高电压大电流数字化计量技术

发展数字经济是把握新一轮科技革命和产业变革新机遇的战略选择。随着数字经济的蓬勃发展，数字技术成为新的发展引擎，以数字化驱动计量事业发展，既是现实迫切的需求，也是产业发展的方向。电力计量贯穿电力生产、销售及电网安全运行全环节。随着新型电力系统构建加快，电力系统“双高”“双峰”特征日益凸显，源网荷储协同互动、电热气冷多能互补使能源供需优化平衡日益复杂，对计量全息感知、动态采样和高效处理的要求越来越高。因此，加快电力计量数字化转型，推动先进信息通信技术与计量技术深度融合，促使电力计量向数字化、智能化、自动化方向发展是现实迫切的需求。当前，国家电网有限公司在智能变电站、智慧变电站中推广应用数字化计量系统，并且在高电压大电流传感、数据采样、信号传输、量值传递、设备溯源以及业务应用等全面实现数字化。2021年，国务院印发了《计量发展规划(2021—2035年)》，将计量数字化转型研究作为计量基础研究的重点任务，推动跨行业、跨领域计量数据的融合、共享与应用发展，服务数字化建设。与传统计量系统不同，数字化计量系统采用了大量电子技术、光学技术、人工智能技术、大数据应用技术、量子技术等新兴技术，数字化计量设备的维护、量值传递、设备溯源以及新型计量数据的业务融合应用与传统计量设备有较大的不同。本书的编制目的是加强计量相关专业人员对数字化计量理论及实际工程应用的认识，培养计量人员的数字化专业素养，介绍当前*新的数字化计量专业理论及实践应用，服务数字化计量工作。本书对高电压大电流计量数字化技术进行了系统、全面的介绍，由浅入深地介绍了高电压大电流数字化计量理论、数字化计量场景、数字化计量设备及量传溯源技术，再结合实际工程的计量问题，新兴的人工智能技术，大数据、区块链和量子技术，介绍了数字化计量的数据应用技术。本书可用于指导计量专业人员开展数字化计量设备的现场运维、量值溯源以及计量数据融合应用等工作。本书对开展高电压大电流计量数字化专业的研究、加快推进计量数字化发展具有一定指导意义。著者2023年8月

本书共分为九章，第一章绪论介绍数字化计量技术发展背景、*新进展及面临的挑战。第二章介绍数字化计量技术基本理论，包括数字化计量的误差基本定义、数字化计量基本构成环节。第三章介绍高压大电流数字化计量场景，包括智能变电站数字化计量系统应用、数字化计量设备在配网中的应用、冲击电压、电流数字化和智慧实验室建设。第四章介绍数字化计量设备，包括交直流电子式互感器、合并单元、数字化电能表等。第五章介绍数字化计量设备的量值溯源技术，包括智能变电站现场校准技术和直流换流站现场校准技术。第六章介绍数字化计量设备的量值溯源技术，包括数字化计量设备的误差理论、IEC61850数字报文特性量值溯源方法、交流量子技术在电子式互感器校验仪整检装置的应用等。第七章介绍数字化计量系统的数据应用，包括交直流量测数据的应用、区块链的智慧实验室数据应用。第八章介绍量子计量技术，包括量子电流、量子电压和量子传感技术应用。第九章为展望，对于数字化计量在综合能源的应用，以及数字孪生技术做了展望。

中国电机工程学会高级会员，国家一级注册计量师，中国电力科学研究院计量所高压计量产品性能试验研究室主任，j教授级高工，长期从事数字化计量研究工作，牵头开展了国网公司重点工作“数字化计量体系建设研究工作”，完成了数字化计量系统顶层设计，初步建立了数字化计量标准体系及量值溯源传体系，为公司数字化计量体系建设工作做出了开创性的贡献。主持完成多项国网公司重大科技攻关项目，发表EI/SCI论文20余篇，授权发明专利10余项，获得省部级奖励6项，获得2019年中国专利银奖。牵头负责国网公司数字化多次主持和主要参与国家重大科技项目的攻关，主持起草了电力行业标准《电子式互感器接口规范》、《电子式互感器校验仪通用技术条件》、国网公司企业标准《计量用合并单元技术条件》，正在主持起草国家计量技术法规《电子式互感器校准规范》、《合并单元检定规程》，《光纤电流互感器技术条件》等多项相关的技术规范。

