電能計(jì)量裝置的發(fā)展與展望

電能計(jì)量裝置的發(fā)展與展望

0建立智能化用電計(jì)量系統(tǒng)通過(guò)傳感器及其二次電路的共同電能表，根據(jù)規(guī)定的連接方式，實(shí)現(xiàn)在線電能監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸。在電力市場(chǎng)條件下，為保證公開(kāi)、公平、公正地為電能生產(chǎn)者和使用者提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，必須建立現(xiàn)代化的電能計(jì)量、管理和交易系統(tǒng)。電能計(jì)量系統(tǒng)作為提供電能計(jì)量的信息源頭，對(duì)電能計(jì)量和管理是至關(guān)重要的。1發(fā)展過(guò)程1.1從電磁式傳感器到電子式傳感器1.1.1電磁式整體傳感關(guān)鍵技術(shù)電磁式互感器的工作是基于電磁感應(yīng)原理,CT的額定輸出信號(hào)為1A或5A,PT的額定輸出信號(hào)為100V或100/2V。長(zhǎng)期以來(lái)，電磁式電流互感器和電壓互感器在繼電保護(hù)和電流測(cè)量中的作用一直占有主導(dǎo)地位，但是隨著超高壓輸電網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展和供用電容量的不斷增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的電磁式互感器已經(jīng)難以勝任這種工況，因?yàn)榕c這種系統(tǒng)相匹配的電磁式互感器有以下缺點(diǎn)：(1)絕緣難度大、防爆困難、安全系數(shù)下降，特別是500kV以上高壓系統(tǒng)因絕緣而使得互感器的體積、質(zhì)量及價(jià)格均提高(2)帶有鐵心結(jié)構(gòu)且頻帶很窄，動(dòng)態(tài)范圍小,電流較大時(shí),PT會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,影響二次保護(hù)設(shè)備正確識(shí)別故障;(3)互感器的輸出信號(hào)不能直接與微機(jī)化計(jì)量及保護(hù)設(shè)備接口;(4)易產(chǎn)生鐵磁諧振等。1.1.2傳感器及其他電流式整體控制裝置隨著光電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、線性度良好、性能價(jià)格比高、輸出范圍寬且易以數(shù)字量輸出的無(wú)鐵心式新型互感器—電子式互感器應(yīng)運(yùn)而生。國(guó)外于20世紀(jì)60年代初，我國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研制光電式電壓互感器和電流式互感器，現(xiàn)今均已部分掛網(wǎng)試運(yùn)行。(1）光電式電壓互感器（OTV）。它基于Pockels電光效應(yīng)，由光學(xué)電壓傳感頭與相應(yīng)的電子測(cè)量電路組合而成。(2）光電式電流互感器（OTA）。主要分為無(wú)源型和有源型2種類型。無(wú)源型電流互感器是以法拉第磁光效應(yīng)為原理設(shè)計(jì)制造的裝置,有源型電流互感器是以羅柯夫斯基空心線圈為基礎(chǔ)。北京許繼電力光學(xué)技術(shù)有限公司自主研發(fā)的基于法拉第磁旋光效應(yīng)原理的光學(xué)電流互感器（OCT）利用光學(xué)電流自愈傳感技術(shù)和抗磁場(chǎng)干擾結(jié)構(gòu)技術(shù)解決了法拉第磁旋光效應(yīng)光學(xué)電流互感器兩大世界性難題：測(cè)量精度的溫度漂移問(wèn)題和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題，標(biāo)志著其研制的磁旋光效應(yīng)光學(xué)電流互感器具有工程實(shí)用化前景。1.2數(shù)字采樣技術(shù)的基本方案1890年，弗拉里發(fā)明感應(yīng)式電度表，在本世紀(jì)得到迅速普及應(yīng)用，至今已有百余年的歷史。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電能表的發(fā)展已經(jīng)歷了三個(gè)主要的發(fā)展階段。第一階段：本世紀(jì)60年代以前，電能表基本上采用電氣機(jī)械原理，其中應(yīng)用最多的是感應(yīng)式電能表。感應(yīng)式電能表采用電磁感應(yīng)原理制成，包括兩個(gè)固定的鐵心線圈和一個(gè)活動(dòng)的轉(zhuǎn)盤。當(dāng)線圈通過(guò)交變電流時(shí)，在轉(zhuǎn)盤上感應(yīng)產(chǎn)生渦流，這些渦流預(yù)交變磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力，從而引起活動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生扭矩。第二階段：感應(yīng)式電能表具有經(jīng)久耐用、價(jià)格低廉、制造技術(shù)較為成熟等優(yōu)點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表就其原理和結(jié)構(gòu)來(lái)看，機(jī)械磨損、機(jī)械阻力、放置角度、外磁場(chǎng)、溫度等不同因素會(huì)造成種種誤差，要進(jìn)一步提高測(cè)量精度是有限的。為了克服感應(yīng)式電能表的缺陷，從70年代起，人們開(kāi)始研究并試驗(yàn)采用模擬電子電路的方案。