高压电能表在智能配电网计量系统中的应用

杜洪文

（安远县供电有限责任公司，江西赣州342100）

1 引言

我国10kV配电网主要是中性点不接地系统，高压计量是目前供电企业与电力用户点电能计量和电费收缴的核心分界点，其计量点统一选取在10kV高压侧（工程中常称为“高供高计”电能计量模式）。现有的高压计量普遍采用两元件计量法（即两台计量用电压互感器VT、两台计量用电流互感器CT和一台多功能电能表）共同组成。两元件计量体系中，计量误差与CT、VT、电能表的准确度有关，同时还与计量接线方式有关，其在实际电能计量过程中，存在计量误差较大、故障隐患较多、系统运行能耗较大、防窃电能力较弱等问题，很难满足现代智能配电网实时精确、节能经济电能计量需求［1] 。

智能化、网络化、功能集成自动化等，是10kV智能配电网建设发展和技术升级改造研究的主要目标［2]。智能精细化高压电能采集装置和信息化运行管理技术手段，是10kV配电网实现智能化的重要保证基础。鉴此，根据常规10kV高压计量系统中存在的不足，结合光纤高精度传输通道，利用电子式互感器和高压单相电能直接计量功能模块，构筑整体式高压直接计量系统，提高10kV高压侧电能计量实时性、准确性、可靠性，和计量系统的综合防窃电能力，对10kV配电网智能化建设发展具有非常重要的推动意义。

2 10kV智能配电网高压直接计量原理

为了解决10kV配电网中高压电能计量系统中存在的计量误差较大、故障隐患较多、能耗较大、防窃电能力较弱等问题，需要结合先进的电能特性参数测量仪器和功能模块，改变10kV配电网现有的电能特性参数采集和计量模式，实现电能数据高压侧直接整体式准确计量。国内已针对高压电能计量系统测量实时性、可靠性等方面展开了大量的研究工作，但大多仅停留在电能电压、电流特征信号方面的高压侧采集，还需将电能特性参数通过光纤通信传输到低压侧进行电压、电流信号处理和电能计量，没有真正实现电能高压侧直接整体式计量功能，且计量系统中电能数据安全性、防窃电功能等没有得到很好解决。

采用两元件法进行高压电能计量，不仅可以测量处于不对称负载运行工况下10kV高压线路的三相三线功率和电能，同时其测量精度较高，能够满足高压直接计量测控系统设计需求。对不接地或小电流10kV配电网接地系统而言，三相总功率的函数表达为：

从式（1）可知，通过采集线路AB相、CB相相间电压U˙AB和U˙CB，以及 A 相电流I˙A和 C 相电流I˙C4个特性参数信号，就可以计算出10kV配电网高压三相三线功率或电能S值。

3 高压直接计量电能表设计方案

图1 基于等电位电路的高压直接计量方案

图2 高压单相电能直接计量功能模块

为了便于给10kV配电网节能经济调度运行提供详细的电能参考数据，结合式（1）可知，对线路A相、C相分别采用高压单相电能直接计量，就可以获得10kV配电网分相和三相三线总功率。高压单相电能直接计量功能模块设计方案如图2所示。

图2中，定义10kV高压线路A相、C相高压单相电能计量功能模块所采集的功率分量分别为：

则10kV高压配电网三相三线总功率可以表示为：

在式（3）的基础上，通过配电网三相三线总功率对时间量的积分运算，就可以获得10kV配电网高压电能直接计量数据。

从图1和图2可知，基于高压单相电能计量功能模块的高压直接计量系统，是一种悬浮在10kV电力线路高压侧的单相高压电能直接计量系统，可以避免常规“高供高计”系统中使用信号线将电压互感器的信号引到低压端，造成二次信号产生压降等不利情况发生，降低电能特征信号采集误差，提高了10kV高压配电网电能计量系统计量数据的精确可靠性。另外，由于将整个单相高压电能直接计量功能模块，直接悬浮在10kV电力线路高压侧进行计量，可以有效防止窃电非法行为发生；直接计量功能模块与外界间进行数据信号传输采用高速率光纤以太网通讯模式，可以实现电能特征数据信号安全、及时、可靠、准确的传输；单相电能直接计量功能模块，结合了电能计量集成芯片、CPU数据处理单元等先进功能元件，能够对计量系统功能进行整体定义，和对电能计量误差进行动态校验，提高了计量系统运行准确性、可靠性；与常规电磁式高压VT、CT和电能表组成的高压计量系统相比，单相高压电能直接计量系统的体积和重量均得到显著减小，大大提高了高压直接计量系统电能计量的网络化、集成化、智能化水平。单相高压电能直接计量功能模块，具有较强的通用适用性，不仅可以用于10kV配电网的A相、C相功率和电能计量，还可以借用此种计量功能模块开发原理，设计出适用于不同工作电压等级下的高压电能直接计量系统。

