高电压技术论文:高电压分相计量电能脉冲实现技术

第30卷第4期２０10年4月

ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

电力自动化设备

Ｖｏｌ．30Ｎｏ．4Apr.２０10

高电压分相计量电能脉冲实现技术

郭琳云1，尹项根1，严新荣2，赵小林3

（1.华中科技大学电力安全与高效湖北省重点实验室，湖北武汉430074；

2.中国华电集团公司，北京100000；3.武汉国测科技股份有限公司，湖北武汉430223）

摘要：由于高压电能表相间存在高压电位差，各相电能信息需通过光纤或无线通信等方式进行高速通信，从而造成硬件成本高。提出一种基于高电压分相电能计量和慢速率通信的电能脉冲实现方法，将A、C相分别计量的电能信息在B相电能综合单元中进行综合及累加，计算本周期的电能增量，并将电能增量所对应的电能脉冲在下个周期内均匀地发出。理论和实际均表明该实现方法能在保证智能设备计量准确度的同时，大幅降低硬件成本。关键词：电能脉冲；计量准确度；高电压；分相计量；通信中图分类号：TM933.4

文献标识码：B

文章编号：１００６－６０４７（2０10）04－０112－０3

Ua高压电压互感器低压

在电能计量领域［１-７］，近年来出现的一体化高压电能表，由于与物理电网集成在一起，减少了中间环节的计量误差，显著提高了计量准确度。

本文重点研究此类新型计量设备的关键技术———高电压分相计量电能脉冲实现技术。中国的输配电网络绝大部分采用三相传输方式，如果将智能二次设备集成在物理电网上，相与相之间存在高电压差，从而无法像工作在低压侧的传统三相电表一样，将低压侧三相电压、电流信号直接接入专门的三相电能计量芯片，而得到电能量和相对应的电能脉冲。相间数据通信需要靠光纤或无线方式传送，如何保持相间数据同步成为技术关键。本文提出了一种实用的高电压分相计量技术，使其在不增加通信器件成本的基础上，实现高准确度的电能计量。

UbUc

IaIbIc大电流

电流互感器

小电流

三精密小电压、电流互感器相

弱电流电弱电压

子三相电能计量芯片式电能

ＣＰＵ表

电能脉冲输出

图1三相电子式电能表工作原理示意图

Fig.1Workingprincipleofthree-phase

electronicenergymeter

1

1.1

电能脉冲实现方式比较

三相电子式电能表

传统三相电子式电能表为典型二次设备，如图1所示，即通过电压互感器和电流互感器将高压侧的信号转换成低压信号，再通过电能表内部小精密电压、电流互感器将接入的三相电压、电流转换为弱信号，送入专门的三相电能计量芯片［8-9］。在芯片中转换为有功功率、无功功率、视在功率、复功率等电能信息，并产生相应的电能脉冲［10-11］。

从图1可以看出，三相电压、电流经过电力互感器以及精密互感器的转换后，相与相之间电压差很小，在几伏数量级。可以直接输入至三相电能计量芯片，不存在高电压分相计量问题。1.2一体化高压电能表

一体化高压电能表［１］将原来处于电气二次回路的智能电路集成在电气一次侧高压电位上工作。如图2所示，结构上A、B、C三相之间各自独立。A相电能计量单元、C相电能计量单元、B相电能综合单元

收稿日期：２009－10－16；修回日期：２009－11－21

分别集成于对应相的一次输电线路上，电位与输电线路相同，由于相间存在高电压差，所以无法将三相电流、电压信号一起接入专门的三相电能计量芯片来产生电能脉冲，而只能采用分相计量的方法［12］。A相、C相分别采用单独的电能计量芯片计量各自的电能量，再把这些电能信息通过光纤隔离传输到B相电能综合单元进行综合累加，最终由电能综合单元输出电能脉冲。

