姜 鯤,尚 韜,陳 兵,李燕斌
(1.河南省計(jì)量科學(xué)研究院,鄭州461001;2.開封供電公司生產(chǎn)技術(shù)部,開封475000;3.中原工學(xué)院,鄭州450007)
智能變電站電能計(jì)量系統(tǒng)配置方案研究
姜 鯤1,尚 韜2,陳 兵1,李燕斌3
(1.河南省計(jì)量科學(xué)研究院,鄭州461001;2.開封供電公司生產(chǎn)技術(shù)部,開封475000;3.中原工學(xué)院,鄭州450007)
在分析了數(shù)字式計(jì)量系統(tǒng)面臨的主要問題的基礎(chǔ)上,提出了智能變電站電能計(jì)量系統(tǒng)配置方案.以500 k V智能變電站為具體研究對(duì)象,說明了其電能量遠(yuǎn)方終端和電能表配置方案及其經(jīng)濟(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì),并提出了關(guān)于智能變電站電能計(jì)量系統(tǒng)推廣應(yīng)用的建議.
智能變電站;計(jì)量系統(tǒng);電能表;配置方案
智能變電站與傳統(tǒng)變電站相比,電子互感器和IEC61850的應(yīng)用是其明顯的技術(shù)特征.電子互感器統(tǒng)一采集資源,保護(hù)、測(cè)控和計(jì)量共用一組電流互感器,其數(shù)字輸出的方式給計(jì)量系統(tǒng)帶來了革命性變化[1].
電流、電壓互感器與電能表是計(jì)量裝置中的重要組成部分.智能變電站中的計(jì)量裝置主要是由電子式互感器和數(shù)字式電能表組成.隨著光電子技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字式計(jì)量裝置將得到廣泛應(yīng)用.
本文根據(jù)智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)數(shù)字接口電能表的要求[2],探討了數(shù)字計(jì)量系統(tǒng)在智能變電站實(shí)際應(yīng)用中所面臨的主要問題及其解決方案,并結(jié)合500 k V變電站提出了具體、可行的方案.
在智能變電站中采用的數(shù)字式三相多功能電能表與傳統(tǒng)的三相多功能電能表的工作原理完全不同,數(shù)字式電能表所接收的信號(hào)是以光纖傳送的數(shù)字化電流、電壓信號(hào),而不是傳統(tǒng)的57.7 V/100 V的電壓信號(hào)和5 A/1 A的電流信號(hào).與傳統(tǒng)電子式電能表相比較,數(shù)字式電能表內(nèi)部沒有電壓、電流互感器和采樣電路.
數(shù)字式電能表采用數(shù)字信號(hào)處理器與中央微處理器相結(jié)合的構(gòu)架,將數(shù)字信號(hào)處理器的高速數(shù)據(jù)吞吐能力與中央微處理器復(fù)雜的管理能力相結(jié)合.通過協(xié)議處理芯片獲取合并單元的數(shù)據(jù)協(xié)議包,傳送至數(shù)字信號(hào)處理單元,完成電參量測(cè)量、電能累計(jì)以及電能計(jì)算等任務(wù),之后與中央微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,由中央微處理器最終完成表計(jì)的顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、儲(chǔ)存、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)交換等復(fù)雜的管理功能.
數(shù)字式電能表實(shí)際上是一個(gè)高精度的積分運(yùn)算器,其數(shù)字計(jì)算理論上可保證計(jì)算出的各項(xiàng)電量值完全沒有誤差.由于其數(shù)字計(jì)算過程理論上不會(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)的有效位誤差,這是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的固有誤差,與電能表型號(hào)無關(guān),這種誤差小于1/10 000),所以不規(guī)定精度等級(jí).此外,數(shù)字式電能表采用光纖傳輸數(shù)字信號(hào),抗干擾能力強(qiáng),傳輸誤碼率低,保證了計(jì)量精度.?dāng)?shù)字式電能表采用高速DSP運(yùn)算,運(yùn)算每周波256點(diǎn)的采樣信號(hào),可較好地計(jì)量基波和各次諧波的能量.
在智能變電站中,電子互感器二次部分采用新型的電子元器件,通過合并器直接與數(shù)字式儀表和智能綜合測(cè)量保護(hù)裝置相連,較好地滿足了計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)電流、電壓等信息進(jìn)行全過程數(shù)字化處理的要求.合并器接收、處理來自多個(gè)采集器的數(shù)字信號(hào),并在對(duì)這些信號(hào) 進(jìn) 行 匯 集 處 理 后,遵 循 IEC61850—9—1、IEC61850—9—2等通信規(guī)約,采用數(shù)據(jù)包的方式輸出到監(jiān)控、保護(hù)、計(jì)量等裝置.
