配網高壓電能計量裝置整體校準技術研究*

陳纓，岳長喜，楊勇波，朱凱，項瓊，王歡

（1.四川省電力科學研究院，成都，610072；2.中國電力科學研究院，武漢430074）

0 引 言

高壓電能計量裝置一般包括電壓互感器、電流互感器和電能表三部分，在電網中承擔電能計量、線損監測和負荷分配等任務［1-2］。為了合理使用和管理高壓電能計量裝置，原水利電力部在1983年頒發實施的SD 109-1983《電能計量裝置校驗規定》中提出了電能計量裝置綜合誤差（γ）的概念，即綜合誤差（γ）是電能表誤差（γb）、互感器的合成誤差（γh）以及電壓互感器二次回路壓降引起的誤差（γd）三者的綜合［3］。因此，我國電能計量部門長期以來通過對電能表、互感器、二次壓降分別實施檢定校準，間接控制整個高壓電能計量裝置的誤差［4-9］。

近年來，一體化直接接入式高壓電能表逐漸在我國配電網中得到應用。該高壓電能表由裝入同一殼體內的高壓電流電壓傳感器、高壓供電單元、電能計量單元、內置計度顯示單元、通信單元等組成。文章介紹了一種高壓電能計量裝置整體誤差測量系統，運用該系統直接測量一套高壓電能計量裝置的誤差，并將測量結果與綜合誤差的結果進行計量比對，分析了綜合誤差法存在的不足。

1 基本誤差直接測量

1.1 高壓電能計量裝置整體誤差測量系統

高壓電能計量裝置整體誤差測量系統的結構原理如圖1所示。其中計算機控制系統、低壓程控信號源、功率放大器、升壓變壓器、升流變壓器等組成整個系統的電源部分，用戶通過計算機軟件設定低壓程控信號源輸出電壓和電流的幅值、波形、頻率和相位，低壓信號源的輸出經功率放大器、升壓變壓器和升流變壓器后即形成高電壓、大電流。為了消除升壓器變壓和升流變壓器引起的幅值和相位偏移，將生成的高電壓和大電流信號首先施加至標準互感器，互感器的二次輸出信號作為反饋信號傳輸至控制系統，由控制系統計算、調整并最終鎖定輸出電壓電流的幅值相位，整體閉環構成一個穩定的三相高壓大電流功率源。此外，圖1中的標準電壓互感器、標準電流互感器和低壓標準電能表組成高壓電能計量標準裝置，以其輸出作為參考校準高壓電能計量裝置的誤差。

圖1 高壓電能計量裝置整體誤差測量系統原理框圖Fig.1 Principle block diagram of the integrated error measurement system of high voltage electric energy metering device

該系統額定電壓為10 kV和35 kV，最大工作電流為1 000 A，其中三相高壓大電流功率源的有功功率穩定度優于5×10－5，標準電壓互感器、標準電流互感器以及低壓標準電能表均為0.01級，組成高壓電能計量標準裝置的準確度優于0.05%，能夠用于開展0.2級及以下高壓電能計量裝置的直接校準。

1.2 測量樣品及結果

以10 kV三相兩元件組合式互感器和低壓三相電能表組成高壓電能計量裝置，其中電流互感器的一次額定電流為100 A，電壓互感器、電流互感器和電能表均為0.2級。用上文所述的高壓電能計量裝置整體誤差測量系統對其誤差進行直接測量，所得結果及其不確定度如表1所示［10-13］。

表1 直接測量法校準結果Tab.1 Calibration result of direct measurement method

2 綜合誤差法間接測量

為了對上述高壓電能計量裝置整體誤差測量系統的校準結果進行驗證，本文對組成被校準高壓電能計量裝置的電壓互感器、電流互感器和電能表的誤差進行分別測量，然后用綜合誤差計算公式間接求得其整體誤差。由于本文直接測量時組合互感器和低壓電能表放置在一起，二次回路的距離非常小，所以二次回路壓降及其引起的電能誤差可以忽略不計，其綜合誤差通過對互感器的合成誤差（γh）和電能表誤差（γb）的測量和計算得到。影響電能計量裝置綜合誤差的因素非常多，在測量過程中必須控制實驗室的溫度、濕度、環境電磁場、電源穩定性等條件，以確保各誤差測量結果是在近似相同條件下的值，這樣最終計算得到的綜合誤差才與整體法測得的結果有可比性。