需要说明的是，还有一种采用光电式互感器的高压电能表，虽然工作在高压侧，但这种电能表通过

高压Ua大电流Ｉa电压电流传感器传感器

高压Ub电压传感器

光纤高压绝缘

高压Uc大电流Ｉc电压电流传感器传感器

光纤高压绝缘

A相电能计量单元高压等电位

Ｂ相电能综合单元高压等电位电能脉冲输出

C相电能计量单元高压等电位

图2一体化高压电能表工作原理示意图

Fig.2Workingprincipleofintegrated

high-voltageenergymeter

第4期

郭琳云，等：高电压分相计量电能脉冲实现技术

光电互感器将三相高电压、大电流信号转换为低电压、小电流信号接入到电能计量单元，其电能计量单元实际上还是工作在低压区进行计量，因此一般采用专门的三相计量芯片来产生相应的电能脉冲［13］。

2高电压分相计量电能脉冲的产生

上述高电压分相计量的一体化高压电能表，需要B相电能综合单元不断地判断实时得到的电能增量，看是否达到相对应的单位电能脉冲输出电能量而产生电能脉冲［１４-１５］。为了满足较高的电能计量精度要求，A、C相分别完成电能计量的时间非常短，并与B相电能综合单元进行光纤通信传递电能量信息的速率非常快，这就要求电能计量单元和电能综合单元的CPU性能非常高。

本文提出一种基于分相电能计量和慢速率分时通信的电能脉冲实现方法，在保证计量精度的同时，大幅降低通信速率，减少了硬件成本和设计难度。

3高电压分相计量电能脉冲实现技术

电能计量单元以系统半周波为单位进行电能累加，电能综合单元以时间T为周期向电能计量单元读取一次电能数据，得到时间T内各计量单元内电能的增量，由于高压电能表按多功能表要求设计，因此电能综合单元负担的任务多，数据处理工作量大，取数时间间隔T不可能太短。

为保证基于分相计量的高压电能表在较长取数周期T和较低通信速率的条件下满足计量精度的要求，在电能综合单元中对接收到的电能增量进行细化处理，即分别将电能增量和时间T进行N等分，并以等分后的时间和增量进行累加并与单位脉冲的电能增量进行比较，满足条件时发出电能脉冲。

如图3所示，现采用时间周期为T的慢速率通信方式，即A、C相电能计量单元分别以时间T为周期，计量各自电能量后向B相电能综合单元发送，由B相进行电能综合后得到该时刻电能。设0时刻B相综合来自于A、C相的电能量为0，t1时刻为E1，tn-1时刻为En-1，tn时刻为En，tn+1时刻为En+1。考虑电能计量单元和电能综合单元CPU的性能，以及每个时间周期T内电能累加量，将T进行合理的N等分。

每个时间周期T内电能增量会发生变化，即tn-1

~tn时间周期T内电能增量ΔEn和tn~tn+1时间周期T内电能增量ΔEn+1并不完全相等，如图3所示，因此需要对每一周期T内电能累加梯度进行调整，每次均以B相通信得到的综合电能量为累加初值，以前一周期T内电能增量的1／N为累加步长。例如，在时间周期tn~tn+1内，以tn时刻通信得到的综合电能En计算ΔEn，以ΔEn的1／N为本周期的累加步长。

现假设在时间周期tn-1~tn内，以前一周期电能增量ΔEn-1的1／N作为累加步长随时间Ｔ／Ｎ进行逐次累加，当累加电能达到单位电能脉冲电能量时便发出１个电能脉冲，累加计数减去单位电能脉冲

EE将ＴＮ等分ΔEn+1EΔEn+1nEΔEn

n-1E…

…

1ΔE1

t1

tT／ＮTtntttn+1

n-1

图3电能脉冲实现原理图

Fig.3Realizationprincipleofelectricenergypulses

电能量，剩余累加值继续进行电能累加，若到达所需电能量时再次发出电能脉冲，一直到这个周期T完成到达tn时刻时，B相电能综合单元与A、C相电能计量单元再次进行通信，接收来自A、C相的电能并综合为En，于是在tn~tn+1时间周期T内，以电能增量ΔEn的1／N进行逐次累加。