DL/T44—2000《電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定[3],用作貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量裝置必須定期進(jìn)行誤差檢測(cè),以保證貿(mào)易結(jié)算的公平性.?dāng)?shù)字式電能表與電子互感器之間的通信方式是一種數(shù)據(jù)通信方式,一個(gè)完好的數(shù)字式電能表本身可以做到無誤差,因此,數(shù)字式電能表校驗(yàn)儀對(duì)數(shù)字式電能表進(jìn)行的誤差檢測(cè)本質(zhì)上是對(duì)電能表通信誤碼率以及電能表的算法誤差進(jìn)行定級(jí),這和常規(guī)電能表校驗(yàn)儀有本質(zhì)的不同.
智能變電站計(jì)量裝置檢定主要存在以下問題:
(1)傳統(tǒng)的變電站計(jì)量裝置二次回路中傳輸?shù)氖悄M信號(hào),而智能變電站中的電子式互感器二次回路中傳輸?shù)木鶠橛晒饫w傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào),因此無法直接使用傳統(tǒng)的儀器對(duì)其進(jìn)行誤差檢測(cè).
(2)由于電子式互感器及數(shù)字式電能表的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)無法向上級(jí)進(jìn)行溯源,也缺少檢定或檢驗(yàn)所依據(jù)的規(guī)程,因而貿(mào)易結(jié)算用的電子式互感器及數(shù)字式電能表也就無法進(jìn)行合理、合法地溯源檢定.因此,智能變電站中用于貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量系統(tǒng)成為制約智能變電站推廣的瓶頸.
(3)數(shù)字接口電能表的正常運(yùn)行與否直接關(guān)系到計(jì)量的準(zhǔn)確性,就目前的電能量計(jì)費(fèi)管理系統(tǒng)而言,其運(yùn)行狀況可能涉及位于前端的電子式互感器或者通訊網(wǎng)絡(luò),而這又不屬于電能量系統(tǒng),存在重新劃分管理職能等問題.
因此,與傳統(tǒng)的電子式電能表相比,數(shù)字式電能表在數(shù)字計(jì)算理論上無誤差,有它獨(dú)特的優(yōu)越性.其問題主要是表計(jì)量值溯源問題,需相關(guān)電能計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)做計(jì)量認(rèn)證工作.
數(shù)字式電能表的這種工作方式,使得傳統(tǒng)電能表校驗(yàn)臺(tái)無法對(duì)數(shù)字式電能表進(jìn)行檢定,需要重新設(shè)計(jì)一個(gè)校驗(yàn)裝置.該裝置應(yīng)具備以下功能:
(1)具備光纖以太網(wǎng)接口;
(2)具備電度計(jì)算功能;
(3)鏈路層可采用IEC61850—9—1、IEC61850—9—2或FT3標(biāo)準(zhǔn)格式;
(4)可接收被校電表輸出的脈沖信號(hào),并進(jìn)行比較;
(5)具備保留歷史數(shù)據(jù)功能.
滿足以上設(shè)計(jì)思想的電能表校驗(yàn)儀如圖1所示.電能表校驗(yàn)儀配置出符合IEC61850—9—1、IEC61850—9—2或FT3標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電流、電壓信號(hào),通過光纖傳給被檢的數(shù)字式電能表,電能表進(jìn)行電度計(jì)算后,輸出校驗(yàn)脈沖.電能表校驗(yàn)儀中有標(biāo)準(zhǔn)電能運(yùn)算模塊,會(huì)根據(jù)配置好的電流、電壓數(shù)據(jù)源計(jì)算出電能基準(zhǔn).電能表校驗(yàn)儀采集到校驗(yàn)脈沖后,與自身計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)電度量比較,得出電能表誤差.
圖1 數(shù)字式電能表校驗(yàn)儀原理框圖
根據(jù)國(guó)家溯源政策規(guī)定,量值溯源是通過一條規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈,使測(cè)量結(jié)果能夠與規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來.
