CN101324657B - 变电站高压计量用互感器在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种变电站高压计量用互感器在线监测方法，其包括以下步骤：步骤a：利用若干传感器单元完成对变电站若干高压计量用互感器在线采集信号的变换功能；其获取的值包括：高压电压互感器的二次压降值、高压电压互感器二次出线电压、高压电压互感器总回路的电流以及高压电流互感器二次侧回路的电压和电流；步骤b：由在线监测终端进行信号调理、模数转换和数据计算，并进行数字信号传输，上传计算结果和波形数据；步骤c：由站方监测站上完成对所管辖的在线监测终端的通信管理、数据处理、分析诊断，并将有关数据上传局方监测主站；步骤d：由局方监测主站完成数据的存储、查询、维护以及与其他系统通信。

Description

变电站高压计量用互感器在线监测方法

技术领域

本发明涉及的是一种对高压电气设备在线检测的方法，特别涉及的是一种通过在线的方式解决计量用互感器现场使用的精度问题、校验问题。包括：电压互感器二次压降在线测试、电压互感器二次负荷在线测试、电流互感器二次负荷在线测试、电压互感器误差在线测试、电流互感器误差在线测试、绝缘在线测试方法。 

背景技术

由于目前在电力系统中普遍实行的定期检修制度已不适应电力系统改革发展的需要和电力用户对供电可靠性的要求，电力企业已迫切需要推行在国际上更先进的状态检修，即根据设备的运行状态确定是否需要维修和如何维修，而在线监测是对高压电气设备实行状态维修的必须和有效的手段。计量检定的实际工作中还存在下列问题：已经检定的互感器存在误差变化的情况；电力系统要求尽可能的缩短检验时间；实验室与现场检验结果相差很大(两者负载不同、环境不同)；离线检测工作量大、实时性差。 

目前国内在线监测较先进的技术主要是分层(级)分布多CPU式在线监测系统，采用模块化设计和现场总线控制技术，通过网络把若干个监测数据汇集到相关管理部门的数据管理诊断系统上，以实现对多个设备状态实时在线监测，每一层完成不同的功能，由不同的设备或子系统组成，层次和功能清晰，现场维护和故障处理较为方便。 

目前在线监测系统大体有三种模式：集中式在线监测系统、分区集中的模拟总线在线监测系统、分布式的数字化在线监测系统。其中， 

集中式在线监测系统是通过大量的屏蔽电缆将模拟信号由现场传感器引导至控制室的计算机，计算机通过扩展其外围电路，集中采集各路模拟信号，进行数据处理和检测。 

分区集中的模拟总线在线监测系统是根据变电站设备的分布情况将被测信 号分成若干个区域，分别进行汇集和选通，然后通过模拟信号传送到控制室计算机系统。该方式的主要进步是减少了现场电缆量，但在信号抗干扰传输和同步测量上仍无改进。 

分布式数字化系统从根本上解决了模拟信号长距离传输易受干扰、同步测量和减少现场工程量的问题。分布式系统由安装在变电站内的数据采集及处理系统、控制室内的站内主控系统构成。 

例如中国专利公开号101074988A名称为高压电压互感器计量误差实时在线监测方法及监测装置、中国专利公开号为101093250A名称为高压电流互感器计量误差实时在线监测方法及监测装置、中国专利公开号101074987A名称为高压电能计量装置综合误差实时在线监测方法及监测设备。都提出了一种有线和无线技术相结合的开放式在线监测，但是，却没有统一的现场采集通讯系统，对一个设备的监测就需要一个采集监测工作站，投资较大，浪费资金，日常运行维护工作量很大。 

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本创作。 

发明内容

本发明的目的在于，提供一种变电站高压计量用互感器在线监测方法，实现在控制室或供电局能实时监测变电站电能计量装置的误差，不需去现场校验。并可得出实际运行情况下电能计量综合误差，为追补电量提供依据。通过在线检测，可以得出互感器的误差，并通过增加虚拟负荷的方法，可以补偿互感器的误差。 

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，提供一种变电站高压计量用互感器在线监测方法，其包括以下步骤： 