第1章绪论(1)
第2章数字化计量基本理论(2)
2.1数字化的概念(2)
2.2数字化的特点(3)
2.3数字化系统的基本结构(4)
2.3.1高压变电站典型架构(5)
2.3.2配电网典型架构(6)
2.4数字化计量名词术语(8)
2.5小结(8)
第3章高电压大电流数字化计量场景(9)
3.1智慧变电站(9)
3.2直流配电网(11)
3.3充电桩(12)
3.4双回合环运行用户电能计量(13)
3.5大电流用户电能计量(15)
3.6直流计量系统(16)
3.7冲击电压、电流数字化技术(19)
3.8智慧实验室典型架构(21)
3.9小结(23)
第4章高电压大电流数字化计量设备(25)
4.1交流电子式互感器(25)
4.1.1有源电子式互感器的整体结构(25)
4.1.2有源电子式互感器的传感部分(34)
4.1.3有源电子式互感器的一次转换器(38)
4.1.4高精度测量技术(42)
4.2直流互感器(46)
4.2.1直流互感器传感原理(46)
4.2.2直流互感器测量技术(51)
4.3合并单元(53)
4.3.1合并单元的作用(53)
4.3.2合并单元的基本结构(53)
4.3.3自校准合并单元(55)
4.4数字化电能表(56)
4.4.1数字化电能表的概况(56)
4.4.2数字化电能表的整体设计方案(57)
4.5集中计量装置(60)
4.5.1集中计量装置的作用(60)
4.5.2集中计量装置的主要功能(60)
4.6计量监测装置(64)
4.6.1计量监测装置的作用(64)
4.6.2计量监测装置的系统架构(64)
4.6.3组屏方式及主要技术参数(66)
4.7小结(67)
第5章高电压大电流数字化计量设备量值传递技术(68)
5.1数字化测量设备量值传递技术研究现状(68)
5.1.1离线校准方法(70)
5.1.2基于误差比较的在线校准方法(71)
5.1.3基于数据驱动的在线校准方法(74)
5.2智能变电站数字化计量系统离线校准技术(75)
5.2.1电子式互感器校准方法(75)
5.2.2基于网络报文的电子式互感器现场高效测试方法(81)
5.2.3基于分布式的互感器与合并单元组合校准方法(88)
5.3直流换流站现场离线校准技术(97)
5.3.1无线校准方法(97)
5.3.2二次测量系统校准方法(101)
5.4基于误差比较的电压/电流测量误差评估方法(104)
5.5基于数据驱动的电子式互感器误差状态相关性分析方法(107)
5.6小结(134)
第6章高电压大电流数字化计量设备溯源体系(135)
6.1数字化测量设备误差模型研究(135)
6.1.1溯源问题的引出(135)
6.1.2传统电流互感器校准系统误差模型(135)
6.1.3电子式电流互感器校准系统误差模型(137)
6.1.4溯源问题对比(139)
6.2电子式互感器校验仪溯源技术(140)
6.2.1电子式互感器校验仪溯源方案基本思路(140)
6.2.2基于A/D直接采样的电子式互感器校验仪溯源技术(141)
6.2.3基于同步脉冲源的电子式互感器校验仪溯源技术(143)
6.2.4两种电子式互感器校验仪溯源技术比较(146)
6.3合并单元校验仪溯源技术(147)
6.3.1合并单元校验仪溯源现状(147)
6.3.2装置方案设计原理(148)
6.4直流互感器暂态校验仪溯源技术(152)
6.4.1直流互感器暂态校验仪工作原理(152)
6.4.2直流互感器暂态校验仪溯源方案(154)
6.5数字化计量系统的时钟误差远程溯源技术(157)
6.5.1总体技术方案(158)
6.5.2数字化计量系统的时钟误差自校准技术原理研究(160)
6.5.3数字化计量系统的报文离散度自校准技术原理研究(161)
6.5.4数字化计量系统的远程校准系统原理研究(163)
6.6冲击软件溯源技术(164)
6.7小结(165)
第7章高电压大电流数字化计量系统数据应用(166)
7.1交流数字化测量系统数据应用(166)
7.1.1电网复杂运行方式下穿越功率计量(166)
7.1.2采样值传输质量评价方法(170)
7.1.3电量平衡及损耗计算(174)
7.2直流换流站能效分析(175)
7.2.1柔性直流输电系统能效计量点设置(175)
7.2.2能效计量器具的选择(180)
7.3冲击软件数据的应用(183)
7.3.1测量雷电全波的方法分析(183)
7.3.2雷电全波计算流程(184)
7.3.3软件的验证(186)
7.4基于区块链的智慧实验室数据应用(190)
7.4.1区块链技术概述(190)
7.4.2基于区块链技术的电能计量可信平台(191)
7.4.3高电压大电流数字化测量系统数据的可信化和共享(202)
7.5小结(205)
第8章高电压大电流量子计量技术(206)
8.1量子技术概述(206)
8.2量子电流计量技术(207)
8.2.1传统电流基准研究(207)
8.2.2量子电流基准研究(207)
8.2.3基于电子加速器的电流量子化基准基础研究(209)
8.3量子电压计量技术(216)
8.4量子电能标准技术研究(218)
8.5高压大电流量子传感技术(219)
8.5.1量子磁场传感技术(221)
8.5.2量子电场传感技术(224)
8.5.3电力量子传感器(228)
8.6小结(229)
第9章展望(231)
9.1数字化计量在综合能源计量中的应用(231)
9.1.1配电物联网(231)
9.1.2数字化计量支撑展望(232)
9.2数字孪生技术(233)
9.3小结(236)
参考文献(237)