在已投入運(yùn)營(yíng)的數(shù)字化變電站中,為解決溯源問題,有的變電站采用了負(fù)荷線對(duì)側(cè)計(jì)費(fèi)的辦法,即線路對(duì)側(cè)(用戶側(cè))配置常規(guī)互感器和常規(guī)電能表計(jì)費(fèi),變電站側(cè)的數(shù)字式電能表僅用于考核;有的變電站配置了雙套互感器,即對(duì)于需要計(jì)費(fèi)的間隔同時(shí)安裝電子互感器和常規(guī)的計(jì)量級(jí)互感器,配置常規(guī)關(guān)口電能表進(jìn)行計(jì)費(fèi).這種方案增加了互感器設(shè)備的投資,僅能作為目前計(jì)量系統(tǒng)配置的過渡方案.
經(jīng)過上述分析,我們提出在數(shù)字計(jì)量系統(tǒng)中采用常規(guī)變電站遠(yuǎn)方采集終端和具有IEC61850—9—1、IEC61850—9—2接口的數(shù)字式電能表的方案.?dāng)?shù)字式電能表采用單模光纖接入合并單元的數(shù)據(jù),通過DL/T645規(guī)約送至監(jiān)控系統(tǒng).計(jì)量系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)共用服務(wù)器,站內(nèi)配置計(jì)量轉(zhuǎn)發(fā)工作站,經(jīng)過單向隔離裝置從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù),采用IEC60870-5-102規(guī)約將計(jì)量數(shù)據(jù)上傳至省調(diào)計(jì)量主站.
(1)電子互感器采用光學(xué)互感器.計(jì)量用互感器的選擇、配置及精度要求應(yīng)符合DL/T 448規(guī)定;
(2)要求采用具有同步采樣技術(shù)的合并單元;
(3)采樣VLAN進(jìn)行組網(wǎng)連接;
(4)采用具有IEC61850-9-2接口的數(shù)字式電能表;
(5)采集終端具有電能量數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)方傳送功能;
(6)采集終端設(shè)備應(yīng)具有網(wǎng)絡(luò)通信功能.遠(yuǎn)方終端通信規(guī)約應(yīng)支持網(wǎng)調(diào)和省調(diào)電能計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)行的通信規(guī)約.
(1)應(yīng)能準(zhǔn)確計(jì)量電能量,并且數(shù)據(jù)完整、可靠、及時(shí)、保密,滿足電能量信息的唯一性和可信度要求;
(2)應(yīng)具有分時(shí)段電能量自動(dòng)采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)等功能,并能可靠接入網(wǎng)絡(luò);
(3)遵循IEC61850-9-2協(xié)議,方便組網(wǎng)和高精度采樣值傳輸(采樣值為32位整數(shù));
(4)具有采樣點(diǎn)自適應(yīng)功能,能夠計(jì)量每周波80~256點(diǎn)的采樣值(根據(jù)網(wǎng)絡(luò)諧波含量和網(wǎng)絡(luò)傳輸能力,選擇不同的每周波采樣點(diǎn);根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際諧波含量,推薦采用128點(diǎn)采樣);
(5)具有采樣值傳輸在線監(jiān)測(cè)功能,能夠監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)傳輸中斷;
(6)具有有功、無功、正方向計(jì)量功能,及有功、無功四象限計(jì)量功能;
(7)具有分時(shí)計(jì)量功能和最大需量計(jì)量功能.分時(shí)計(jì)量功能可按尖、峰、平、谷4種費(fèi)率時(shí)段進(jìn)行總有功、無功,A、B、C三相元件正、反向有功,四象限無功,及感、容性無功電能的計(jì)量.最大需量計(jì)量功能可計(jì)算正、反向有功電度和4個(gè)象限無功電度的最大需量,并記錄最大需量的出現(xiàn)時(shí)間;
(8)具有電壓、電流、功率等瞬時(shí)量計(jì)量功能;
(9)具有操作記錄功能,能夠記錄編程、開蓋、清零等操作;(10)具有負(fù)荷曲線記錄功能,記錄周期大于30 d;(11)具有事件記錄功能,能夠記錄失壓、失流等;(12)具有無源脈沖輸出和無源測(cè)試脈沖輸出,并提供USB接口,可通過該接口使用PC編程軟件對(duì)電表進(jìn)行編程.
