一、引言

1.什么是电子式互感器

电子式互感器是由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成的一种装置，用以传输正比于被测量的量，供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。在数字接口的情况下，用一台合并单元完成此功能。

2.电子式互感器的功能和用途

电子式互感器是一种A/D变换器件，它把各种发电、变电、输电和用电设施在运行过程中的各种参量(如电流、电压、频率、相位、功率(有功、无功、视在、基波、谐波)、电能(有功、无功、视在、基波、谐波)等)转换为数字量或模拟量。

电子式互感器是智能化变电站的核心，是电力运行、电网调度、电网保护和电能计量的核心部件。

3.电子式互感器的特征

(1)电子式互感器的特征之一是具有单独的数字量输出

电子式互感器的输出包括数字量和模拟量，有的电子式互感器只有数字量。这是电子式互感器与传统互感器的显著区别，也是电子式互感器与其他数字式计量仪器的显著区别。其他的数字式计量仪器(如数字式示波器、数字式信号发生器和数字式电压表等)，虽然使用了数字转换原理，但是显示的是模拟量，用数字显示。而有的电子式互感器提供的输出只有曼彻斯特编码。

(2)电子式互感器既输出稳态的量也输出暂态和瞬态的量

一般的计量仪器只输出稳态的量，而电子式互感器还输出暂态的量和瞬态的量，这也是电子式互感器与其他数字式计量仪器的显著区别。这对于继电保护非常重要。对电网的安全运行有很大好处，电网的录波也使用电子式互感器提供的信息。

4.电子式互感器的优点

(1)电子式互感器的使用使得二次仪表单一化

由于电子式互感器提供的是数字信息，使得接收这些信息的仪表变成了一类仪表，它只是接收和处理这些信息。比如:指示电参数的各种指示仪表；保护电网的继电器；结算电量的电能计量仪表，记录电网运行的录波设备；考核电网运行质量的电能质量分析仪；监控用电负荷的电能负荷监控仪等都可以使用同一种，甚至同一台仪器(专用计算机)，这样大大简化了测量和控制系统

(2)电子式互感器提高了测量准确度

图1表示传统计量系统与数字量输出的电子式电流和电压互感器计量系统的误差比较。从图1中可以看出，同样使用0.2级的电流互感器和0.2级的电压互感器，使用传统的计量系统，由于电流互感器和电压互感器二次导线连接的负载阻抗的影响(互感器的误差来源于负载，负载不同，互感器的误差就不同)，仅以电压互感器的二次压降为例，电力行业标准DL448-2000《电能计量装置技术管理规程》规定电压互感器二次回路电压降不宜大于额定的二次电压的0.20%。可以看出，连接导线对电能计量装置合成误差的影响是很大的。同时，如果使用0.2级的仪表(目前，安装式电能表的最高等级为0.2级)，传统的计量系统的计量输出误差为0.7%。数字量输出的电子式电流互感器和电压互感器计量系统，它的输出误差仅为0.4%。

图1 传统计量系统与数字量输出的电子式电流和电压互感器计量系统的误差比较

二、问题和探讨

1.问题的由来

像通信设备(如3G)、交通工具(如高速火车)、音像设备(如mp3)和计算机一样，计量仪器也在不停地更新换代，上文所述的电子式互感器就是一种典型的代表，这种产品20多年前就已经生产出来，并且已经挂网试运行，但至今国际上并没有大批量使用，我国准备在智能电网建设中，大规模使用电子式互感器。像高速火车一样，首先在世界上大规模使用。虽然已经有了国际标准和国家标准，但由于没有实际运行经验，这些标准是不完善的，有关计量检定的问题实行起来更加困难。由于互感器检定规程正在积极制定中，为了使这个检定规程指标体系更加完整、检定方法更加科学、实行更加方便、像3G标准一样更加具有中国特色，作为一个多年从事互感器和电能计量研究的人，现提出一些个人的看法，与同行们共同研讨。

由于检定规程涉及诸多问题，并且这是第一个涉及全数字输出计量仪器的检定规程，同时，又缺少实际检定工作经验，本文仅讨论部分有关法制方面的问题。

2.有关溯源的问题

依据规定，计量检定必须依照量值传递系统框图进行，工作计量器具必须溯源至国家基(标)准。

传统的互感器是一种比例量具，它的基准是一个比例标准，电流互感器标准是一组电流比较仪，电压互感器的标准是一组电压分压器。比例量具通过比对和自校测量其不确定度。

电子式互感器不完全是一种比例量具，电流互感器二次输出的是电压；有的类型的电流互感器根本没有次级，所以很难溯源至原来的基准。

由于互感器为强制检定的工作计量器具，需要尽快开展检定工作，以满足电费结算的需要。但是，要在短时间内研制出新的基准是不现实的。

笔者认为可以使用替代的方法，即使用原来的电流互感器和电压互感器的比例基准，将基准A/D转换器连接至比例量具的次级使其成为绝对测量的量具，这时基准A/D转换器应溯源至国家音频电量基准。作为长远解决办法，我们可以逐步研制适合电子式互感器的国家基准。