如果上述数据发送周期T取为0.5s，N取为500个等分周期，对于一般的单片机或DSP等微控制器，均可满足T和N的这个取值要求，该电能脉冲实现方法理论上对计量准确度不造成影响。

4结语

本文提出高电压分相计量电能脉冲输出实现技术，可在慢速通信方式下输出满足精度要求的电能脉冲，从而大幅降低了设备的生产成本和设计难度。参考文献：

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（责任编辑：李玲）

作者简介：

郭琳云（1973-），女，河北藁城人，博士研究生，主要研究方向为高压电能计量技术、电力系统自动化等；

尹项根（1954-），男，湖北武汉人，教授，博士研究生导师，主要研究方向为电力系统继电保护；

严新荣（1972-），男，江西新余人，高级工程师，主要研究方向为高压电气机节能技术；

赵小林（1981-），男，湖北武汉人，硕士，主要研究方向为电力计量、电力测试（Ｅ-ｍａｉｌ：[email protected]）。

Realizationofenergypulsebasedonseparatedphasemetering

GUOLinyun1，YINXianggen1，YANXinrong2，ZHAOXiaolin3

（1.ElectricPowerSecurityandHighEfficiencyLab，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，China；2.ChinaHuadianCorporation，Beijng100000，China；

3.WuhanGuoceScienceandTechnologyCo.，Ltd.，Wuhan430223，China）

Abstract：Asthereishighpotentialdifferenceamongthephasesofthehighvoltageenergymeter，opticalfiberorwirelesscommunicationisneededtoquicklytransfertheenergyinformation，whichmakesthehardwarecosthigh.Therealizationofenergypulsebasedonseparatedphasemeteringandlowspeedcommunicationisproposed，whichseparatelyacquirestheenergyinformationofphaseAandC，integratesandcumulatestheminphaseB，calculatestheenergyincrementofcurrentperiodandequablygeneratesthecorrespondingenergypulsesduringnextperiod.Theoryandpracticeshowthatthehardwarecostisgreatlyloweredwhilethemeasurementaccuracyensured.

Keywords：electricenergypulse；measurementaccuracy；highvoltage；separatedphasemetering；communication

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Designandanalysisoflarge-currenthigh-speedinterrupter

basedonexplosivepiston

YＡＮＧFeng，ZＨＡＮＧXiaofeng，DＡＩChao，ZＨＵＡＮＧJinwu（CollegeofElectricalandInformationEngineering，NavalUniversityofEngineering，Wuhan430033，China）

Abstract：Accordingtothedemandsoflarge-currentandhigh-temperatureenvironment，large-currenthigh-speedinterrupterisinvestigated，whichisthekeycomponentofhybridcurrent-limitingfuse.ThestructureandoperatingprincipleoftheinterrupterbasedonexplosivepistonareintroducedanditsthermoelectricmodelbasedonANSYSisbuildtosimulatethetemperaturerise.Thecalculationformulaisdeducedforthedetonatorquantitytoreliablybreaktheinterrupter.Basedonthese，a2500A／320Vprototypeisdevelopedandexperimentsarecarriedout，whichshowsthat,thetemperature-riseofdetonatorchamberis29Kunderratedcurrentandtherequirementofhigh-temperatureenvironmentismet；thetestedexplosivebreakingtimeisabout110μswiththedesignedexperimentalcircuit,thecalculateddetonatorquantityisprovedcorrectandtherequirementofpowersystemforshort-circuitcurrentlimitingissatisfied.

ThisworkissupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina（50877078）andtheScienceFoundationofNavalUniversityofEngineering（HGDJJ08039）.

Keywords：short-circuitprotection；hybridcurrent-limitingfuse；explosivepiston；high-speedinterrupter