電能量遠(yuǎn)方終端應(yīng)采用具有DL/T645-1997協(xié)議轉(zhuǎn)IEC61850協(xié)議設(shè)備,站內(nèi)多塊電能表可以共用一個(gè)電能量遠(yuǎn)方終端,實(shí)現(xiàn)規(guī)約轉(zhuǎn)換或電量采集.電能量遠(yuǎn)方終端的通信接口RS485(電能表通信接口)不少于6個(gè),網(wǎng)絡(luò)接口RJ45(主站通信接口)不少于2個(gè),RS422/485/232(主站通信接口)不少于2個(gè).計(jì)量系統(tǒng)需配置2臺(tái)電能量遠(yuǎn)方終端,分別用于向網(wǎng)調(diào)、省調(diào)傳輸信息.
電能表具有雙路RS485接口,規(guī)約采用DL/T645-1997.一路RS485接口供調(diào)度使用,一路RS485接口供計(jì)量使用.
(1)500 k V電壓等級(jí).根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司通用設(shè)計(jì)要求,500 k V貿(mào)易結(jié)算用的電能計(jì)量點(diǎn),原則上設(shè)置在購(gòu)、售電設(shè)施產(chǎn)權(quán)分界處,當(dāng)產(chǎn)權(quán)分界處不適宜安裝時(shí),應(yīng)由購(gòu)、售電雙方協(xié)商;其次,電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)之間需購(gòu)銷電量計(jì)量,應(yīng)裝設(shè)電能表;330 k V及以上交換電量考核,應(yīng)裝設(shè)電能表;電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)內(nèi)部用于經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)考核的各電壓等級(jí)的變壓器側(cè)、線路端及無功補(bǔ)償設(shè)備處,應(yīng)裝設(shè)普通電能表.
根據(jù)以上計(jì)量點(diǎn)設(shè)置原則,該站內(nèi)無貿(mào)易結(jié)算用的電能計(jì)量點(diǎn).該站主變中壓側(cè)、站外電源側(cè)作為電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)之間需購(gòu)銷電量的電能計(jì)量點(diǎn),需裝設(shè)數(shù)字式電能表(0.2 s),按主/副表考慮,使變電站實(shí)現(xiàn)完整的數(shù)字化.該站500 k V線路出線側(cè)作為交換電量的考核點(diǎn),需裝設(shè)數(shù)字式電能表(0.2 s),按單表考慮.表計(jì)按集中布置方式組屏,組兩面計(jì)量屏.
(2)220 k V電壓等級(jí).220 k V出線作為考核關(guān)口點(diǎn),需裝設(shè)數(shù)字式電能表(0.2 s),按單表考慮.220 k V出線考核表分散布置在保護(hù)測(cè)控一體化屏上.
(3)110 k V電壓等級(jí).由于110 k V變電站的電能計(jì)量點(diǎn)不是關(guān)口計(jì)量點(diǎn),所以電能表采用具有IEC61850-9-1接口的數(shù)字式電能表,通過串口與電能量遠(yuǎn)方終端連接.
(4)66 k V電壓等級(jí).對(duì)于66 k V電壓等級(jí),其計(jì)量對(duì)象是無功設(shè)備(電容器、電抗器)和所用變壓器,計(jì)量范圍僅限于站內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行損耗,重要程度較低.其計(jì)量功能可采用66 k V測(cè)控保護(hù)一體化裝置實(shí)現(xiàn).一體化裝置內(nèi)置計(jì)量單元,可實(shí)現(xiàn)有功1.0、無功2.0的計(jì)量要求.
變電站計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)備包括數(shù)字式電能表和電能量遠(yuǎn)方終端,其中精度為0.2 s的電能表20塊,配置具有電話撥號(hào)/專線傳輸和網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的電量遠(yuǎn)方終端2臺(tái),分別用于向網(wǎng)調(diào)、省調(diào)傳輸信息.
變電站的關(guān)口點(diǎn)有20個(gè).按照相關(guān)規(guī)定,計(jì)費(fèi)關(guān)口點(diǎn)按雙表設(shè)置,考核關(guān)口點(diǎn)按單表設(shè)置,220 k V電能表的精度根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司計(jì)量設(shè)計(jì)要求按0.2 s等級(jí)配置.一塊常規(guī)變電站電子式關(guān)口電能表的價(jià)格約為5萬元,則全站僅關(guān)口點(diǎn)的電能表投資就不少于100萬元.而對(duì)于智能變電站來說,電能計(jì)量系統(tǒng)在高壓關(guān)口計(jì)費(fèi)點(diǎn)和考核點(diǎn)配置數(shù)字式電能表,在低壓計(jì)量點(diǎn)配置電量計(jì)量單元.采用本方案,計(jì)量系統(tǒng)在滿足電能表計(jì)量精度要求的同時(shí),還可以大大減少設(shè)備的總投資.