步骤a：利用若干传感器单元完成对变电站若干高压计量用互感器在线采集信号的变换功能；其获取的值包括：高压电压互感器的二次压降值、高压电压互感器二次出线电压、高压电压互感器总回路的电流以及高压电流互感器二次侧回路的电压和电流； 

步骤b：由在线监测终端进行信号调理、模数转换和数据计算，并进行数字信号传输，上传计算结果和波形数据； 

步骤c：由站方监测站上完成对所管辖的在线监测终端的通信管理、数据处理、分析诊断，并将有关数据上传局方监测主站； 

步骤d：由局方监测主站完成数据的存储、查询、维护以及与其他系统通信。 

较佳的，所述的步骤a中，获取的值的过程包括：对于高压电压互感器二次压降的监测，从高压电压互感器二次侧放线到电能表侧并接入二次压降监测单元，电能表侧电压端子接入二次压降监测单元，通过二次压降监测单元测量后可得出该条线路高压电压互感器的二次压降值；对于高压电压互感器二次负荷的监测，取高压电压互感器二次出线电压，用穿心电流传感器取高压电压互感器总回路的电流，接入高压电压互感器二次负荷监测单元可求出高压电压互感器的二次所带负荷值；对于高压电流互感器二次负荷的监测，用穿心电流传感器取高压电流互感器二次侧回路的电流，将高压电流互感器二次电压接入高压电流互感器二次负荷监测单元，可求出高压电流互感器的二次所带负荷值。 

较佳的，所述的步骤b包括：高压电压互感器线路二次压降误差测量部分是采用测差式线路，差值信号经过取样、放大和滤波之后进入A/D采样；标准信号使用相同的电路，以及0°和90°鉴相电路，提供了A/D采样的基准时间； 

计算出比差f、出角差δ误差表达式： 

f＝-(100 U₀/U₁)cos(Φ)％ 

δ＝(3438 U₀/U₁)cos(Φ) 

其中，U₀为仪表侧和高压电压互感器侧的差压信号；U₁为高压电压互感器二次电压；Φ为差压信号U₀和高压电压互感器二次电压之间的相角；  

当检定线路中标准信号 

，差压信号 ，在ωt＝90°时对 

和 采样则得到 

和U₀cos(Φ)；若在ωt=0°时对 

采样则得到U₀sin(Φ)。 

其中，所述的步骤b还包括：高压电压互感器的误差由空载误差和负载误差两部分组成，电压互感器负载误差为： 

ε＝-εk-(Z2+Z1)Y； 

式中：Z2-二次绕组内阻抗； 

Z1-二次负荷阻抗； 

Y-二次励磁导纳； 

εk-空载误差； 

参数的确定：根据电压互感器误差在同电压下有同样空载误差特性，在知道上限负荷和下限负荷时，计算得出： 

Z2+Z1＝-(εd-εs)/(Yd-Ys) 

式中： 

εs为上限负荷下误差； 

εd为下限负荷下误差； 

Ys为上限负荷下导纳； 

Yd为下限负荷下导纳； 

电压互感器的空载误差为：εk＝-ε-(Z2+Z1)Y；在已经知道80％，100％，120％给定误差ε_80、ε_100、ε_120时，通过三点的值模拟互感器误差曲线，采用直线拟合方式处理得到互感器空载误差曲线，通过计算得到空载误差。 

较佳的，只有匝数或分数匝补偿的电流互感器其负载误差为： 

ε＝-(Z2+Z)Y+Δf 

式中：Z2-二次绕组内阻抗 

Z-二次负荷阻抗 

Y-二次励磁导纳 

Δf-比值差补偿值 

该电压互感器的空载误差为： 

εk＝-Z2Y+Δf 

在两个电压下Ug和Us下分别测空载误差εg、εs和Yg、Ys， 

Z2＝-(εg-εs)/(Yg-Ys) 

