技術(shù)天地
三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀與展望
發(fā)布日期：2020-06-27 點(diǎn)擊：44001次
2003年以來，也就是中國的城市和農(nóng)村電網(wǎng)進(jìn)行大規(guī)模改造、建設(shè)之后，電力系統(tǒng)對(duì)三相多功能表的需求量迅速增長，2004年產(chǎn)量估計(jì)約70萬臺(tái)，以不足全國電能表總產(chǎn)量1%的份額，創(chuàng)造11%的電能表總產(chǎn)值。由此，國際、國內(nèi)電表企業(yè)紛紛看好商機(jī)，抓緊新技術(shù)開發(fā)，不斷推出三相多功能表的新產(chǎn)品，以滿足電能表市場的應(yīng)用需求。
與傳統(tǒng)的機(jī)械表相比，采用電子計(jì)量原理的三相多功能表，具有高精度、多參數(shù)測量、諧波功率電能計(jì)量等優(yōu)勢(shì)。從總體評(píng)價(jià)，三相多功能表還是穩(wěn)態(tài)電力負(fù)荷計(jì)量產(chǎn)品，由于其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大，電力系統(tǒng)對(duì)電表不斷提出新的技術(shù)要求?，F(xiàn)有的三相多功能表性能和品質(zhì)，都不能完全適應(yīng)電力系統(tǒng)的需求。因此，如何正確把握產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，將三相多功能表技術(shù)水準(zhǔn)推向一個(gè)新的高度，無疑是電表行業(yè)和電力系統(tǒng)共同關(guān)注的課題。
一、引進(jìn)的三相多功能電能表新技術(shù)
引進(jìn)的三相多功能表新技術(shù)，代表目前國際上電能表技術(shù)的高水平：
1、高精度、長壽命計(jì)量三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀
準(zhǔn)確度為0.1%的有功電能計(jì)量，超過IEC在線計(jì)量的高準(zhǔn)確度要求，其誤差曲線的帶寬為+/-0.05%；
0.2 S級(jí)三相基波表，具有分相的2—50次諧波有功功率計(jì)量；
0.2S級(jí)長壽命的電網(wǎng)關(guān)口表，具有電能質(zhì)量計(jì)量模塊。
2、高速率、實(shí)時(shí)測量三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀
交流采樣速率為256點(diǎn)/周波，記錄周期短為10毫秒；
電能質(zhì)量計(jì)量：63次諧波、電壓閃變、故障錄波78微秒的瞬變，供電可靠性指標(biāo)的記錄為99.9999999%。
3、開放式、高速率通信技術(shù)應(yīng)用
開放式通信協(xié)議IEC62056-61/62/53/46/42，抄表、費(fèi)率、負(fù)荷控制數(shù)據(jù)交換；
互聯(lián)網(wǎng)通信，自動(dòng)發(fā)送E-mail報(bào)警信號(hào)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)刷新、數(shù)據(jù)記錄，通過以太網(wǎng)連接到某些國際知名的電量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)的關(guān)口表，Web服務(wù)器可直接讀取電表各種實(shí)際數(shù)據(jù)、電能質(zhì)量參數(shù)，無需任何專用軟件。
4、三相電能計(jì)量專用芯片三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀
采用低頻濾波法計(jì)量諧波無功功率的三相計(jì)量芯片，高位∑-△A/D，負(fù)荷動(dòng)態(tài)范圍1000：1，線性度0.1%，具有溫度測量功能，片上接口可直接與微分電流互感器連接；精度優(yōu)于0.1%的三相SOC單芯片，21位2階∑-△A/D，32位可編程的電能量計(jì)算引擎，負(fù)荷動(dòng)態(tài)范圍2000：1，片內(nèi)集成：高速8051單片機(jī)、硬實(shí)時(shí)鐘、LCD驅(qū)動(dòng)電路、看門狗電路、定時(shí)器、多種存儲(chǔ)器、多種通信接口等。
