基于电阻分压式组合互感器的三相三元件高供高计计量方法_张革.pdf

基于电阻分压式组合互感器的三相三元件高供高计计量方法张革，鲍丽光，贺磊，梅振鹏，张晓宇（国网天津市电力公司，天津 ）摘要：为了提高电表计量方法的准确性，避免用户电费的损失，提出基于电阻分压式组合互感器的三相三元件高供高计计量方法。设计电阻分压式组合互感器前端采样电路采集电压与电流的信号，在高供高计计量方法条件下，利用组合互感器的等效电路计算电压数据，通过对称分量法获取电流数据，基于 变换公式转换采集的电压与电流信号，并测算出有功功率与无功功率数据。选取电阻分压费控成套柱上断路器配电设备进行仿真试验，采用所提方法对电能进行计量，其校验互差数平均值为 ，远小于国家标准参数，证明了所提方法的计量精度较高，具有一定的实际应用性能。关键词：电阻分压式组合互感器；三相三元件；高供高计；计量方法中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：作者简介：张革（），高级工程师（副高），研究方向为电力营销、线损管理、防窃电技术等；鲍丽光（），硕士，研究方向为线损管理、负荷预测、数据分析与模式识别等；贺磊（），硕士，研究方向为线损管理、用电检查技术等；梅振鹏（），高级工程师（副高），研究方向为电费电价技术、抄核收技术、线损技术、负荷预测等；张晓宇（），研究方向为电力营销、反窃电技术等。引言随着国家电网的改革，目前我国多数城市已经处于“一户一表”的模式。在电力系统的供电过程中，电能计量是保证电网与用户之间安全性的重要一环，电力系统运行的安全性间接影响到我国的经济效益以及社会效益。目前电能计量的技术水平参差不齐，而电能计量的精准度直接关系到用户结算电能量的公平性，也关系着电网供电线路的损耗情况，所以电能的精准计量关乎我国电力事业的发展和广大用户的合法权益。但现在我国大多数的智能电表会受到外界干扰，严重影响了电能的计量，并直接影响到国民利益。因此，魏伟等人针对数字化电能表较电子式电能表计量及检测差异性展开了详细的研究，对数字化电能表的计量性能进行有效检测。周贤富等人将 电工技术电力设备 结构应用于电能计量装置中，实现电能的有效计量。夏伟钊等人通过 算法评价三相电能表计量模型。但是以上电表计量方法在实际应用中的计量结果不稳定，容易因电流电压的变化而影响计量的准确性，降低了电力用户结算的工作效率。为了解决上述问题，本文基于电阻分压式组合互感器，对三相三元件高供高计计量方法展开研究，为电力用户结算工作提供技术支持。设计电阻分压式组合互感器前端采样电路本文提出的电阻分压式组合互感器是通过传统的互感器优化而得，其将光电隔离与数字信号处理等技术融于自身，形成一个完整的信号采集转换系统。电压与电流信号的采样环节利用电阻分压式结构设计，基本原理就是通过电阻来划分高压与低压，电路图如图所示。图采样电路图采样电路中的高低电压桥臂用两个电阻构成，其中为互感器输入的电压，为经过互感器转换后的输出电压，此处设计由低电压桥臂处输出电压的目的是避免低电压两端出现过电压情况，损坏后面电路。在此电路中，为了实现光电环节设计，在低电压的电阻处加入稳压二极管，并且此二极管的击穿电压需要低于最大输出电压。为了提高后续计量的准确性，此互感器装置需满足如下条件：互感器进行电压电流采样时，要避免受到外界环境的影响，并且不可以用电磁干扰互感器。此采样电路中的两个电阻应该使用阻值较大的精密电阻，精密电阻可以大幅度降低阻值数据误差，并且为提高互感器对外界温度的抗干扰性，可以使用温度系数值一致的精密电阻，这样在计量电能数据时，就可以降低互感器工作产生的额定功率消耗，甚至不会对计量电能的幅值造成误差；电阻分压器可以通过密封来降低外界环境的干扰，为避免外界电磁影响，也可以将电阻放于电磁屏蔽容器内。设计高供高计计量方法一般电网的高压计量方法可划分成高供高计与高供低计两个类型，当供电高压传输到用户端时，可以在电力变压器的高压部分设置电能计量设备，这样进行高压的计量时就不需要特意测算变压器功率损耗，因为其损耗数据已经展现在计量设备的抄见电量中。