本书共分为九章，第一章绪论介绍数字化计量技术发展背景、*新进展及面临的挑战。第二章介绍数字化计量技术基本理论，包括数字化计量的误差基本定义、数字化计量基本构成环节。第三章介绍高压大电流数字化计量场景，包括智能变电站数字化计量系统应用、数字化计量设备在配网中的应用、冲击电压、电流数字化和智慧实验室建设。第四章介绍数字化计量设备，包括交直流电子式互感器、合并单元、数字化电能表等。第五章介绍数字化计量设备的量值溯源技术，包括智能变电站现场校准技术和直流换流站现场校准技术。第六章介绍数字化计量设备的量值溯源技术，包括数字化计量设备的误差理论、IEC61850数字报文特性量值溯源方法、交流量子技术在电子式互感器校验仪整检装置的应用等。第七章介绍数字化计量系统的数据应用，包括交直流量测数据的应用、区块链的智慧实验室数据应用。第八章介绍量子计量技术，包括量子电流、量子电压和量子传感技术应用。第九章为展望，对于数字化计量在综合能源的应用，以及数字孪生技术做了展望。

中国电机工程学会高级会员，国家一级注册计量师，中国电力科学研究院计量所高压计量产品性能试验研究室主任，j教授级高工，长期从事数字化计量研究工作，牵头开展了国网公司重点工作“数字化计量体系建设研究工作”，完成了数字化计量系统顶层设计，初步建立了数字化计量标准体系及量值溯源传体系，为公司数字化计量体系建设工作做出了开创性的贡献。主持完成多项国网公司重大科技攻关项目，发表EI/SCI论文20余篇，授权发明专利10余项，获得省部级奖励6项，获得2019年中国专利银奖。牵头负责国网公司数字化多次主持和主要参与国家重大科技项目的攻关，主持起草了电力行业标准《电子式互感器接口规范》、《电子式互感器校验仪通用技术条件》、国网公司企业标准《计量用合并单元技术条件》，正在主持起草国家计量技术法规《电子式互感器校准规范》、《合并单元检定规程》，《光纤电流互感器技术条件》等多项相关的技术规范。

一个国家的计量水平在一定程度上反映了国家科学技术和经济发展水平，计量属于基础学科领域和国家公益事业范畴。在电力系统中，高电压大电流计量技术广泛用于电力继电保护、贸易结算、测量测控、节能降耗、试验检测等方面，是电网安全、稳定、经济运行的重要保障，其重要性不言而喻。经历几代计量人的持续潜心研究，我国攻克了一批高电压大电流计量领域关键核心技术，电压/电流的测量范围和准确度均达到了国际领先水平，并建立了具有完全自主知识产权的新一代计量标准体系。这些技术和成果在青藏联网、张北柔直、巴西美丽山等国内外特高压输电工程中大量应用，为特高压电网建设和稳定运行提供了技术保障。近年来，德国、澳大利亚和土耳其等国家的最高计量技术机构引进了我国研发的高电压计量标准装置。丛书作者总结多年研究经验与成果，并邀请中国科学院陈维江院士、中国科学院程时杰院士等专家作为顾问，历经三年完成丛书的编写。丛书分五册，对工频、直流、冲击电压和电流计量中经典的、先进的和最新的技术和方法进行了系统的介绍，所涉及的量值自校准溯源方法、标准装置设计技术、测量不确定度分析理论等内容均是我国高电压大电流计量标准装置不断升级换代中产生的创新性成果。丛书在介绍理论、方法的同时，给出了大量具有实际应用意义的设计方案与具体参数，能够对本领域的研究、设计和测试起到很好的指导作用，从而更好地促进行业的技术发展及人才培养，以形成具有我国特色的技术创新路线。随着国家实施绿色、低碳、环保的能源转型战略，高电压大电流计量技术将在电力、交通、军工、航天等行业得到更为广泛的应用。丛书的出版对促进我国高电压大电流计量技术的进一步研究和发展，充分发挥计量技术在经济社会发展中的基础支撑作用，具有重要的学术价值和实践价值，对促进我国实现碳达峰和碳中和目标、实施能源绿色低碳转型战略具有重要的社会意义和经济意义。