5、諧波功率電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)
在歐洲：三相0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，具有諧波功率計(jì)量功能；建立起諧波有功功率、諧波視在功率的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)；
在美國：電能表自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，在任意波形諧波總含量30%以下，計(jì)量準(zhǔn)確度為+/-0.005%—0.05%；高精度三相標(biāo)準(zhǔn)表，在功率因數(shù)低于0.5（60°—90°），計(jì)量準(zhǔn)確度為+/-0.02%/功率因數(shù)；電能功率標(biāo)準(zhǔn)源，提供七種非正弦信號(hào)的無功功率計(jì)算方法。
需要指出：盡管IT產(chǎn)業(yè)新技術(shù)的應(yīng)用，推動(dòng)了進(jìn)口電能表技術(shù)的快速發(fā)展，但是現(xiàn)在進(jìn)口的在線電能表產(chǎn)品技術(shù)不規(guī)范，0.1級(jí)電能表、任意波形功率和電能計(jì)量、0—360°計(jì)量等關(guān)注的問題正在探索，電能表誤差穩(wěn)定性、可靠性指標(biāo)尚未量化，器件損壞、數(shù)據(jù)丟失、自檢有誤的情況時(shí)有發(fā)生，這些情況說明進(jìn)口電能表技術(shù)走向成熟還有一個(gè)很長的過程。
二、國產(chǎn)三相多功能電能表新技術(shù)
國產(chǎn)電子式三相多功能表技術(shù)開發(fā)起步較晚，近幾年，注重吸收國際計(jì)量技術(shù)與管理經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)化自主開發(fā)，取得了許多新的技術(shù)成果：
1、三相多功能表
0.2S級(jí)有功功率計(jì)量，16位∑-△A/D，160M IPS的DSP，交流采樣速率256點(diǎn)/周波，運(yùn)行和備用兩套費(fèi)率時(shí)段，負(fù)荷曲線記錄和容量為4M字節(jié)的存儲(chǔ)器，寬電源電壓范圍，互感器合成誤差補(bǔ)償，變壓器銅損、鐵損計(jì)算；
0.5S級(jí)三相基波有功表；
采用三相SOC單芯片或三相有功、無功計(jì)量芯片的低端三相多功能表設(shè)計(jì)，從技術(shù)上適應(yīng)電表量大、面廣的市場需求；
高壓電能表，采用電子式傳感器，懸浮式電源設(shè)計(jì)，有功電能計(jì)量準(zhǔn)確度為0.5級(jí)，用于10千伏中壓電網(wǎng)直接計(jì)量電能量。
2、諧波功率、電能計(jì)量三相電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀
三相諧波表，有功功率計(jì)量0.2S級(jí)，無功功率計(jì)量0.5S級(jí)，高準(zhǔn)確度的基波和諧波有功電能計(jì)量，采用實(shí)時(shí)積分法計(jì)算總有功電能，通過FFT算法，提供基波、諧波電能量和諧波功率方向；
沖擊負(fù)荷電能計(jì)量理論與算法，應(yīng)用廣義功率理論，定義任意波形的單相電路和三相電路的功率，應(yīng)用正弦電路功率理論、傳統(tǒng)非正弦電路功率理論和廣義功率理論進(jìn)行沖擊負(fù)荷的有功、無功、視在、畸變、三相不對(duì)稱功率電能的計(jì)算；
基于IIR型Hilbert數(shù)字濾波法的諧波無功功率的測量，Hilbert數(shù)字濾波器具有優(yōu)越的頻率響應(yīng)特性，數(shù)值計(jì)算簡單，經(jīng)計(jì)算的諧波無功功率，與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果只差0.02%；
諧波有功功率潮流分析方法，經(jīng)研究指出：FFT理論具有局限性，實(shí)際的電力負(fù)荷，除基波和整數(shù)倍頻成份外，尚有間諧波存在，需要開發(fā)電能表新的算法。
3、三相電能計(jì)量專用芯片
具有基波/諧波電能計(jì)量的三相多功能計(jì)量芯片，16位∑-△A/D、24位DSP，負(fù)荷動(dòng)態(tài)范圍1000:1，線性度0.1%，測量帶寬21次諧波，集成溫度傳感器；