到了80年代，大量新型電子元器件的相繼出現(xiàn)，為模擬電子式電能表的更新奠定了基礎(chǔ)。在1976年日本就研制出電子式電能表，從此以后進(jìn)一步準(zhǔn)確測(cè)量交流電參量，包括電壓、電流、功率、電能計(jì)量等成為測(cè)量領(lǐng)域的主攻方向和熱門課題。第三階段：從90年代末數(shù)字采樣技術(shù)應(yīng)用于電功率的測(cè)量，數(shù)字采樣技術(shù)的電子式電能表是以處理器為核心，對(duì)數(shù)字化的被測(cè)對(duì)象進(jìn)行各種判斷、處理和運(yùn)算，從而實(shí)現(xiàn)多種功能。90年代數(shù)字采樣技術(shù)的電能表在工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了多種壽命長(zhǎng)、可靠性高、適合現(xiàn)場(chǎng)使用的電子式電能表；1.0、0.5、0.2級(jí)精度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)電力系統(tǒng)中電能計(jì)量的要求，從而使電子式電能表相繼實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，而且當(dāng)時(shí)最高的精度已經(jīng)達(dá)到了0.01級(jí)。數(shù)字采樣技術(shù)方案所具有的優(yōu)點(diǎn)十分明顯，例如壽命長(zhǎng)、準(zhǔn)確度高、維修方便、功耗低等。從本質(zhì)上講，數(shù)字采樣的電子式電能表是最容易和當(dāng)前蓬勃發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，使得各種復(fù)雜的控制自校準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳輸功能都可以很方便地用于電能表中，因而有很強(qiáng)的生命力。電子式電能表的核心計(jì)量芯片按工作原理可分為兩種：一種采用DSP技術(shù)、以數(shù)字乘法器為核心的數(shù)字式計(jì)量芯片，它運(yùn)用了高精度快速A/D轉(zhuǎn)換器、可編程增益控制等最新技術(shù)，即SystemonChip(SoC)技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，國(guó)際先進(jìn)水平的深亞微米高性能電能計(jì)量芯片片上系統(tǒng)（SoC）設(shè)計(jì)平臺(tái)將DSP內(nèi)核、可編程增益控制電路、高精度高速A/D轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)電路以及其他相關(guān)外設(shè)集成到一片芯片上，使系統(tǒng)許多方面的性能得以提高；另一種是以模擬乘法器為核心的模擬計(jì)量芯片。這兩種芯片的基本工作原理有根本的不同，在計(jì)量精度、線性度、穩(wěn)定性、抗干擾性、溫度漂移和時(shí)間漂移等方面，數(shù)字式芯片遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于模擬式芯片。以數(shù)模混合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)為核心的一系列適于不同場(chǎng)合的常用單相和三相電能計(jì)量芯片有：(1)普通單相電能計(jì)量芯片AD7755；(2)復(fù)費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)及集中抄表單相專用芯片AD7756;(3)防竊電單相專用電能計(jì)量專用芯片AD7751;(4)數(shù)字式單相視在電能表計(jì)量芯片CS5460A;(5)普通功能三相電能計(jì)量芯片ADUC812;(6)高精度多功能三相電能計(jì)量芯片AD73360;(7)低成本、多功能三相電能計(jì)量芯片AD7754;(8)數(shù)字式三相視在電能表計(jì)量芯片ADE7753等?？傊?，電子式電能表以它的精確度高、穩(wěn)定性好、可高倍過(guò)載、功能擴(kuò)展性好和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)已被電力企業(yè)和用戶廣泛認(rèn)可與接受，由電子式電能表取代機(jī)械式電能表已是大勢(shì)所趨。1.3合并單元的數(shù)字信號(hào)輸出電子式互感器定義了一個(gè)新的物理元件——合并單元。它連續(xù)時(shí)間合成來(lái)自二次轉(zhuǎn)換器的電流及電壓數(shù)據(jù)，即它的任務(wù)是將接收到的二次端信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸出，同時(shí)使接收到的同一協(xié)議的信號(hào)同步。合并單元將7只以上的電流互感器（3只測(cè)量，3只保護(hù)，1只備用）和5只以上的電壓互感器（3只測(cè)量、保護(hù)，1只母線，1只備用）合并為一個(gè)單元組，并將輸出的瞬時(shí)數(shù)字信號(hào)填入到同一數(shù)據(jù)幀中，體現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的優(yōu)越性。數(shù)字輸出的電子式互感器與外部的通訊通過(guò)合并單元實(shí)現(xiàn)。