前工程界尚无对此类设备电磁兼容性能成熟的评价结果或现场应用情况的长期观测案例。

3 互感器二次回路在线监测技术

根据有关规程,互感器二次回路现场校验项目包括TV二次回路压降及TV、TA二次实际负荷。其中,TV二次压降须通过周期检测进行持续监控,TV、TA二次负荷只需在装置投运后开展首次检验即可。同时,电能计量装置故障多发生于计量二次回路,故障期间伴随有差错电量的产生,由于计量二次回路故障的复杂性,当前的差错电量计算方法在处理相关问题时多有不足,电量追补结果与实际情况之间往往存在偏差,因此对互感器二次回路进行持续监测,预先发现故障隐患,保障其安全、健康显得尤为重要。

3.1 TV二次压降及TV、TA二次负荷在线监测

目前,电压互感器二次回路压降的测量主要使用专用测试电缆连接电能表表尾与电压互感器二次接线端子箱,由压降测试仪进行数据测量及显示。测试互感器二次负荷可用专门的二次负荷测试仪,使用仪器线夹测量互感器的二次电压,使用钳型电流表测量互感器的二次回路电流,即可得出各相电压、电流互感器的二次负荷。这种测试方法准确度高、测试结果稳定,但是在具体操作过程中需要多人配合进行电缆铺设和接线,工作量大,并且变电站高压强电场环境下电缆轴线易产生感应电,接线及测量作业是在带电情况下进行的,具有一定程度的触电风险。

为了优化现有互感器二次回路的传统校验方法,文献[2-3]设计了一种互感器二次回路在线监测和远程校验系统,通过现场固定布线和设置二次压降及负荷测试仪器的方式,由多回路切换装置控制线路的切改,在TV、TA端子箱及电能计量屏间建立测试回路,测试结果经通信模块传至后台管理中心,实现对全站范围的电压互感器二次压降及二次负荷、电流互感器二次负荷的远程在线测试。该方法使用直接测差原理实现压降和负荷测试,符合DL/T 1664-2016《电能计量装置现场检验规程》相关规定,免除了人工测量方法需现场临时布线等繁琐环节,能够显著提高工作效率。但是,这种方法只能分路测试,无法实现对整个二次回路的实时在线监测,且前期固定铺设测试电缆、仪器的工程量大、对场地条件要求高、后期维护难度大。

为解决采用传统布线校验方式所存在的问题,文献[15]设计了一种互感器二次回路自动化远程实时在线监测系统,由测量主机、TV测量分机、TA测量分机等部分组成,系统原理如图4所示。其中,TV分机位于TV二次端子箱,完成TV二次负荷测量,并与测量主机一起完成TV二次压降所导致的误差等测量功能;TA测量分机位于TA根部,完成TA二次负荷测量等测量功能。以TV二次压降测量为例,将TV分机和测量主机分别设置在电压互感器二次侧端子箱处和电能计量屏柜电能表接线端子处,利用GPS统一授时,同步读取两端的电压和相位信息,TV分机将读取的信息通过低压电力线宽带载波同步通信方式发送至测量主机,在主机中运行TV压降测量算法进行比较、计算,即可得到电能表端的电压相对于TV二次端电压的比差和角差,并可进一步求得二次压降引起的计量误差值,实现无需布线即可远程实时自动测量之目的。TV、TA二次负荷测量,则分别由TV、TA分机在相应二次端子箱内采集电压、电流信息数据,在本地运行负荷测量算法计算出二次负荷结果后发送至主机,实现二次负荷测量功能。

图4 互感器二次回路自动化远程在线监测原理示意

此外,一些学者为了实现对互感器二次回路故障的智能检测与分析,通过加装导纳在线测试仪、对远程负荷管理终端进行功能改造等方式,提出了导纳测试法用于系统带电情况下的二次回路故障诊断。由于其在实现过程中同样需要对二次回路的电流、电压向量进行测量采集,故可在导纳在线测量原理的基础上通过添加互感器二次负荷的测量算法,对相关装置进行升级,在测量导纳的同时,实现对互感器二次负荷的在线监测。

3.2 关键问题

多回路切换技术的实现形式有待优化。对电流信号的切换,由于电流互感器在运行过程中禁止二次开路,不能直接通过选择继电器实现二次回路的切换。实际中通常采用穿心式电流互感器将线路电流转变成小电流信号,再将其进行“电流-电压”转换成电压信号输入到继电选择单元进行选择切换。这个过程中有多个变换环节,增加了多种电子装置,加大了监测系统发生故障的概率,且模拟量小信号更易受外界干扰,影响监测结果的准确性。

4 结论

关口电能计量装置在线监测技术的应用实现了在实际运行条件下评估电能计量装置性能,形成了一种新的关口计量装置管理及运维机制,有助于管理者及时、准确地掌握关口计量装置的实际运行状态,解决了目前工作中存在的作业安全风险高、周期检定工作强度大、异常发现及时性差、信息化程度低等问题。在线监测技术的发展与应用是关口电能计量装置管理及校验工作适应智能电网能源互联以及电力贸易市场化等现实需求,向操控自动化、功能多样化和运行智能化发展的必然趋势。此外,对在线监测技术的深化应用提出3点建议:一是进行在线监测系统长期挂网观测试验,积累实际环境下的运行数据及异常事件信息,分析在线监测系统与电网运行之间的相互作用及影响,全方位评价在线监测系统及装置运行的稳定性、准确性情况;二是开展新装置、新设备的研究,满足新技术发展需求,在传感器件、高频采集、同步技术等方面努力解决“卡脖子”的关键问题,助力技术应用实现质的飞跃;三是推动相关技术标准和管理规程的制定,引导在线监测技术科学、有序、规范化发展,为其规模化的应用部署铺平道路。