采用Hilbert數(shù)字濾波器計(jì)量諧波無功功率的三相計(jì)量芯片；
采用數(shù)字并行算法和降低晶振頻率技術(shù)的低功耗三相有功功率計(jì)量芯片。
4、基于GPRS通信網(wǎng)的用電需求側(cè)管理系統(tǒng)及其終端
該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程抄表、用電異常信息報(bào)警、電能質(zhì)量檢測、線損分析、無功電壓管理和電力負(fù)荷控制管理等功能，系統(tǒng)指標(biāo)為：并發(fā)數(shù)據(jù)量不小5萬采集點(diǎn)，一次采通率不小于95%，二次采通率不小于99.5%，遙測合格率大于98%，對(duì)時(shí)精度小于100毫秒。
5、關(guān)口表遠(yuǎn)程校準(zhǔn)系統(tǒng)
該系統(tǒng)由多路關(guān)口表的測量、校準(zhǔn)回路和計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，就是將高精度三相標(biāo)準(zhǔn)表置于變電站內(nèi)環(huán)境條件符合要求的場所，被測電流的變換是通過計(jì)量電流互感器的二次回路接入0.02級(jí)、5/0.的中間互感器，標(biāo)準(zhǔn)表和關(guān)口表的三相接線方式和有功、無功計(jì)量方式是通過工控機(jī)指令切換，關(guān)口表的實(shí)時(shí)誤差通過專用信道送至系統(tǒng)主站，整個(gè)系統(tǒng)誤差為0.1%。
6、電能質(zhì)量和電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)
準(zhǔn)確度為0.02%的數(shù)字式三相標(biāo)準(zhǔn)表，四象限測量，多種無功功率計(jì)量方式，諧波和基波有功功率計(jì)量，50次諧波分析，三相不對(duì)稱測量；
電力系統(tǒng)的正弦無功功率計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，它以電流比較儀技術(shù)為基礎(chǔ)，通過基本電學(xué)參量溯源，正弦無功功率計(jì)量的擴(kuò)展不確定度為75×10-6；
電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，包括：諧波電壓、電流測量，諧波次數(shù)從直流和2—100次整數(shù)倍諧波，任意次間諧波，諧波電壓擴(kuò)展不確定度為0.02%，諧波電流擴(kuò)展不確定度為0.04%；閃變，常用的指標(biāo)是短時(shí)間閃變Pst（10min）和長時(shí)間閃變Plt（2h），該標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度為0.5%；頻率：1Hz-21MHz，該裝置擴(kuò)展不確定度為2×10-10；相位，該標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展不確定度為0.02°；
產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，鑒于國際上尚未有三相多功能表的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，中國電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織起草國家標(biāo)準(zhǔn)《多功能電能表特殊要求》，現(xiàn)正進(jìn)入審定階段。制定該標(biāo)準(zhǔn)的目的，是為制造商和使用電能的用戶提供一個(gè)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，并使其體現(xiàn)產(chǎn)品訂貨技術(shù)規(guī)范的大部分內(nèi)容，多功能表的通用要求，將參照中國相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的的內(nèi)容。