在电流互感器的二次加励磁电压： 

Es＝X％×I_2n×(Zb+Z2)； 

式中：X％-电流百分表； 

I_2n-额定二次电流； 

Zb-实际负荷； 

在特定负荷的百分表下求出固定的匝比误差Δf，测出电流互感器在实际运行情况下的二次负荷值Zb和实际运行电流，如果已知Es＝Ib×(Zb+Z2)下电流互感器的励磁导纳Yb，则可得出电流互感器实际运行情况下的误差： 

εb＝-(Z2+Zb)×Yb+Δf。 

与现有技术比较本发明的有益效果在于，变电站内采用数字信号传输，提高了测量信号的抗干扰能力。电流传感器采用高磁导率的玻膜合金材料和高灵敏度的信号调理，高压电压互感器二次压降在线测试测量范围：比差：0.001～19.99％角差：0.01’～599’仪器基本误差：0.05％；电压表头准确度：0.5％；工作范围：电压：50～120V； 

高压电压互感器二次负荷测试： 

导纳测量范围：0.1ms-99.9ms导纳测量准确度：ΔX＝±(2％·X+2％Y±2个字)、 

ΔY＝±(2％·X+2％Y±2个字)；电压表头：0.5％； 

高压电流互感器二次负荷测试： 

阻抗测量范围：0.1Ω-50.0Ω阻抗测量准确度：ΔX＝±(2％·X+2％Y±2个字)； 

ΔY＝±(2％·X+2％Y±2个字)电流表头：0.5％高压电压互感器及高压电流互感器误差； 

比差：0.1％，角差：2’； 

实时性指标：站方轮询监测周期＜1h、局方轮询周期＜1h(按10个站)； 

容量指标：同一变电站基本测点数＜64*4＝256点，该系统日常运行维护工作量较小。 

附图说明

图1为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法中对应的在线监测的拓扑结构图； 

图2为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法的流程图； 

图3为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法中在线监控终端的功能结构示意图； 

图4为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法中站方监测站的功能结构示意图； 

图5为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法中局方监测主站的功能结构示意图。 

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。 

请参阅图1所示，其为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法中对应的在线监测的拓扑结构图；第一层为若干传感器单元1、第二层为多个在线监测终端2、第三层为站方监测站3、第四层为局方监测主站4，提取电流信号的传感器采用隔离的、穿芯式霍尔电流传感器；提取电压信号的传感器采用隔离稳定的电压传感器，就近安装在端子箱内侧的剩余空间；测量高压断路器的机 械特性可用振动传感器安装于断路器体外的关键部位。传感器单元1的输出信号就近接入在线监测终端2就地数字化。 

请参阅图2所示，其为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法的流程图；其包括的流程为： 

步骤a：利用若干传感器单元完成对变电站若干高压计量用互感器在线采集信号的变换功能；其获取的值包括：高压电压互感器的二次压降值、高压电压互感器二次出线电压、高压电压互感器总回路的电流以及高压电流互感器二次侧回路的电压和电流； 

步骤b：由在线监测终端进行信号调理、模数转换和数据计算，并进行数字信号传输，上传计算结果和波形数据； 

步骤c：由站方监测站上完成对所管辖的在线监测终端的通信管理、数据处理、分析诊断，并将有关数据上传局方监测主站； 

步骤d：由局方监测主站完成数据的存储、查询、维护以及与其他系统通信。 

其中，对于步骤a而言，所述的若干传感器单元1、其相应参数采集方法如下：对于高压电压互感器二次压降的监测，从高压电压互感器二次侧放线到电能表侧并接入二次压降监测单元，电能表侧电压端子接入二次压降监测单元，通过二次压降监测单元测量后可得出该条线路高压电压互感器的二次压降值；对于高压电压互感器二次负荷的监测，取高压电压互感器二次出线电压，用穿心电流传感器取高压电压互感器总回路的电流，接入高压电压互感器二次负荷监测单元可求出高压电压互感器的二次所带负荷值；对于高压电流互感器二次负荷的监测，用穿心电流传感器取高压电流互感器二次侧回路的电流，将高压电流互感器二次电压接入高压电流互感器二次负荷监测单元，可求出高压电流互感器的二次所带负荷值。 