利用電子式互感器輸出的數(shù)字信號(hào)，使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或過(guò)程總線通信方式，將完全取代大量的二次電纜線，徹底解決二次接線復(fù)雜的問(wèn)題，可以簡(jiǎn)化測(cè)量或保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少誤差源，有利于提高整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)真正意義上的信息共享。2新的傳感器和電能表的特殊功能2.1相互感2.1.1rogowski農(nóng)業(yè)技術(shù)光電式電流互感器（OTA）雖然具有顯著優(yōu)點(diǎn)，但由于它對(duì)溫度、振動(dòng)的敏感性及長(zhǎng)期工作的時(shí)間穩(wěn)定性尚待進(jìn)一步解決，加上其傳感頭制作要求高、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，限制了其推廣使用。如果在光電式電流互感器中使用Rogowski繞組，則能較好解決上述問(wèn)題。在Rogowski光電式電流互感器繞組的兩端接上合適的電阻就可測(cè)電流,由于繞組導(dǎo)線均勻地繞在一個(gè)非磁性環(huán)形骨架上，它通過(guò)電磁場(chǎng)與主電路電流回路，故具有良好電氣絕緣性能?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外已制造出0.2級(jí)的Rogowski繞組?，F(xiàn)場(chǎng)試用表明，Rogowski光電式電流互感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、測(cè)量范圍寬、精確度高（優(yōu)于±0.5%）、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、易以數(shù)字輸出和性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。2.1.2偏面偏轉(zhuǎn)角的確定所謂法拉第磁光效應(yīng)，如圖1所示就是當(dāng)一束平面線偏振光通過(guò)置于磁場(chǎng)中的磁光材料時(shí)候，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，其偏振面偏轉(zhuǎn)角為其中:V是費(fèi)爾德常數(shù)（rad/A）,H是磁場(chǎng)強(qiáng)度（A/m）,L是光在磁光材料中通過(guò)的長(zhǎng)度（m）,N為繞載光的載流導(dǎo)線圈數(shù)。只要確定偏轉(zhuǎn)角的大小，就可以測(cè)出載流導(dǎo)線的電流。而實(shí)際測(cè)量中將偏轉(zhuǎn)角通過(guò)檢偏器轉(zhuǎn)化為光強(qiáng)信號(hào)，再由探測(cè)器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)放大處理，最終得出待測(cè)電流信息。2.1.3光電晶體檢測(cè)光學(xué)電壓互感器的測(cè)量原理大致可分為基于Pokels效應(yīng)和基于逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)兩種，現(xiàn)在研究的光學(xué)電壓互感器大多是基于Pokels效應(yīng)的（包括集成光學(xué)電壓互感器）。Pokels效應(yīng)就是某些晶體在外加電場(chǎng)作用下，其折射率發(fā)生相應(yīng)的變化。這些微小的變化將產(chǎn)生明顯的光學(xué)效應(yīng)，可以借助雙折射效應(yīng)和干涉的方法精確地測(cè)量出來(lái)。電光晶體種類較多，其中BGO(Bi4Ge3O12）晶體理論上無(wú)熱釋電性、無(wú)旋光性、無(wú)自然雙折射，且穩(wěn)定性好，是目前電光傳感器中用得最多的一種電光晶體，但也有很多用不同電光晶體做成的電壓傳感器。一束線形偏振光照射到BGO表面時(shí)，分裂成振動(dòng)方向相互垂直的兩束光，其相位差與所加電壓成正比。結(jié)構(gòu)和材料不同，相位差的大小也不同。圖2所示為光學(xué)電壓互感器原理圖。相位差δ可用下式計(jì)算：式中:λ為入射光波波長(zhǎng)；0n為BGO晶體的折射率；γ41為BGO晶體線形電光系數(shù)；U為被測(cè)電壓；U0，ω分別是電壓幅值和角頻率。通常利用偏光干涉的方法將δ轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龉鈴?qiáng)的變化來(lái)檢測(cè)它，利用1/4波片使兩束光的相位差增加90o，總的相位差為δ+Π/2。出射光強(qiáng)I可以表示為式中:I0是入射光強(qiáng)；UΠ=λ/（2n03γ41)稱為半波電壓。由此可見(jiàn)，利用出射光強(qiáng)和電壓的關(guān)系，只要通過(guò)光電變換和信號(hào)處理就能測(cè)量被測(cè)電壓。2.2電能表2.2.1電能計(jì)量模塊單相電子式復(fù)費(fèi)率電表一般具有以下功能：(1)紅外通訊,通過(guò)紅外接口和抄表手機(jī)進(jìn)行通訊,可抄寫(xiě)電量、時(shí)段、時(shí)間等數(shù)據(jù)。(2)運(yùn)用電能計(jì)量模塊實(shí)行計(jì)量功能,實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功計(jì)量。(3)能實(shí)現(xiàn)分時(shí)處理,兩費(fèi)率(峰和谷)多時(shí)段電能計(jì)量能力。