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【摘 要】以太网光纤通信技术支撑智能变电站电能计量技术在模拟量采集上实现全数字量化后的数据传输，利用点对点或高速以太网方式传输至数字式电能表，为智能变电站内电能计量提供了准确的、可靠的数据来源，构成变电站数字化电能计量系统。本文针对这一变革，系统介绍了利用以太网光纤通信技术支撑智能变电站数字化计量系统的应用。
【关键词】智能变电站；数字化；电能计量；电子式互感器；数据采集
概述：
智能变电站内电能计量技术在模拟量采集方式上有了巨大变化，相比于传统的变电站内的电能表，其表计的采样传感器一般采用是高功率输出的电流互感器和电压互感器，而新型智能变电站内模拟量采样实现全数字量化后通过光纤线路传输，并且一次侧的传感器采用了低功率输出的电子式互感器，它具有测量准确度高，无饱和，动态范围宽，无二次开路危险等优点，为智能变电站内电能计量提供了准确的、可靠的数据来源，系统的EMC性能得到了很大的提升；同时也将智能变电站内电能采集与管理融人了IEC61850标准体系，为整个智能变电站高度集成化奠定了基础。
1 智能变电站数字化电能计量系统组成
智能变电站的电能计量系统主要包括一次侧的传感器，其中包含遵循IEC60044-7标准电子式电流互感器以及遵循IEC60044 -8标准的电子式电压互感器、合并单元（Merging UmO。电子式互感器汇总到合并单元，合并单元经点对点或以太网方式发送采样数据至位于间隔层的数字式计量设备。计量设备的交流输入信号由电缆从传统电压、电流互感器输入的模拟信号转变为通信电缆或光纤输入的数字信号。智能变电站的电能计量组成方框图如图1所示。
图l可知，合并单元至表计模拟量采样值传输服务遵循IEC61850-9—112通信规约，其中物理层及链路层推荐采用光纤以太网，须遵行IEEE802.3中100Base--FX的标准规范。根据变电站系统组成，可通过配置数据集中结构设置表计的计量模式，如设置三相三线系统，三相四线计量系统，这有别于传统模拟量输人表计外部电缆接线方式。
2 电子式互感器
电力系统中传统TA、TV存在磁饱和问题，测量误差较大；而且TA测得的模拟量在传输过程中易受干扰。随着电力系统容量越来越大，电压等级越来越高，导致cT体积庞大，绝缘难、造价高、可靠性差等问题日益突出。电子式互感器克服了这些缺点，它无需铁心，无饱和问题，电气绝缘性好，抗干扰能力强。此外，还有体积小、重量轻及安全可靠等一系列优点。电子式互感器可实现交直流高电压大电流的传变，并以数字信号形式通过光纤提供给保护、测量等相应装置；合并单元还具有模拟量输入接口，可以把来自其它模拟式互感器的信号量转换成数字信号，以lOObase--FX或lOBase-FL接口输出数据，简化了保护、计量等功能装置的接线。
电子式互感器通常由传感模块和合并单元两部分构成，传感模块又称远端模块，安装在高压一次侧，负责采集、调理一次侧电压电流并转换成数字信号。合并单元安装在二次侧，负责对各相远端模块传来的信号做同步合并处理。
2.1 远端模块
电子式互感器的远端模块用来对模擬量输入进行采样、模数转换并通过光纤传送数据到合并单元，与合并单元仅通过两根光纤进行能量和数据的传递。
2.2 合并单元
合并单元是低压侧数据处理系统，并且为高压侧远端模块提供能源。
主要包括以下三种功能：
2.2.1 接收多路远端模块的采样光信号，汇总之后按照IEC一61850规约以光信号形式对外提供采集数据；
2.2.2 以光能量的形式，为远端模块提供工作能源；
2.2.3 接收来自站级或继电保护装置的同步光信号，实现远端模块间的采样同步功能。
高压侧远端模块单元的工作电源同时由取能线圈和激光电源提供，两者动态自检，互为热备用。取能线圈就地采集一次电能后经整流滤波提供直流电源；位于集控室的激光电源提供高能激光，经由光缆传输到远端模块单元后经光电转换提供直流电源。合并单元还可以通过辅助CPU和扩展开入开出直接提供保护、测量等功能，同时通过光纤以太网接口给监控、测量等装置提供数据。
3 数字化采样数据的传输
智能变电站中数字化采样数据的传输采取点对点及网络两种方式。出于对继电保护可靠