在线监测终端2以数据处理能力极强的DSP数字采集卡6为核心，完成信号的调理、模数转换，通过节点通讯卡7和现场总线上传波形数据到站方监测站3的LonWorks系统主节点单元11，电源采用稳定性较好的线性电源卡8；在线监测终端2与站方监测站3间采用基于LonWorks现场总线的数字信号传输。 

其中步骤b中由在线监测终端2进行信号调理、模数转换和数据计算，并进行数字信号传输，上传计算结果和波形数据；具体包括：误差测量部分采用测差式线路，差值信号经过取样、放大和滤波之后进入A/D采样；标准信号使用相同的电路，另外增加了0°和90°鉴相电路，提供了A/D采样的基准时间。 

根据高压电压互感器二次压降的误差原理，得出误差表达式。式中U₀为仪表侧和高压电压互感器侧的差压信号，U₁为高压电压互感器二次电压。  

f＝-(100 U₀/U₁)cos(Φ)％ 

δ＝(3438 U₀/U₁)sin(Φ)’ 

式中Φ为差压信号U₀和高压电压互感器二次电压PT之间的相角。 

当检定线路中标准信号 

，差压信号 

，在ωt＝90°时对 

和 

采样则得到 

和U₀cos(Φ)，那么就可以计算出比差f；若在ωt＝0°时对 采样则得到U₀sin(Φ)，那么就可以计算出角差δ。 

对于高压电压互感器二次负荷测量和高压电流互感器二次负荷测量有类似理论推算方法。 

在该电路中没有互感器校验仪常用的模拟除法器，而是采用单片机中的除法指令，这样就大大提高了仪器的线性度、稳定性指标，同时简化了电路，降低调试难度。多路压降的测量是通过继电器的切换实现的。 

取高压电压互感器二次出线电压，用穿心电流传感器取高压电压互感器总回路的电流，接入高压电压互感器二次负荷监测单元可求出高压电压互感器二次所带负荷值。 

U₁为高压电压互感器二次电压；I₀为高压电压互感器二次回路电流；Y＝(I₀/U₁)为高压电压互感器二次负荷导纳；G＝(I₀/U₁)×cosφ为高压电压互感器二次负荷中的电导分量；B＝(I₀/U₁)×sinφ为高压电压互感器二次负荷中的电纳分量；cosφ为高压电压互感器二次负荷的功率因数；Sn＝UN2×Y：UN2为高压电压互感器二次额定电压；Sn为高压电压互感器二次实际负荷值(VA)；φ为根据cosφ算出二次负荷电流电压之间的角度。 

用穿心电流传感器取高压电流互感器回路的电流，将高压电流互感器二次电压接入高压电流互感器负荷监测单元可求出高压电流互感器二次所带负荷值。I₀为高压电流互感器二次回路电流；U₁为高压电流互感器首端和尾端之间的电压；Z＝(U₁/I₀)为高压电流互感器二次负荷阻抗；R＝(U₁/I₀)×cosφ为高压电流互感器二次负荷中的电阻分量；X＝(U₁/I₀)×sinφ为高压电流互感器二次负荷中的电感分量；cosφ为高压电流互感 器二次负荷的功率因数； 

Sn＝IN2×Z：IN2为高压电流互感器额定二次电流， Sn为高压电流互感器二次实际负荷值(VA)； 

φ：根据cosφ算出二次负荷电压电流之间的角度。 

只有匝数或分数匝补偿的电流互感器其复数误差由式δc＝C2/(C1+C2)×(tgδ1-tgδ2)得出： 

ε＝-(Z2+Z)×Y+Δf 

式中：Z2-二次绕组内阻抗； 

Z-二次负荷阻抗； 

Y-二次励磁导纳； 

Δf-比值差补偿值。 

将该电流互感器当成一个等变比的电压互感器来看待，该电压互感器的空载误差由式得出。 

εk＝-Z2Y+Δf 

在两个电压下Ug和Us下分别测空载误差εg、εs和Yg、Ys，根据式可算得Z2。 

Z2＝-(εg-εs)/(Yg-Ys) 

