基于电子式传感器的高压计量装置

及其远程测试系统的研究

珠海威瀚科技发展有限公司 邱嘉文

摘要：本文首先陈述了电子式传感器优越于电磁式互感器的研究背景，并从国内外研究现状的了解中确定，基于电子式传感器的高压计量装置必然得到发展的趋势。在陈述了作者认为的现有基于电子式传感器的计量柜的主要问题之后，作者详细介绍了自己研究的解决方案和基于这个方案所进行的试验测试工作，最终给出该方案是一个行之有效的产品方案的结论。

一.研究的背景

电能计量柜作为电能计量装置的一种，具有封闭性好，安全性强的特点，适宜安装在户内户外，便于供电公司加强技术管理。DL/T448-2000《电能计量装置技术管理规程》明确规定，10KV及以下电压供电用户用于结算的电能计量装置，应配置全国统一标准的电能计量柜。但传统的电能计量柜大多采用传统的电磁型互感器，具有体积大，重量重，带有铁磁体，频带窄，易饱和且饱和时二次信号波形畸变，测量误差大，从而导致计量不准，电量损失大，严重时还会发生安全隐患，而且在互感器二次信号接入电子式的电能表时，也需要把大功率信号变换成小功率信号才能进行A/D转换处理，增加了转换环节，消耗更多的信号调理和转换的成本，引入了更多的处理过程误差，这是极其不合理，不科学的。

现有的高压计量装置体积大，重量大，智能化程度低，工作轮换周期短，现场监测检验困难，随着用电负荷的不断增长，对传统的高压计量装置靠人工维护和检测带来的工作压力和运营成本逐渐成为供电企业日益突出的难题。开发新型的电子式的，既节能环保，同时又易于和信息系统无逢集成，实现自动化的监测和维护的新一代高压计量装置，已经成为当务之急。

二.国内外研究现状

开发新型的电子式的电压和电流互感器成为近年电力系统热门的研究课题之一，国内外不少研究机构和厂商纷纷投入大量的资源进行研究和开发，并取得了可喜的进展。已经有部分新型的电子式电压和电流互感器投入到保护和监控测量领域的应用，部分产品已经达到了计量要求的精度等级，新型电子式电压和电流互感器与电子式电能表结合，成为计量装置技术发展的一个新的亮点。

国内外对电子式电流和电压互感器的研究起步比较早。主要的研究方向有两个方向：早期方向是结合光电子技术研究开发的光互感器，根据法拉第光电效应原理，也就是光线在不同强度的电场作用下，产生不同程度的偏转的原理，利用光纤的自身的绝缘性能既解决绝缘耐压的问题，又解决信号传输的问题，还大大减轻了互感器的重量和体积。近期的研究的方向是：电子式电流互感器采用罗哥夫斯基（Rogowski）线圈和轻载线圈的基本原理；电子式电压互感器采用电阻或电容（阻容）分压原理，直接将一次测的高压大电流信号，按比例降低为低压弱电信号，经过电子转换电路处理变为可直接输入到测量或保护装置中的数字信号。ABB公司近期研制生产的一种基于电子式传感器的高压计量装置，就是采用电阻分压器，以及罗哥夫斯基（Rogowski）线圈内置数字积分器的原理的。

三.现有研究成果和产品的主要问题

现有研究成果和产品在技术上已经基本成熟，其主要问题是技术方案比较复杂，成本过高，产品批量生产一致性难以稳定，导致产品目前仍无法推广应用。造成这种局面的主要原因如下：

1．      电阻分压原理的电压传感器容易受到外电场干扰。如不对传感器本身施加抗干扰措施或抗干扰措施不力的话，要使电压采集精度稳定可靠，就必须对转换处理系统增加大量的电子抗干扰措施，如数字滤波处理。这一方面增加了处理成本和处理系统的复杂性，二方面没有从根本上解决干扰问题。

2．      采用罗哥夫斯基线圈的电流互感器内置数字积分器的电流互感器能较好的解决磁场干扰问题，但由于罗哥夫斯基线圈本身生产工艺的复杂性，对保证产品性能的一致性方面比较困难，做到精确的一致性仍需要比较高昂的代价。

3．      采用光电原理的电子式传感器能较好解决强电磁干扰和绝缘强度问题，但也存在产品批量生产的一致性问题，采用霍尔原理的传感器，由于本身原理局限，也不能很好解决强电磁干扰环境下达到较高高精度的问题。这些传感器产品都不大适合在10KV计量装置中使用。

4．      由于基于电子式传感器的高压计量装置是一种新生事物，对该类装置的测试检验手段欠缺。主要是由于电子式传感器不采用电磁感应原理，利用现有的互感器测试仪无法对传感器进行单独的检定和测试，因而也就无法在计量装置整体上对计量装置的精度指标进行衡量和检验。