性的考虑，智能变电站中保护应直接采样，即采用点对点的方式传输数据，协议采用IEC60044—7/8或IEC61850—9—1/2标准。而对于测控装置、故障录波、计量等二次设备，其采用数据可通过搭建过程层网络的方式传输，从而实现数据共享。过程层传输采样值的网络称SMV采样值网，其主要功能是实现电流、电压交流量的上传。SMV采样值网络协议采用IEC 61 850—9—1/2标准。对于保护双重化要求的间隔，网络按照双重化配置，物理上做到相互独立；对保护单重化要求的间隔，网络按照单重化配置。
4 数字化电能表
数字式电能表是指用于智能变电站电能计量的电能表（以下简称数字输入电能表）。数字化电能表的主要构成：主要由两路工作电源，协议转换器，点阵液晶显示等有关部件组成。其中lOOBase—Fx接口完成信息的采集，协议接口芯片完成数据的转换，数字信号处理器完成电参量的计算，如电压，电流，功率的计算，同时指示当前的功率脉冲。后传送至中央微处理器单元，由中央微处理器单元完成电参量的累加，同时通过点阵液晶显示模块显示表计的信息。同时表计可以通过光纤以太网读取数据，完成数据的抄读，最终实现数据的共享。数字化电能表与传统电能表相比，主要有以下优点：
4.1 智能变电站电能计量系统的误差
优于传统变电站数字输入电能表接收通过光纤以太网传送的电流电压采样点的数字流，基本避免了因二次电流电压模拟信号传输损耗引起的计量系统附加误差。
4.2 数字化电能表的高可靠性
数字输入电能表与合并单元或电子式互感器物理问采用光纤通讯，实现完全电气隔离，保证在各种复杂的电磁环境下都不会造成数字电流、电压信号传输的改变。同时，该表已完全取消二次电流输入，有效的消除了过流或二次电流开路等安全事故隐患。
4.3 数字化电能表的高稳定性
电表的采用数字信号输入，无模拟采样电路，长期运行中有效避免传统电表因温度、采样电路的电阻电容变化、零漂、电磁干扰等可能对精度造成的影响。
4.4 数据可靠性
电流、电压数字信号采用标准协议进行传输，接收端即电能表可对来自互感器或者合并单元的电流、电压信号进行校验，有效避免了误码可能对电能计量造成的影响。
5 总结
光纤以太网通信在数字化计量中的应用使电能计量采集方式发生了变化，从常规模拟量采集到网络通信的数字量采集是技术发展的趋势，支持DL/T860标准的数字式电能计量系统设备是未来智能变电站技术的发展方向。
作者简介：
邱南阳（1976年-）、男，籍贯（广东省、高州市）、在广东电网公司佛山供电局工作，工程师、工学学士、主要研究方向是通信技术在电力计量、通信领域中的探索与应用。
【关键词】智能变电站；数字化；电能计量；电子式互感器；数据采集
概述：
智能变电站内电能计量技术在模拟量采集方式上有了巨大变化，相比于传统的变电站内的电能表，其表计的采样传感器一般采用是高功率输出的电流互感器和电压互感器，而新型智能变电站内模拟量采样实现全数字量化后通过光纤线路传输，并且一次侧的传感器采用了低功率输出的电子式互感器，它具有测量准确度高，无饱和，动态范围宽，无二次开路危险等优点，为智能变电站内电能计量提供了准确的、可靠的数据来源，系统的EMC性能得到了很大的提升；同时也将智能变电站内电能采集与管理融人了IEC61850标准体系，为整个智能变电站高度集成化奠定了基础。
1 智能变电站数字化电能计量系统组成
智能变电站的电能计量系统主要包括一次侧的传感器，其中包含遵循IEC60044-7标准电子式电流互感器以及遵循IEC60044 -8标准的电子式电压互感器、合并单元（Merging UmO。电子式互感器汇总到合并单元，合并单元经点对点或以太网方式发送采样数据至位于间隔层的数字式计量设备。计量设备的交流输入信号由电缆从传统电压、电流互感器输入的模拟信号转变为通信电缆或光纤输入的数字信号。智能变电站的电能计量组成方框图如图1所示。
图l可知，合并单元至表计模拟量采样值传输服务遵循IEC61850-9—112通信规约，其中物理层及链路层推荐采用光纤以太网，须遵行IEEE802.3中100Base--FX的标准规范。根据变电站系统组成，可通过配置数据集中结构设置表计的计量模式，如设置三相三线系统，三相四线计量系统，这有别于传统模拟量输人表计外部电缆接线方式。
2 电子式互感器