根据互感器计量在线监测终端原理。主要功能为：模拟量采集功能；完成就近监测设备的监测信号的采集；数据处理功能；对采集的信号进行相应的数据处理和计算；数据通信功能。上传采集信号，接受下传参数及控制命令；以及设置了软硬件看门狗功能。 

请参阅图3所示，其为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法中在线监控终端的功能结构示意图；所述的在线监测终端2由信号调理卡5、DSP数字采集卡6、LonWorks节点通信卡7、线性电源卡8及插卡电路底板9组成，所述的信号调理卡5、DSP数字采集卡6、LonWorks节点通信卡7及线性电源卡8都电连接插在插卡电路底板9上，信号调理卡5接受来自各种传感器1的多路传感信号，DSP数字采集卡6接受来自站方在线监测站3的同步测量控制信号，LonWorks节点通信卡7通过LonWorks总线输入输出数据。 

请参阅图4所示，其为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法中站方监测站的功能结构示意图；所述的站方在线监测站3由同步控制单元10、LonWorks主节点11、工控机12、调制解调器13、网络交换机14、路由器15及电源系统16组成，工控机12通过RS232串行口与同步控制单元10相连，同步控制单元10输出同步测量控制信号；LonWorks主节点11通过ISA槽与工控机12相连，LonWorks主节点11通过LonWorks总线输入输出数据；工控机12通过网络交换机14及路由器15输入输出数据至局方在线监测主站4，工控机12也可通过调制解调器13连接公共电话网后输入输出数据至局方在线监测主站 4。所述的站方在线监测站3主要功能是完成与现场节点各种通信业务的处理；同步控制单元10通过RS232与工控机12连接，实现现场终端的同步采样控制信号的发送，是通过电缆与现场传感器单元1连接。所述的站方监测站3集中管辖所属变电站所有监测对象高压电压互感器监测单元、高压电流互感器监测单元、电能监测单元及环境监测单元的监测信息，实现系统的同步测量控制，以及对变电站在线监测相关参数的设置和控制，完成监测察看、诊断分析及报警功能，并将站方数据上传到局方数据库。 

请参阅图5所示，其为本发明变电站高压计量用互感器在线监测方法中局方监测主站的功能结构示意图，所述的局方在线监测主站4由WEB服务器17、数据库服务器18、应用服务器19、调制解调器20、网络交换机21、路由器22及用户其他系统23组成，所述的WEB服务器17、数据库服务器18及用户其他系统23都接入局域网，应用服务器19通过网络交换机21及路由器22输入输出数据至站方在线监测站3，所述的应用服务器19也可通过调制解调器20连接公共电话网后输入输出数据至站方在线监测站3。主要完成数据的查询、分析诊断，数据服务器18完成数据的存储、数据的维护以及与其他系统23接口的功能，WEB服务器17提供Web查询功能，应用服务器19、数据库服务器18和WEB服务器17也可以位于同一台主机内。局域网内的计算机通过访问应用服务器19、数据库服务器18和WEB服务器17完成数据的查询、分析和诊断。站方监测站3与局方监测主站4采用基于TCP/IP协议的网络通信方式，具体可结合局方与站方已建立的SDH\PDH\ISDN\专线通道，对于没有此类通信设施的，也可采用电话拨号方式进行连接。 

可先期对变电站内部分高压电气设备实施在线监测，后期在原有系统的基础上扩展设备对象，站方监测站3和在线监测终端2只需进行数据库的设置扩充；也可先期对少数几个变电站实施，后期扩充到其他站，直至最终可实现对所有变电站的管理。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。 

Claims (3)

1.一种变电站高压计量用互感器在线监测方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤a：利用若干传感器单元完成对变电站若干高压计量用互感器在线采集信号的变换功能；其获取的值包括：高压电压互感器的二次压降值、高压电压互感器二次出线电压、高压电压互感器总回路的电流以及高压电流互感器二次侧回路的电压和电流；