根據(jù)以上分析比較,推薦采用數(shù)字式電能表進(jìn)行計(jì)量,這樣既能夠滿足計(jì)量精度要求,又能夠?qū)崿F(xiàn)智能變電站的要求,具有良好的經(jīng)濟(jì)性能和安全性能.
針對(duì)目前智能變電站計(jì)量系統(tǒng)配置及應(yīng)用現(xiàn)狀,提出以下建議:
(1)研制開發(fā)性能優(yōu)越的數(shù)字式電能表,推動(dòng)相關(guān)管理部門頒發(fā)數(shù)字式計(jì)量許可證,使數(shù)字式計(jì)量合法化.
(2)電能計(jì)量器應(yīng)用前,應(yīng)先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全面檢測(cè).量值應(yīng)能溯源到上一級(jí)的電能計(jì)量基準(zhǔn);電子式互感器量值應(yīng)能溯源到電壓和電流比例基準(zhǔn).
(3)有關(guān)技術(shù)指標(biāo)的檢定應(yīng)由當(dāng)?shù)毓╇娖髽I(yè)的電能計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行,或委托上級(jí)電力部門的電能計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行.
(4)制定數(shù)字式電能表的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),各省網(wǎng)公司應(yīng)規(guī)范計(jì)量表計(jì)的管理,每個(gè)變電站宜配置一套能夠?qū)崿F(xiàn)一發(fā)多送功能的電能量采集終端,將數(shù)據(jù)同時(shí)送往本地監(jiān)控、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)及地調(diào)多個(gè)主站系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)省調(diào)與地調(diào)的數(shù)據(jù)共享.這樣既經(jīng)濟(jì),又能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地互備.
本文通過對(duì)數(shù)字計(jì)量系統(tǒng)的分析,提出了智能變電站電能計(jì)量系統(tǒng)的配置方案,并以500 k V智能變電站為具體研究對(duì)象,說明了其電能計(jì)量系統(tǒng)的配置方案.采用遵循IEC61850—9—1、IEC61850—9—2標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)字電能表,配置相應(yīng)檢定裝置以實(shí)現(xiàn)數(shù)字式電能表計(jì)量值溯源,能夠進(jìn)行更為精確的計(jì)量;較傳統(tǒng)的計(jì)量裝置而言,它具有運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、精確以及重量輕、體積小、成本低的顯著特點(diǎn).
變電站電能計(jì)量系統(tǒng)作為區(qū)域智能電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、評(píng)估的組成部分,還需進(jìn)一步研究開發(fā)具有支持電能質(zhì)量分析、支持電力市場(chǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)的分析應(yīng)用、支持高級(jí)通信方式、具有良好互動(dòng)性的高級(jí)智能應(yīng)用功能的數(shù)字式電能表.智能變電站計(jì)量系統(tǒng)應(yīng)支持電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)評(píng)估、用戶互動(dòng)等相關(guān)應(yīng)用,支持向大用戶實(shí)時(shí)傳送電價(jià)、電量、電能質(zhì)量及電網(wǎng)負(fù)荷信息的功能,支持電力交易的有效開展,實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置.
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Research on the Energy Metering Scheme in Smart Substation
JIANG Kun1,SHANG Tao2,CHEN Bing1,LI Yan-bin3
(1.Henan Province Institute of Metrology,Zhengzhou 461001;2.Production Technology Department of Kaifeng Power Company,Kaifeng 475000;3.Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)
This paper puts forward the solution of electricity energy metering system in the smart substation,based on the analysis of main problem which the digital metering system is facing.Then,the configuration of electric energy remote terminal and the configuration program of energy meter for 500 k V smart substation are analyzed.Based on the above research,more development suggestions of the smart substation electricity energy metering system are proposed.In addition to this,the solution is discussed and compared with traditional substations in technology and economy,and better result is obtained.Finally,according to the result of research,application prospects of the smart substation metering system are done.All of these have made positive process in the practice of engineering to the configuration of the smart substation metering system.
smart substation;metering system;energy meter;configuration scheme
TM76
A
10.3969/j.issn.1671-6906.2012.02.003
1671-6906(2012)02-0015-04
2012-03-22
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51177054)
姜 鯤(1984-),男,湖北恩施人.