电力系统中传统TA、TV存在磁饱和问题，测量误差较大；而且TA测得的模拟量在传输过程中易受干扰。随着电力系统容量越来越大，电压等级越来越高，导致cT体积庞大，绝缘难、造价高、可靠性差等问题日益突出。电子式互感器克服了这些缺点，它无需铁心，无饱和问题，电气绝缘性好，抗干扰能力强。此外，还有体积小、重量轻及安全可靠等一系列优点。电子式互感器可实现交直流高电压大电流的传变，并以数字信号形式通过光纤提供给保护、测量等相应装置；合并单元还具有模拟量输入接口，可以把来自其它模拟式互感器的信号量转换成数字信号，以lOObase--FX或lOBase-FL接口输出数据，简化了保护、计量等功能装置的接线。
电子式互感器通常由传感模块和合并单元两部分构成，传感模块又称远端模块，安装在高压一次侧，负责采集、调理一次侧电压电流并转换成数字信号。合并单元安装在二次侧，负责对各相远端模块传来的信号做同步合并处理。
2.1 远端模块
电子式互感器的远端模块用来对模擬量输入进行采样、模数转换并通过光纤传送数据到合并单元，与合并单元仅通过两根光纤进行能量和数据的传递。
2.2 合并单元
合并单元是低压侧数据处理系统，并且为高压侧远端模块提供能源。
主要包括以下三种功能：
2.2.1 接收多路远端模块的采样光信号，汇总之后按照IEC一61850规约以光信号形式对外提供采集数据；
2.2.2 以光能量的形式，为远端模块提供工作能源；
2.2.3 接收来自站级或继电保护装置的同步光信号，实现远端模块间的采样同步功能。
高压侧远端模块单元的工作电源同时由取能线圈和激光电源提供，两者动态自检，互为热备用。取能线圈就地采集一次电能后经整流滤波提供直流电源；位于集控室的激光电源提供高能激光，经由光缆传输到远端模块单元后经光电转换提供直流电源。合并单元还可以通过辅助CPU和扩展开入开出直接提供保护、测量等功能，同时通过光纤以太网接口给监控、测量等装置提供数据。
3 数字化采样数据的传输
智能变电站中数字化采样数据的传输采取点对点及网络两种方式。出于对继电保护可靠
性的考虑，智能变电站中保护应直接采样，即采用点对点的方式传输数据，协议采用IEC60044—7/8或IEC61850—9—1/2标准。而对于测控装置、故障录波、计量等二次设备，其采用数据可通过搭建过程层网络的方式传输，从而实现数据共享。过程层传输采样值的网络称SMV采样值网，其主要功能是实现电流、电压交流量的上传。SMV采样值网络协议采用IEC 61 850—9—1/2标准。对于保护双重化要求的间隔，网络按照双重化配置，物理上做到相互独立；对保护单重化要求的间隔，网络按照单重化配置。
4 数字化电能表
数字式电能表是指用于智能变电站电能计量的电能表（以下简称数字输入电能表）。数字化电能表的主要构成：主要由两路工作电源，协议转换器，点阵液晶显示等有关部件组成。其中lOOBase—Fx接口完成信息的采集，协议接口芯片完成数据的转换，数字信号处理器完成电参量的计算，如电压，电流，功率的计算，同时指示当前的功率脉冲。后传送至中央微处理器单元，由中央微处理器单元完成电参量的累加，同时通过点阵液晶显示模块显示表计的信息。同时表计可以通过光纤以太网读取数据，完成数据的抄读，最终实现数据的共享。数字化电能表与传统电能表相比，主要有以下优点：
4.1 智能变电站电能计量系统的误差
优于传统变电站数字输入电能表接收通过光纤以太网传送的电流电压采样点的数字流，基本避免了因二次电流电压模拟信号传输损耗引起的计量系统附加误差。
4.2 数字化电能表的高可靠性
数字输入电能表与合并单元或电子式互感器物理问采用光纤通讯，实现完全电气隔离，保证在各种复杂的电磁环境下都不会造成数字电流、电压信号传输的改变。同时，该表已完全取消二次电流输入，有效的消除了过流或二次电流开路等安全事故隐患。
4.3 数字化电能表的高稳定性
电表的采用数字信号输入，无模拟采样电路，长期运行中有效避免传统电表因温度、采样电路的电阻电容变化、零漂、电磁干扰等可能对精度造成的影响。
4.4 数据可靠性
电流、电压数字信号采用标准协议进行传输，接收端即电能表可对来自互感器或者合并单元的电流、电压信号进行校验，有效避免了误码可能对电能计量造成的影响。
5 总结
光纤以太网通信在数字化计量中的应用使电能计量采集方式发生了变化，从常规模拟量采集到网络通信的数字量采集是技术发展的趋势，支持DL/T860标准的数字式电能计量系统设备是未来智能变电站技术的发展方向。
作者简介：
邱南阳（1976年-）、男，籍贯（广东省、高州市）、在广东电网公司佛山供电局工作，工程师、工学学士、主要研究方向是通信技术在电力计量、通信领域中的探索与应用。