电能计量系统发展综述

第37卷第11期电力系统保护与控制Vol.37No.112009年6月1日PowerSystemProtectionandControlJune1,2009电能计量系统发展综述李静,杨以涵，于文斌，张国庆,宁伟红（华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206）摘要：基于互感器、电能表和二次接口等方面回顾了电能计量装置的发展历程和原理，对21世纪现代电能计量装置的发展趋势进行了展望，指出数字化、智能化、标准化、系统化和网络化是现代电能计量系统发展的必然趋势。另外，还介绍了几个新型互感器（Rogowski光电式电流互感器、法拉第磁光效应互感器和光学电压互感器），特殊功用的新型电能表（单相电子式复费率电能表、三相预付费电表和数字式电能表）和几种常用电能计量芯片。关键词:电能计量；互感器；计量芯片ReviewofelectricenergymeteringsystemLIJing,YANGYi-han,YUWen-bin,ZHANGGuo-qing,NINGWei-hong(InstituteofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)Abstract:Thispaperlooksbackthedevelopinghistoryandtheoryofelectricenergymeteringdevicebasedonthetransformer,meteringmeterandsecondaryinterface,viewsthedevelopingtrendofelectricenergymeteringdeviceof21stCenturyandpointsoutthatthedevelopinginexorabletrendofpresentpowermeteringsystemisdigitalization,intellectronics,standardization,sytematizeandnetwork.Also,itintroducessomenewtypesoftransformers,includingRogowskiphotoelectriccurrenttransformer，Faradaymagnetopticaleffecttransformerandopticsvoltagetransformer，electricenergymeteringdevicesforspecialpurpose，containingsingle-phaseelectronicmulti-rateelectricenergymeter,threephasepre-payelectricenergymeteranddigitalelectricenergymeter,andsomeusualmeteringchips.Keywords:electricenergymetering;transformer;meteringchip中图分类号：TM71;TM93文献标识码：A文章编号：1674-3415(2009)11-0130-050引言电能计量是通过互感器及其二次回路联合电能表按照规定的接线方式进行组合构成在线电能计量系统来实现的。在电力市场条件下，为保证公开、公平、公正地为电能生产者和使用者提供优质服务，必须建立现代化的电能计量、管理和交易系统。电能计量系统作为提供电能计量的信息源头，对电能计量和管理是至关重要的[1]。1发展历程1.1从电磁式互感器到电子式互感器1.1.1电磁式电流互感器和电压互感器电磁式互感器的工作是基于电磁感应原理,CT的额定输出信号为1A或5A,PT的额定输出信号为100V或100/2V。长期以来，电磁式电流互感器和电压互感器在继电保护和电流测量中的作用一直占有主导地位，但是随着超高压输电网络的迅速发展和供用电容量的不断增长，传统的电磁式互感器已经难以胜任这种工况，因为与这种系统相匹配的电磁式互感器有以下缺点：①绝缘难度大、防爆困难、安全系数下降，特别是500kV以上高压系统,因绝缘而使得互感器的体积、质量及价格均提高;②带有铁心结构且频带很窄，动态范围小,电流较大时,PT会出现饱和现象,影响二次保护设备正确识别故障;③互感器的输出信号不能直接与微机化计量及保护设备接口;④易产生铁磁谐振等[2]。1.1.2电子式互感器随着光电子技术的迅猛发展，一种结构简单、线性度良好、性能价格比高、输出范围宽且易以数字量输出的无铁心式新型互感器—电子式互感器应运而生。国外于20世纪60年代初，我国从20世纪80年代开始研制光电式电压互感器和电流式互感器，现今均已部分挂网试运行。（1）光电式电压互感器（OTV）。它基于Pockels李静，等电能计量系统发展综述-131-电光效应，由光学电压传感头与相应的电子测量电路组合而成。（2）光电式电流互感器（OTA）。主要分为无源型和有源型2种类型。无源型电流互感器是以法拉第磁光效应为原理设计制造的装置,有源型电流互感器是以罗柯夫斯基空心线圈为基础。北京许继电力光学技术有限公司自主研发的基于法拉第磁旋光效应原理的光学电流互感器（OCT）利用光学电流自愈传感技术和抗磁场干扰结构技术解决了法拉第磁旋光效应光学电流互感器两大世界性难题：测量精度的温度漂移问题和长期稳定运行问题，标志着其研制的磁旋光效应光学电流互感器具有工程实用化前景。1.2从机械式电能表到电子式电能表1890年，弗拉里发明感应式电度表，在本世纪得到迅速普及应用，至今已有百余年的历史。随着科学技术的进步，电能表的发展已经历了三个主要的发展阶段[3]。第一阶段：本世纪60年代以前，电能表基本上采用电气机械原理，其中应用最多的是感应式电能表。感应式电能表采用电磁感应原理制成，包括两个固定的铁心线圈和一个活动的转盘。当线圈通过交变电流时，在转盘上感应产生涡流，这些涡流预交变磁场相互作用产生电磁力，从而引起活动部分转动，产生扭矩。