基于电阻分压式组合互感器的电压计算利用电阻分压式组合互感器计量电压与电流时，无法直接地计量，而需要对电压与电流进行变换操作。按照组合互感器的等效电路模型，一次回路中可以获得：（）（）（）（）式中，为电力系统中连接变压器一次绕组的电压数据；为电力系统中连接变压器一次绕组的电流数据；为电力系统中连接变压器一次绕组的阻抗数据；为一次绕组的感应电势数据；为阻抗 里的电阻数据；为阻抗 里的漏磁电抗数据；为电力系统一次绕组的系数值；为一次绕组的激磁阻抗数据；为的激磁电流数据；为互感器损坏导致的中的等效电阻；为中的激磁电抗数据。由式（）可以获取二次回路：（）（）式中，各参数 为 电 力 系 统 中 连 接 变 压 器 二 次 绕 组 的 各数据。电阻分压式组合互感器的一次绕组与高压线路连接，二次绕组与计量仪表连接，所以一次绕组的匝数是二次绕组匝数的很多倍。当一次绕组与二次绕组不同时，可以对二次回路中的系数值进行折算操作，将其变为，折算操作过程中使用的参数是电阻分压式组合互感器中的变比数据。按照这个关系，将二次回路计算电压公式折算到一次回路为：（）式中，为变比值，并且 。电网在供电过程中发生故障现象，出现过电压时，电阻分压式组合互感器的铁心饱和，导致输出电压不会正比例加大，从而可以对计量仪表起到保护作用；而且该互感器绝缘性较好，在电压转换操作时会进行隔断，所以基于此互感器进行计量，可以保障计量仪与计量人员的安全。基于电阻分压式组合互感器的电流计算在高供高计电力计量方法中，电流的计算是一项重要步骤。若三相三元件的电流为不对称模式，则需要通过对称分量算法将电流划分为三种类型，并分别计算正、负、零序电流。受电阻分压式组合互感器的影响，对于三相三元件电能表，零序激磁电流形成了三个零序磁通，并且这三个磁通为同相，同相的磁通不可以在互感器铁心处形成闭合的磁回路，此时需要利用铁心外面的油道、铁壁等装置生成闭合磁回路，并且此回路的磁电阻值较大，所以零序激磁电流产生的阻抗值很小。对于互感器中两个绕组的连接形式，零序激磁电流不可以在高压位置流通，并且不能由低压处转向高压处，此时电路为开路，但是正序与负序的激磁电流可以通过低压处转向高压处，那么正序、负序、零序电流的计算公式为：电力设备电工技术（）（）（）式中，为正序激磁电流数据；为负序激磁电流数据；为零序激磁电流数据；为相的电流值；为三相三元件变压器的变比值。当相有负载，其他两相无负载时，故障相正序、负序、零序电流大小相等，方向相同，其短路电流是正序或负序或零序电流的倍。基于此方法计算电流，可以将计量仪表、继电器等装置的一次电路隔断，这样既可以避免一次电路中的高电压引入计量仪表等装置，也可以避免计量仪表、继电器等装置发生短路故障时影响一次电路的正常运行，进而可以提升计量过程的可靠性。基于电阻分压式组合互感器的功率计算将电压与电流的采样值通过 转换成序列，再利用函数计算出有功功率与无功功率数据，获取电能参数。经过优化离散傅里叶变换公式获得 算法，公式为：（）（）（）（）式中，为采集的离散信号在一个周期内的序列信号点；（）为采集的离散信号在一个周期内的序列；为离散信号。由式（）可知，采集的电压与电流信号经过 计算后，都拥有了现实物理意义，这也是此算法的特点，但是进行 变换的条件与信号变换后各序列点的实际意义还需要解决。在采集离散的电压与电流信号时，需要满足采集的信号频率不低于解析信号最大频率的两倍，这样才可以成功实现 转换电压、电流数据。基于此情况，假设已经采集的个序列信号点需要实现解析，那么序列（）就是包括个点的复数序列，并且此序列中前半部分的信号点与实际的频率相互对应，为采样信号处理过程中的直流分量点，而在剩下的序列信号点中，点（）的频率为：（）（）式中，为采集的离散信号的频率数据；为离散信号点点的实际频率数据；为序列信号点实际频率的分辨率（），并且。基于 计量电能就是将电压、电流的采样序列信号转换成功率数据，然后再将功率数据与时间相乘获得电能参数，所以计量电能最重要的步骤就是计算对应的功率。