綜上所述，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，中國的三相多功能表門類比較齊全，中、低端電表技術(shù)開發(fā)水平較高，特別是沖擊負(fù)荷電能計(jì)量理論與算法、諧波無功功率計(jì)量、具有諧波功率計(jì)量的三相專用芯片、高壓電能表、GPRS通信技術(shù)應(yīng)用、電能遠(yuǎn)程校準(zhǔn)等技術(shù)項(xiàng)目具有創(chuàng)新意義。但是也應(yīng)該看到，電表技術(shù)沒有完全過關(guān)，電網(wǎng)關(guān)口計(jì)量仍以進(jìn)口電表為主導(dǎo)產(chǎn)品，這是一個(gè)值得深思的問題。
三、未來三相多功能電能表技術(shù)的走向
正視現(xiàn)狀，展望未來，需要超前預(yù)測電表應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)要求的不斷變化，才能正確把握今后產(chǎn)品技術(shù)的走向。
1、應(yīng)用領(lǐng)域的拓展：近幾年，中國的社會(huì)用電量迅速增長，全國聯(lián)網(wǎng)，特高壓電網(wǎng)建設(shè)，百萬千瓦級(jí)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)，家居網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)程，電網(wǎng)經(jīng)營管理改進(jìn)和計(jì)量新技術(shù)應(yīng)用等要素，推進(jìn)電表應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，主要是：
從用電計(jì)量計(jì)費(fèi)擴(kuò)大到配電變壓器、變電站的經(jīng)濟(jì)管理和用電需求側(cè)管理的計(jì)量；
從用戶計(jì)費(fèi)擴(kuò)大到發(fā)電廠上網(wǎng)電量、跨省電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線交換電量的計(jì)費(fèi)；
從315千伏安及以上的大工業(yè)用戶計(jì)費(fèi)擴(kuò)大到100千伏安及以上的商業(yè)、非工業(yè)、普通工業(yè)戶的計(jì)費(fèi)，以上電表應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，引起計(jì)量點(diǎn)總量估計(jì)由60萬個(gè)擴(kuò)大到400萬個(gè)，電表應(yīng)用需求量前景看好。
2、技術(shù)要求的更新：隨著電表應(yīng)用范圍擴(kuò)大，電力系統(tǒng)提出許多具有專業(yè)特點(diǎn)的計(jì)量要求
傳統(tǒng)計(jì)費(fèi)電表的通用要求，有功、無功電能計(jì)量，大需量計(jì)量，費(fèi)率時(shí)段，單方向、雙方向和不完整的四象限計(jì)量，多參數(shù)測量，多種計(jì)時(shí)要求，多種通信方式，自檢、報(bào)警，停電抄表，失壓、斷相、停電、失流、三相不對(duì)稱、編程預(yù)置、需量復(fù)位等事件記錄；
新提出的通用要求，運(yùn)行和備用兩套費(fèi)率時(shí)段，0-360°計(jì)量，具有時(shí)標(biāo)的視在電能計(jì)量，小需量計(jì)量，Qh計(jì)量，溫度誤差自動(dòng)補(bǔ)償，諧波電壓、電流總含量和諧波污染程度測量，防竊電基礎(chǔ)技術(shù)，同時(shí)，計(jì)費(fèi)電表要準(zhǔn)確可靠，功能簡單、實(shí)用；
關(guān)口表的特殊要求，zui高準(zhǔn)確度提高到0.1級(jí)，電表穩(wěn)定性和可靠性指標(biāo)要量化，低負(fù)荷計(jì)量，需量周期、費(fèi)率時(shí)段的同步和主、副表實(shí)時(shí)比對(duì)，電表遠(yuǎn)程校準(zhǔn)等；
大工業(yè)戶計(jì)量的特殊要求，諧波、沖擊負(fù)荷計(jì)量，功率越限報(bào)警，主變壓器損耗計(jì)量，互感器合成誤差補(bǔ)償，電能質(zhì)量計(jì)量等；
中等容量戶計(jì)量的特殊要求，大電流計(jì)量，半波通過電流互感器計(jì)量，三相不平衡、不對(duì)稱計(jì)量；
變電站進(jìn)線、出線計(jì)量的特殊要求，主變壓器損耗計(jì)量，變電站的有功、無功、視在電能平衡計(jì)量，無功功率控制信號(hào)輸出，用戶線路的特殊要求，參照大工業(yè)戶計(jì)量的特殊要求內(nèi)容；