3.检定方法

检定必须按检定规程规定的检定方法进行，否则，检定结果将不被认可。

传统的互感器的检定方法是测差法，这种方法的优点是互感器校验仪不需要很高的准确度，制造高精度的校验仪，尤其是既测量比差又测量角差的校验仪比较困难。

电子式互感器规定的是绝对测量法，这样实现起来比较困难。比如，电子式电流互感器二次输出额定电压为22.5mV，如果是S级电流互感器，1%的测量点就是225μV，如果误差是0.2%，那么，一般的电压表的测量准确度是不够的。

笔者认为应根据实际情况使用绝对测量法或测差法，并在检定规程中具体规定。

4.测量位置的选择

在传统的计量仪器中，测量位置是不需要选择的，只要把被测的量输入仪器，量值就可显示出来。但是数字输出的计量仪器则不同，可以从许多位置读取数据。

电子式互感器有多个测量位置，一般的电子式互感器是测量二次转换器(SC)①，而笔者认为除了可以测量二次转换器(SC)外，检定时还应该测量合并单元(MU)②。这主要是因为互感器作为强制检定的计量器具，担负着电能计量贸易结算的功能。在合并单元(MU)中包含有额定延迟时间③、额定相位偏移④和相位误差⑤的信息，这些信息对测量电能是极为重要的。

注:①二次转换器(secondary converter，SC)

一种装置，将传输系统传送的信号转换为供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置的量，该量与一次端子电流成正比。对于模拟量输出型电子式电流互感器，二次转换器直接供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。对于数字量输出型电子式互感器，二次转换器通常接至合并单元后再接二次设备。

②合并单元(merging unit，MU)

用于对来自二次转换器的电流和/或电压数据进行时间相关组合的物理单元。合并单元可以是互感器的一个组件，也可以是一个分立单元(如装在控制室内)。

③额定延迟时间(rated delay timetdr)tdr

数字数据处理和传输所需时间的额定值。

④额定相位偏移(rated phase offset)φor

电子式电流互感器的额定相位移，依据所采用的技术，它不受频率影响。

⑤相位误差(phase error)φc

相位误差等于相位差φ减去由额定相位偏移和额定延迟时间构成的相位移。相位误差是对额定频率而言的。

5.数字部分的格式和接口

(1)数字部分的内容

有关数字接口的物理层和链路层，有两种技术方案。一种采用1EC61850-9-1所述的以太网，另一种是其他定义通信接口(如FIA RS-485)

两种方案的应用层相同。

链路层选定为IEC 60870-5-1的FT3格式。

应用层:为了与IEC61850-9-1相一致，定义了数据帧所包含的几个识别符(如数据集长度、数据集名、逻辑节点名、逻辑设备名、额定相电流、额定中性点电流、额定相电压和额定中性点电压、额定延迟时间、状态字、帧的存储内容和合并单元的时钟输入等)。

为了使数字输出标准化应采取如下措施:

①应对数字部分的主要内容加以定义:

a)尽量采用标准已经定义的内容。

b)补充没有定义的内容。

有关法制的内容，比如对内容的修改记录、修改人的修改权限等。

有关检定的内容，比如检定时的状态等，否则检定结果毫无意义。

②应将定义列入检定规程的附录，以便检定时使用。

电子式互感器经过一段时间的运行后，应针对数字部分的内容起草一份计量技术规范，以便在起草其他数字仪表检定规程时使用。

(2)数字输出标准化的意义

①规范这些内容，便于电子式互感器的检定和使用。

②规范这些内容，便于与之连接相关仪表的检定和使用，比如和电子式互感器配套的数字电流表、数字电压表、数字相位表、数字功率表、数字电能表等的检定和使用。

③可以防止或减少作弊、窃电等现象的发生，这些现象在其他计量仪器(如汽车计价器、加油机、电子秤等)中屡有发生。由于计量仪器中装有可以改变内容的信息，可以在用户很难觉察的情况下，改变计量的结果。

6.应增加密钥

电子式互感器作为一种数字式计量仪器，可以在加封印的同时增加密钥。密钥的形式、密钥可以密封的范围、由谁加密、谁来解密等，都是需要研究的问题，并非一个简单的密钥。这既是一个管理问题，又是一个复杂的技术问题。这是要加密钥的第一种计量仪器，没有可以参考的依据。如果规定得好，具有开创性意义。