步骤b：由在线监测终端进行信号调理、模数转换和数据计算，并进行数字信号传输，上传计算结果和波形数据；

步骤b具体包括：高压电压互感器线路二次压降误差测量部分是采用测差式线路，差值信号经过取样、放大和滤波之后进入A/D采样；标准信号使用相同的电路，以及0°和90°鉴相电路，提供了A/D采样的基准时间；

计算出比差f、角差δ误差表达式：

f＝-(100 U₀/U₁)cos(Φ)％

δ＝(3438 U₀/U₁)sin(Φ)’

其中，U₀为仪表侧和高压电压互感器侧的差压信号；U₁为高压电压互感器二次电压；Φ为差压信号U₀和高压电压互感器二次电压之间的相角；

当检定线路中标准信号

，差压信号，在ωt＝90°时对

和

采样则得到

和U₀cos(Φ)；若在ωt＝0°时对

采样则得到U₀sin(Φ)；

高压电压互感器的误差由空载误差和负载误差两部分组成，电压互感器负载误差为：

ε＝-εk-(Z2+Z1)Y；

式中：Z2-二次绕组内阻抗；

Z1-二次负荷阻抗；

Y-二次励磁导纳；

εk-空载误差；

参数的确定：根据电压互感器误差在同电压下有同样空载误差特性，在知道上限负荷和下限负荷时，计算得出：

Z2+Z1＝-(εd-εs)/(Yd-Ys)

式中：

εs为上限负荷下误差；

εd为下限负荷下误差；

Ys为上限负荷下导纳；

Yd为下限负荷下导纳；

电压互感器的空载误差为：εk＝-ε-(Z2+Z1)Y；在已经知道80％，100％，120％给定误差ε_80、ε_100、ε_120时，通过三点的值模拟互感器误差曲线，采用直线拟合方式处理得到互感器空载误差曲线，通过计算得到空载误差；

步骤c：由站方监测站上完成对所管辖的在线监测终端的通信管理、数据处理、分析诊断，并将有关数据上传局方监测主站；

步骤d：由局方监测主站完成数据的存储、查询、维护以及与其他系统通信。

2.根据权利要求1所述的变电站高压计量用互感器在线监测方法，其特征在于：所述的步骤a中，获取的值的过程包括：对于高压电压互感器二次压降的监测，从高压电压互感器二次侧放线到电能表侧并接入二次压降监测单元，电能表侧电压端子接入二次压降监测单元，通过二次压降监测单元测量后可得出该条线路高压电压互感器的二次压降值；对于高压电压互感器二次负荷的监测，取高压电压互感器二次出线电压，用穿心电流传感器取高压电压互感器总回路的电流，接入高压电压互感器二次负荷监测单元可求出高压电压互感器的二次所带负荷值；对于高压电流互感器二次负荷的监测，用穿心电流传感器取高压电流互感器二次侧回路的电流，将高压电流互感器二次电压接入高压电流互感器二次负荷监测单元，可求出高压电流互感器的二次所带负荷值。

3.根据权利要求2所述的变电站高压计量用互感器在线监测方法，其特征在于：

只有匝数或分数匝补偿的电流互感器其负载误差为：

ε＝-(Z2+Z)Y+Δf

式中：Z2-二次绕组内阻抗

Z-二次负荷阻抗

Y-二次励磁导纳

Δf-比值差补偿值

该电压互感器的空载误差为：

εk＝-Z2Y+Δf

在两个电压下Ug和Us下分别测空载误差εg、εs和Yg、Ys，

Z2＝-(εg-εs)/(Yg-Ys)

在电流互感器的二次加励磁电压：

Es＝X％×I_2n×(Zb+Z2)；

式中：X％-电流百分表；

I_2n-额定二次电流；

Zb-实际负荷；

在特定负荷的百分表下求出固定的匝比误差Δf，测出电流互感器在实际运行情况下的二次负荷值Zb和实际运行电流，如果已知Es＝Ib×(Zb+Z2)下电流互感器的励磁导纳Yb，则可得出电流互感器实际运行情况下的误差：

εb＝-(Z2+Zb)×Yb+Δf。

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