通常情况下会设采集序列信号点是偶数，则功率计算公式为：（）（）（）（）（）（）（），（）式中，（）为 经 过 计 算 后 获 取 的 电 压 信 号 序 列；（）为经过 计算后获取的电流信号序列。根据式（）计算有功功率与无功功率参数：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中，（）（）为采样信号处理过程中的直流分量点的有功功率数据。此功率计算式是基于 的实际物理意义获取的，仅通过变换电压与电流序列的前一半数据，利用实虚四则计算方法获取功率参数。（）可以表示与之对应的频率下的电压信号数据，（）则表示与之相反的电流信号数据。通过复功率的含义和向量乘积公式可知，（）与（）可以用来获取功率，基于 实际意义获得的式（）只通过电压与电流序列的前一半数据，就可以获得有功功率与无功功率。与那些使用全部序列点计算的公式比，基于 的公式计算量较小。在获得有功功率与无功功率的数据后，利用四象限功率测量方式，判断此时功率的运行状态，进而达成电量的高供高计计量。试验验证 试验环境为验证本文提出的基于电阻分压式组合互感器的三相三元件高供高计计量方法的应用性能，设计仿真试验进行验证。选择某电力公司 供电区域安装电阻分压费控成套柱上断路器配电设备，以此作为试验的对象，并安装电能质量测试仪对此处电能质量进行监测。选取的电阻分压费控成套柱上断路器配电设备采用的是三相三元件，并集成了电阻分压式组合互感器、电力式电流互感器、电子互感器接入式电能计量表等设备。此装置使用全封闭、全绝缘的方式，不仅可以精准计量电能数据，还可以实现防窃电、防线损等功能。电能质量测试仪需要在试验开始前设置标准、合理的校验圈数与电表常数。测试计量精度利用电能质量测试仪监测、记录下电阻分压费控成套柱上断路器配电设备计量的电压、电流、有功功率与无功功率数据，计算出此设备的校验互差数据，并与国家规定电表计量精度进行对比，判断本文所提方法是否有效。电阻分压费控成套柱上断路器配电设备计量的电压、电流、有功功率与无功功率数据见表。电工技术电力设备表设备计量电能数据结果测量相位电压 电流有功功率无功功率 相 相 相 由表可以看出，电阻分压费控成套柱上断路器配电设备可以实现电能的计量。再根据表数据计算出设备的校验互差数据，判断其计量精度。设备的校验互差数据如图所示。图 校验互差数据图由图可知，电阻分压费控成套柱上断路器配电设备三相的电能计量校验互差值均在 的范围，且校验互差数平均值为 ，而国家电网公司发布的 三 相 智 能 电 表 的 电 能 测 试 允 许 误 差 为以下，因此本文所提出的基于电阻分压式互感器的三相三元件高供高计计量方法的精度远高于国家标准，不仅解决了产权分界点的计量方式问题，还解决了高供高计计量不准的问题。结语本文设计的基于电阻分压式组合互感器的高供高计计量方法，解决了现有电能计量方法的不合理性，并且提高了高压的计量精确度，具有较好的应用性能。但是受时间的限制，本文所提的基于离散傅里叶变换公式优化的 算法，在互感器采集电压与电流信号时样本数据不够全面，容易使试验结果存在局限性，因此在今后的研究中还需继续完善本文提出的方法，在节约更多成本的前提下打破局限性，以满足电能计量需求。参考文献 魏伟，唐登平，李帆，等数字化电能表较电子式电能表计量及检测差异性研究电测与仪表，（）：周贤富，尤子龙，李静，等基于 的直流充电桩高精度电能表的研究电测与仪表，（）：夏伟钊，滕欢，曹敏 基于 算法的三相电能表评价模型研究电测与仪表，（）：王楚，张利莉，张国帅直流电阻分压器的非线性机理研究计量学报，（）：黎海生，许明柱，唐坚钊，等全模块化防窃电低压计量装置及其关键技术研究中国测试，（）：（上接第 页）方法的有效性。结语本文以变压器局部放电信号为边际谱图像的处理数据，以二维散点图自主提取图像信息，对放电信号在不同技术下的识别情况进行分析，并对比分析了本文方法与传统检测方法的结果。本文重点研究了变压器的局部放电检测技术。对变压器局部放电检测技术和图像