高压单相电能直接计量功能模块中，电能计量芯片采用较为通用的CS5460单相功率／电能测量芯片，CPU则采用小型化的AT89C2051单片机控制系统，光电转换采用低速光纤收发专用功能模块。从图1可知，单相电能直接计量测量芯片的0.5V输入由电容通过分压措施在10kV线路相间获取；而测量芯片的电流输入端则从10kV线路电流互感器二次侧获取mA级电流信号在精密电阻上通过采样获得。10kV配电网高压电能直接计量系统中，A相、C相的高压单相电能直接计量功能模块中，所采集到的实时电流信息、相间电压信息、以及经转换电路运算获得的功率信息和电能信息，通过安全绝缘性能较强的光纤传送给处于B相的电能计量综合单元主控模块，经时间量的积分运算处理后获得对应的准确电能数据，并能进行及时记录保存。

4 高压电能表应用误差分析

国家电网公司企业标准（Q／GDW 359-2009）：0.5S级三相费控智能电能表（无线）技术规范中明确规定，我国0.5S级高压电能表的有功准确度等级为0.5S、无功准确度为2级，其计量允许误差限值如表 1 所示［4]。

表1 0.5S级高压电能表允许误差限值

为了验证所设计的高压直接计量电能表在10kV配电网计量系统中计量的准确可靠性，按照图1和图2所示高压直接计量系统工作原理和逻辑组成，研制出高压直接计量电能表试验样机，其使用环境为10kV、50A高压配电线路。样机校验范围为试验电压为10%～120%额定电压（即：1kV～12kV）、试验电流为10%～120%额定电流（5A～60A）、功率为5kW～720kW。由于试验条件有限，此处仅对10kV配电网高压直接计量电能表的有功功率分量进行校验，其试验结果如表2所示。

表2 高压直接计量电能表有功功率校验结果

从表2可知，高压直接计量电能表在10kV配电网计量系统中的应用，其最大校验正误差为实际功率230kW时，C相计量误差为0.38%；最大校验负误差为实际功率720kW时，A相计量误差为-0.42%。结果表明，设计的测试样机性能指标能够达到0.5S级标准要求。高压直接计量电能表在10kV配电网中的应用，能灵活完成高压电量直接采集计量功能，可以确保配网每条10kV馈线的电量数据及时、完整、准确的计量统计，方便地为配电网经济调度管理人员线损统计分析提供实时准确的电能数据［5]。

5 结束语

本文介绍的基于高压单相电能直接计量功能模块的高压电能表，可以实现在10kV配电网高压侧对电能直接进行计量的功能，可以对电能计量误差进行整体校验分析，有效提高了高压电能计量准确可靠性。高压直接计量电能表在运行过程中，不会产生铁磁谐振，确保了10kV配电网系统安全经济运行；另外，整个电能直接计量系统均工作在10kV高压侧，在很大程度上杜绝了窃电等非法不安全用电行为的发生。将所设计的高压直接计量电能表，在10kV，50A的高压配电线路上进行挂网试运行校验分析，结果表明，高压直接计量系统具有较高运行稳定性、安全性和电能计量准确可靠性，整体计量准确度能够达到Q／GDW 359-2009技术规范中0.5S级三相费控智能电能表（无线）相关电能计量技术要求。

［1] 陈树勇，宋书芳，李兰欣等.智能电网技术综述［J] .电网技术，2009，33（8）：1-7.

［2] 周新启，刘会金，郑 莎.混合式光电电流互感器高压侧的电源方案研究［J] .继电器，2005，33（18）：71-74.

［3] 刘 欣，杨北革，王 健等.新型高压电能表的研究［J] .电力系统自动化，2004，28（9）：88-91.

［4] 国家电网公司企业标准（Q／GDW 359-2009）：0.5S级三相费控智能电能表（无线）技术规范［M] .北京：中国电力出版社，2009.

［5] 胡 顺，徐芝贵.高压电能表的研制进展［J] .电测与仪表，2008，45（1）：1-3，42.