四.解决方案的研究

针对上述主要问题，本文作者经过广泛了解、仔细的分析研究和实验探索，确定了一整套新的基于电子式传感器的高压计量装置及其测量系统方案，并对该方案进行了产品试制、现场试点运行，和测试调整试验，取得了一系列令人鼓舞的成果，为产品的批量化生产和应用积累了丰富的经验，新的解决方案的主要进行了如下两方面改进：

1．      通过提高元件的抗干扰能力简化计量柜整体结构

主要采取的手段是：采用经过对抗干扰技术进行过独特改进的电阻分压型的电压传感器、使用纳米晶铁芯的高饱和度轻载线圈的传感器和具有低电压低功率模拟接口的数字式多功能电表直接通过屏蔽电缆连接，直接对三相电气数据进行采集和计量，通过增强抗干扰能力简化系统结构，减少误差环节，实现精确计量。

2．      利用远程测控手段进行现场对比测试

主要采取的手段是：利用已有的负荷管理系统的功能采集试点用户原有的运行参数，通过新型计量柜和原有基于电磁型传感器的计量柜并列在一条进线上运行，以原柜的计量数据为标准值，以新型计量柜数据为待测和待调整值。在新型计量柜中增加一个GPRS远程测试控制终端,用来接收远方测试指令，向测试中心提供新型计量柜的运行参数，并接受误差调整指令，对计量误差进行调整。以检验新型计量柜在现场实地运行环境中，能否通过远程的误差调整手段达到和传统型计量柜同等精度要求。

五.解决方案的实施

新的解决方案实施要点主要是电压传感器的干扰屏蔽的改进和整个测试系统的部署和测试运行，以下对这两个要点进行重点介绍：

1．  对电阻分压器屏蔽的改进

2．  远程测试系统的实现方案

远程测试系统的主要目的是对比测试新型计量柜和传统的基于电磁式互感器的计量柜的现场运行表现，并测试新型计量柜的远程误差调整手段的有效性。其次，远程测试系统还通过积累现场运行数据，为未来开发设计用于产品出厂试验的动态测试系统积累经验。

作者实现的电子式计量柜远程测试系统的方案如图2所示，整个试验系统是由供电公司和产品研究开发单位以及工程试点单位三家联合组成的一个远程试验系统。产品研究开发单

位提供新型的基于电子式的电压和电流传感器的计量柜（以下简称“试验柜”）和试验研究 

后台系统软件。供电公司选择其试点用户，并利用新投运的负荷管理系统负责收集试点用户原有的基于电磁式传感器的计量柜（以下简称“对比柜”）。试点用户提供试验现场和设备运行的实地环境。整个试验以不影响对比柜的运行和计量准确性，不影响供电公司负荷管理系统运行为基本原则进行设计，确保在不影响原供电能力和安全可靠性前提下，达到试验目的。

如图3，系统采用试验柜和对比柜串连在同一负载回路上进行电能计量。试验柜在先，对比柜在后。确保试验柜运行不影响对比柜对用户电能计量的准确性。

试验柜配备专门开发的远方测调终端，可以通过485接口和电子式多功能表通讯，按指定时间抄取电能表数据，并下达计量精度调整指令，对电能表计量精度进行调整。远方测控终端通过GPRS网络直接和产品研究开发单位公司的上位机通讯，上位机通过发送指令和接受数据来获得现场数据，调整控制现场计量系统的计量精度。

对比柜是试点工程单位原有的计量柜，在试验开始时需要进行短时停电，以便安装试验柜，在试验进行阶段中，其照常运行，不必做任何改动。对比柜已经安装了用电现场负荷管理终端，该终端可以通过485接口和多功能表通讯，抄取多功能表运行数据，并通过GPRS网络将数据发回到供电公司的负荷管理中心的后台系统。

在试验过程中，供电公司配合定期将负荷管理系统中与对比柜的部分用电数据导出，通过电子邮件的方式发到产品研究开发单位。产品研究开发单位根据测调终端测到的试验柜数据和对比柜数据进行比较，根据比较结果远程调整试验柜中的计量精度控制参数，然后再次进行一段时间的运行观察和记录。

进行这样的多轮的测试调整，记录测试数据，进行分析总结，发现试验柜的计量数据能够在以对比柜数据为中心，包括对比柜数据在内的的稳定的相差级别范围内任意控制和调整，证明试验柜至少可以稳定地运行在对比柜精度等级上，根据可调整的精度等级差的大小，研究发现新型计量柜还有可能运行于更高的进度等级上。所得到的现场运行测试数据，也将是未来设计计量柜动态测试调整系统的宝贵基础。

六.结论

通过本文作者的上述研究和试验的工作，发现了一种对电阻分压器的更有效的屏蔽设计方案，从而有效地在传感器源头最大限度地抑制了误差的来源，使得一种结构简化的基于电子式传感器的计量柜得以实现，通过现场测试运行表明，这种结构简化的基于电子传感器的计量柜，可以达到甚至超过目前广泛使用的基于电磁式互感器的计量柜的精度指标。如何完善产品的结构，如何在批量生产条件下实现对产品的快速检验和校准，将是下一步的主要研究课题。