第二阶段：感应式电能表具有经久耐用、价格低廉、制造技术较为成熟等优点。然而，传统的感应式电能表就其原理和结构来看，机械磨损、机械阻力、放置角度、外磁场、温度等不同因素会造成种种误差，要进一步提高测量精度是有限的。为了克服感应式电能表的缺陷，从70年代起，人们开始研究并试验采用模拟电子电路的方案。到了80年代，大量新型电子元器件的相继出现，为模拟电子式电能表的更新奠定了基础。在1976年日本就研制出电子式电能表，从此以后进一步准确测量交流电参量，包括电压、电流、功率、电能计量等成为测量领域的主攻方向和热门课题。第三阶段：从90年代末数字采样技术应用于电功率的测量，数字采样技术的电子式电能表是以处理器为核心，对数字化的被测对象进行各种判断、处理和运算，从而实现多种功能。90年代数字采样技术的电能表在工业发达的国家迅速发展，相继出现了多种寿命长、可靠性高、适合现场使用的电子式电能表；1.0、0.5、0.2级精度计量标准适应电力系统中电能计量的要求，从而使电子式电能表相继实现商业化应用，而且当时最高的精度已经达到了0.01级。数字采样技术方案所具有的优点十分明显，例如寿命长、准确度高、维修方便、功耗低等。从本质上讲，数字采样的电子式电能表是最容易和当前蓬勃发展的计算机技术相结合，使得各种复杂的控制自校准数据传输功能都可以很方便地用于电能表中，因而有很强的生命力。电子式电能表的核心计量芯片按工作原理可分为两种：一种采用DSP技术、以数字乘法器为核心的数字式计量芯片，它运用了高精度快速A/D转换器、可编程增益控制等最新技术，即SystemonChip(SoC)技术设计开发平台，国际先进水平的深亚微米高性能电能计量芯片片上系统（SoC）设计平台将DSP内核、可编程增益控制电路、高精度高速A/D转换器、电压基准电路以及其他相关外设集成到一片芯片上，使系统许多方面的性能得以提高；另一种是以模拟乘法器为核心的模拟计量芯片。这两种芯片的基本工作原理有根本的不同，在计量精度、线性度、稳定性、抗干扰性、温度漂移和时间漂移等方面，数字式芯片远远优于模拟式芯片。以数模混合数字信号处理技术为核心的一系列适于不同场合的常用单相和三相电能计量芯片有：①普通单相电能计量芯片AD7755；②复费率、预付费及集中抄表单相专用芯片AD7756;③防窃电单相专用电能计量专用芯片AD7751;④数字式单相视在电能表计量芯片CS5460A;⑤普通功能三相电能计量芯片ADUC812;⑥高精度多功能三相电能计量芯片AD73360;⑦低成本、多功能三相电能计量芯片AD7754;⑧数字式三相视在电能表计量芯片ADE7753等。总之，电子式电能表以它的精确度高、稳定性好、可高倍过载、功能扩展性好和环境适应性强等优势已被电力企业和用户广泛认可与接受，由电子式电能表取代机械式电能表已是大势所趋。1.3从复杂的二次回路接线到合并单元的数字信息输出电子式互感器定义了一个新的物理元件——合并单元。它连续时间合成来自二次转换器的电流及电压数据，即它的任务是将接收到的二次端信号转换为标准数字输出，同时使接收到的同一协议的信号同步。合并单元将7只以上的电流互感器（3只测量，3只保护，1只备用）和5只以上的电压互感器（3只测量、保护，1只母线，1只备用）合并为一个单元组，并将输出的瞬时数字信号填入到同一数据帧中，体现了数字信号的优越性。数字输出的电子式互感器与外部的通讯通过合并单元实现[4]。利用电子式互感器输出的数字信号，使用现场总线-132-电力系统保护与控制技术实现点对点、多个点对点或过程总线通信方式，将完全取代大量的二次电缆线，彻底解决二次接线复杂的问题，可以简化测量或保护的系统结构，减少误差源，有利于提高整个系统的准确度和稳定性，实现真正意义上的信息共享。2几种特殊功用的新型互感器和电能表2.1互感器2.1.1Rogowski光电式电流互感器光电式电流互感器（OTA）虽然具有显著优点，但由于它对温度、振动的敏感性及长期工作的时间稳定性尚待进一步解决，加上其传感头制作要求高、价格昂贵等问题，限制了其推广使用。如果在光电式电流互感器中使用Rogowski绕组，则能较好解决上述问题。在Rogowski光电式电流互感器绕组的两端接上合适的电阻就可测电流,由于绕组导线均匀地绕在一个非磁性环形骨架上，它通过电磁场与主电路电流回路，故具有良好电气绝缘性能。现在国内外已制造出0.2级的Rogowski绕组。现场试用表明，Rogowski光电式电流互感器具有结构简单、安装方便、测量范围宽、精确度高（优于±0.5%）、抗干扰能力强、运行稳定可靠、易以数字输出和性能价格比高等特点。2.1.2法拉第磁光效应电流互感器所谓法拉第磁光效应[5]，如图1所示就是当一束平面线偏振光通过置于磁场中的磁光材料时候，其偏振面发生旋转的现象，其偏振面偏转角为=d=LVHLVHlVNIφΔ=∫(1)其中:V是费尔德常数（rad/A），H是磁场强度（A/m），L是光在磁光材料中通过的长度（m），N为绕载光的载流导线圈数。只要确定偏转角的大小，就可以测出载流导线的电流。而实际测量中将偏转角通过检偏器转化为光强信号，再由探测器将光信号变为电信号，经过放大处理，最终得出待测电流信息。光源法拉第传感头光信号检测与处理系统光纤起偏器磁场H检偏器光纤电信号图1法拉第效应原理图Fig.1SchematicdiagramofFaradayeffect2.1.3光学电压互感器光学电压互感器的测量原理大致可分为基于Pokels效应和基于逆压电效应或电致伸缩效应[6]两种，现在研究的光学电压互感器大多是基于Pokels效应的（包括集成光学电压互感器[7]）。Pokels效应就是某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生相应的变化。这些微小的变化将产生明显的光学效应，可以借助双折射效应和干涉的方法精确地测量出来。电光晶体种类较多，其中BGO（Bi4Ge3O12）晶体理论上无热释电性