配電變壓器計(jì)量的特殊要求，停電采集，三相不平衡、不對(duì)稱測量，中性線電流測量，變壓器油溫測量，變壓器損耗計(jì)量和有功、無功、視在電能平衡，電力線路損耗電量的核實(shí),等；
用電需求側(cè)管理系統(tǒng)終端的特殊要求，功率越限報(bào)警和主動(dòng)上報(bào)，電力負(fù)荷開關(guān)投切信號(hào)輸出等。
同時(shí)，為整頓與抑制目前出現(xiàn)的對(duì)三相多功能表功能要求過多，技術(shù)條件出臺(tái)無序的情況，建議電力系統(tǒng)按不同應(yīng)用領(lǐng)域制訂統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。
注：諧波污染程度，暫定義為：非基波視在功率/基波視在功率
3、產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展趨向
三相多功能表技術(shù)要跟蹤應(yīng)用需求的不斷變化，也就明示了今后產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展趨向：
電表多門類：由單一的計(jì)費(fèi)產(chǎn)品發(fā)展到關(guān)口計(jì)量、配電變壓器計(jì)量、變電站計(jì)量、大工業(yè)戶計(jì)量、中等容量戶計(jì)量、用電需求側(cè)管理系統(tǒng)及終端6類產(chǎn)品，分別制訂產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范；
關(guān)口電能表，要發(fā)展高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、快速測量、0-360°計(jì)量、多通信方式和協(xié)議，經(jīng)國際、國內(nèi)同類電表的比較，提出量化指標(biāo)和測試方法；
計(jì)費(fèi)用三相多功能表要計(jì)量準(zhǔn)確、簡單可靠、講求實(shí)用，逐步發(fā)展三相SOC單芯片，開發(fā)具有諧波電壓、電流總含量和諧波污染程度的測量技術(shù)，研究溫度、電壓、頻率、相位改變的自適應(yīng)計(jì)量；
諧波有功、無功、視在功率電能計(jì)量實(shí)用化產(chǎn)品，改進(jìn)諧波下的功率因數(shù)計(jì)算方法，推進(jìn)電能質(zhì)量市場建立與發(fā)展，也為提高冶煉企業(yè)、電氣化鐵路的計(jì)量準(zhǔn)確度做準(zhǔn)備；
早期三相多功能表需要更新?lián)Q代，要通過調(diào)查研究，提出新一代電表技術(shù)規(guī)范；
基于GPRS通信網(wǎng)的用電需求側(cè)管理系統(tǒng)及終端，要改進(jìn)實(shí)時(shí)性和安全性技術(shù)，從長遠(yuǎn)看，即使將來電力不緊張，用于配電變壓器計(jì)量與抄表、居民用電遠(yuǎn)程抄表，其發(fā)展前景也很好；
電力網(wǎng)損耗計(jì)量與防竊電基礎(chǔ)技術(shù)，包括：電量具有時(shí)標(biāo)，電量波動(dòng)分析軟件，電量異常報(bào)警與主動(dòng)上報(bào)，變壓器、電力線路損耗計(jì)量，電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)、母線和電力線路的電量平衡計(jì)量；
全國聯(lián)網(wǎng)、省網(wǎng)的總電量計(jì)量、計(jì)算和電能量數(shù)據(jù)組網(wǎng)，要提到議事日程；
加強(qiáng)國內(nèi)電能質(zhì)量和電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，包括：基波、諧波功率電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，進(jìn)口急需而國內(nèi)缺門的國際新型計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，滿足在線電表新產(chǎn)品計(jì)量溯源的要求；
后是研究制訂三相多功能表質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與測試方法，提高在電網(wǎng)上運(yùn)行電表的整體技術(shù)品質(zhì)。