2.1 組合互感器和低壓電能表的誤差測量

參照JJG 596《電子式交流電能表》檢定規程，使用0.02級三相電能表檢定裝置對低壓電能表進行校準，試驗結果如表2所示。

表2 低壓電能表校準結果Tab.2 Calibration result of low voltage power meter

參照JJG 313《測量用電流互感器》、JJG 314《測量用電壓互感器》檢定規程，使用0.01級電流互感器和0.01級電壓互感器對組合互感器進行校準，試驗結果如表3～表6所示。

表3 AB相間電壓互感器測量數據Tab.3 Measurement data of voltage transformer in phase AB

表4 CB相間電壓互感器測量數據Tab.4 Measurement data of voltage transformer in phase CB

表5 A相電流互感器測量數據Tab.5 Measurement data of current transformer in phase A

表6 C相電流互感器測量數據Tab.6 Measurement data of current transformer in phase C

2.2 綜合誤差計算及其不確定度評定

對于三相三線式高壓電能計量裝置，其綜合誤差計算公式為：

由于所用低壓電能表電壓端子的輸入阻抗很大，而電流端子的輸入阻抗很小，其與組合互感器連接時，近似認為組合互感器的電壓單元和電流單元均運行在輕載狀態，將表2中低壓電能表的誤差，表3～表6中互感器下限負載的誤差帶入式（1）進行計算，得到高壓電能計量裝置的綜合誤差如表7所示。

表7 綜合誤差計算結果Tab.7 Calculation results of comprehensive error

根據式（1）和式（2）所示的不確定度傳播規律計算公式，可以根據低壓電能表、互感器的校準不確定度，計算得到高壓電能計量裝置綜合誤差的不確定度。

3 兩種方法比對和討論

在計量比對中一般使用En值評定兩種方法測量結果的一致性。

式中γ1為綜合誤差法計算結果；γ2為直接法測量結果；U1為綜合誤差法計算結果的擴展不確定度；U2為直接法法測量結果的擴展不確定。

根據表1和表7中的數據可計算得到各測量點的En值如表8所示。兩種方法之間的En小于1，比對結果表明兩者的一致性符合要求，由此可見采用本文所述高壓電能計量裝置整體誤差測量系統直接測量高壓電能計量裝置的誤差，所得結果準確可靠。

表8 E n值計算結果Tab.8 Calculation result of E n

需要說明的是，采用綜合誤差法計算高壓電能計量裝置的整體誤差時，所得結果只有在實驗室特定條件下才成立。實際運行中溫濕度、環境電磁場、工作電流、功率因數等因素不斷變化，不可能得到電能表、互感器、二次回路壓降在相同條件下的誤差值，因此也無法得到實際運行中電能計量裝置的綜合誤差。按照DL／T 448《電能計量裝置技術管理規程》配置高壓電能計量裝置時，若將互感器誤差、電能表誤差和二次壓降均限制在±0.2%以內，根據式（1）計算可得高壓電能計量裝置實際運行時，由互感器誤差和二次壓降引起的電能計量誤差限值隨功率因數分布如圖2所示。可見當互感器、電能表和二次壓降的誤差配合不當時，其綜合誤差極有可能超過±0.7%，在低功率因數下甚至有可能超過±2%。這是現行的電能計量裝置管理辦法無法解決的問題，而本文所述的直接測量法則能夠明確得到高壓電能計量裝置的整體誤差，從根源上避免了這一問題的出現。

圖2 電能計量誤差限值隨功率因數分布Fig.2 Distribution of energy metering error limits with power factor

4 結束語

（1）介紹的高壓電能整體誤差測量系統能夠準確測量高壓電能計量裝置的整體誤差；

（2）在實驗室特定條件下，綜合誤差法與直接測量法具有較好的一致性；

（3）由于電網的實際運行狀態存在不確定性，采用綜合誤差法配置高壓電能計量裝置，其整體誤差有可能超過期望的限值；

（4）直接測量法具有快速、準確的優點，可以明確得到高壓電能計量裝置的整體誤差，是配網中高壓電能表、電能計量柜和高壓電力計量箱等高壓電能計量裝置量值傳遞方式的發展方向。