(4)存貯功能,可以存貯本月、上月的總電量,峰谷電量數(shù)據(jù)。(5)具有完整的顯示功能,包括時(shí)段顯示。在峰時(shí)段運(yùn)行時(shí)“峰費(fèi)率”指示燈亮,在谷時(shí)段運(yùn)行時(shí)“谷費(fèi)率”指示燈亮,液晶屏可順序顯示當(dāng)前電量(總電量和谷電量),當(dāng)前時(shí)間、表號(hào)、時(shí)段數(shù)據(jù),主要上月電量(上月總電量和谷電量)。2.2.2先付費(fèi)后用電三相預(yù)付費(fèi)電表是指由電能計(jì)量單元、購(gòu)電控制器、報(bào)警單元和分合斷路機(jī)構(gòu)(能夠自動(dòng)或半自動(dòng)控制供電回路)等組成,使用戶必須先付費(fèi)后用電的電能計(jì)量裝置。三相預(yù)付費(fèi)電表自投入使用后,沒(méi)有發(fā)生偷漏電和欠費(fèi)現(xiàn)象,避免了抄表人員漏抄、估抄現(xiàn)象,提高了售電用電的透明度。2.2.3抗靜電器和數(shù)字光電傳感數(shù)字式電能表的電量輸入采用了數(shù)字輸入接口模式。數(shù)字輸入接口嚴(yán)格遵循了當(dāng)前國(guó)際流行的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，在物理層和鏈路層上采用了IEC61850推薦的高速光纖以太網(wǎng)，具有傳輸數(shù)據(jù)快，抗干擾能力強(qiáng)，接線簡(jiǎn)潔等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了和數(shù)字式光電互感器真正意義上的無(wú)縫連接。數(shù)字式電能表獲取已數(shù)字化的電流電壓瞬時(shí)值后，計(jì)算得到所需的電量值。由于數(shù)字計(jì)算過(guò)程理論上不會(huì)產(chǎn)生任何誤差（實(shí)際可能產(chǎn)生的誤差為浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算時(shí)有效位誤差，為數(shù)字信號(hào)處理器固有誤差，與數(shù)字式電能表無(wú)關(guān)，這種誤差小于萬(wàn)分之一），即數(shù)字式電能表的準(zhǔn)確度由數(shù)字式互感器決定，其不規(guī)定精度等級(jí)。3新技術(shù)下的電能計(jì)量系統(tǒng)21世紀(jì)將是信息網(wǎng)絡(luò)化、高新科技成果被廣泛應(yīng)用和電力企業(yè)持續(xù)發(fā)展的時(shí)代。數(shù)字化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化和網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代電能計(jì)量系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。(1）數(shù)字化。所謂數(shù)字化就是采用數(shù)字式計(jì)量芯片，應(yīng)用高新技術(shù)成果研制電子式電能計(jì)量系統(tǒng)。電能計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，能夠不斷提高計(jì)量系統(tǒng)性能，進(jìn)一步保證計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。(2）智能化。所謂智能化就是采用高新技術(shù)不斷完善多功能電能表標(biāo)準(zhǔn)DL/T614—1997規(guī)定的所有功能，同時(shí)，開(kāi)發(fā)研制具有自校準(zhǔn)組合互感器、電能計(jì)量綜合誤差自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)忍厥夤δ艿娜码娔苡?jì)量系統(tǒng)。電能計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化，能夠進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)電價(jià)制的變革，滿足運(yùn)營(yíng)管理的需要，解決特殊負(fù)載用戶的計(jì)量問(wèn)題，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)負(fù)載整體檢驗(yàn)電能計(jì)量系統(tǒng)。(3）標(biāo)準(zhǔn)化。所謂標(biāo)準(zhǔn)化就是依據(jù)電能計(jì)量系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)程DL/T448—2000中的電能計(jì)量系統(tǒng)配置原則，分別對(duì)發(fā)電運(yùn)營(yíng)側(cè)、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理側(cè)和供電運(yùn)營(yíng)側(cè)配置相應(yīng)的電能計(jì)量系統(tǒng)。電能計(jì)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，能夠進(jìn)一步優(yōu)化電能計(jì)量系統(tǒng)的配置，使其達(dá)到先進(jìn)、合理、統(tǒng)一的要求，以便于運(yùn)行、維護(hù)與管理。(4）系統(tǒng)化。所謂系統(tǒng)化就是將電能計(jì)量系統(tǒng)與自動(dòng)抄表系統(tǒng)聯(lián)通組成一個(gè)電能計(jì)量管理系統(tǒng)。電