電能計(jì)量系統(tǒng)概況綜述

李瑞

摘要：本文從原理上回顧了電能計(jì)量的系統(tǒng)發(fā)展歷程，闡述了電磁互感器及機(jī)械式電能表，電子式互感器及電子式電能表的原理和特點(diǎn)，并綜述了現(xiàn)代電能計(jì)量系統(tǒng)的現(xiàn)狀和發(fā)展方向，指出現(xiàn)代電能計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：電能計(jì)量、電磁互感、電子式互感、信息化

Abstract：This paper reviews the development of electric energy metering system in principle， expounds the principles and characteristics of electromagnetic transformer and mechanical watt-hour meter， electronic transformer and electronic watt-hour meter， summarizes the present situation and development direction of modern electric energy metering system， and points out the characteristics of digitalization， intelligence， standardization and systematization of modern electric energy metering system.

Key words： electric energy measurement， electromagnetic mutual inductance， electronic mutual inductance， informationization

電能計(jì)量系統(tǒng)的主要目的是保證電能生產(chǎn)者和使用者之間公開(kāi)、公平和公正的電力服務(wù)，同時(shí)也方便電力供應(yīng)方系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行電力計(jì)算和考核，其主要工作原理是通過(guò)互感器及其二次回路聯(lián)合電能表按照規(guī)定方式組合而實(shí)現(xiàn)的，對(duì)現(xiàn)有電能計(jì)量裝置運(yùn)行現(xiàn)狀及問(wèn)題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不合格的電能計(jì)量裝置基本都處在二次電流回路和二次電壓回路上。本文對(duì)電能計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展里程進(jìn)行系統(tǒng)闡述，為電能計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展方向提供依據(jù)和參考。

1. 電磁互感器及機(jī)械式電能表

1890年，富拉里發(fā)明感應(yīng)式電度表并被廣泛使用，電磁互感器是給予電磁感應(yīng)原理，在電流測(cè)量中一直占據(jù)主要位置，感應(yīng)式電能表基本上采用電氣機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用電磁感應(yīng)原理制成。與之對(duì)應(yīng)的是機(jī)械式電能表，機(jī)械式電能表包括固定的鐵芯線圈和活動(dòng)轉(zhuǎn)子，當(dāng)線圈通過(guò)交變電流時(shí)，交變磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生磁力，引起活動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生扭矩。直到本世紀(jì)六十年代，互感式電能表使用百余年。但電磁互感器的工作原理決定了電能表其結(jié)構(gòu)存在機(jī)械磨損，機(jī)械阻力，磁場(chǎng)影響等其精度的因素。而隨著超高壓電力輸送網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和電容量的更新，因?yàn)槠浣^緣難度大，防爆困難，體積大，互感器輸出信號(hào)不能直接對(duì)接微機(jī)的計(jì)量接口等原因，傳統(tǒng)電磁互感器的工作方式也越來(lái)越難以滿(mǎn)足需求。

2. 電子式互感器及電子式電能表

1976年，日本研制出了電子式電表，此后，電子式電表從電壓、電流及功率等方向進(jìn)一步發(fā)展。電子式互感器是一種輸出范圍寬的無(wú)鐵芯式新型互感器，其輸出可以數(shù)字化。光電式電壓互感器基于pochels光電效應(yīng)，由傳感頭與電子測(cè)量電路組合構(gòu)成，光電式電流互感器以法拉第光效應(yīng)或者洛科夫斯基空心線圈為理論基礎(chǔ)。上世紀(jì)九十年代，數(shù)字采用技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于電功率的測(cè)量，電子式電能表是以處理器為核心，對(duì)被測(cè)量的各種數(shù)字化參數(shù)進(jìn)行判斷、處理和運(yùn)算。電子式電能表的核心計(jì)量芯片，一種為采用dsp技術(shù)、運(yùn)用高精度快速進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并將控制電路、轉(zhuǎn)換器和基準(zhǔn)電路等集成到一片芯片上的電子電能表，另一種是采用模擬算法進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換計(jì)算電能的電子電能表。電子式電能互感器具有精度高，工作穩(wěn)定，對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。電子式電能表將負(fù)責(zé)的二次回路合并到一個(gè)數(shù)字單元上，體現(xiàn)了數(shù)字信號(hào)的優(yōu)越性，取代了大量的二次電纜線，徹底解決了二次接線復(fù)雜的問(wèn)題。

3. 現(xiàn)代電能計(jì)量系統(tǒng)

現(xiàn)代電能計(jì)量系統(tǒng)以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為發(fā)展基調(diào)，電壓、電流測(cè)量輸逐漸實(shí)現(xiàn)信息數(shù)字化和信息傳網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)過(guò)程一種是對(duì)傳動(dòng)的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化改造，另一種是直接新建數(shù)字化電網(wǎng)系統(tǒng)?，F(xiàn)代電能計(jì)量系統(tǒng)主要有兩種結(jié)構(gòu)。

3.1電子式互感器電能計(jì)量系統(tǒng)

數(shù)字化電站結(jié)構(gòu)由過(guò)程層、間隔層、站控層三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，而位于間隔層的數(shù)字化電能表從位于過(guò)程層的合并單元或數(shù)字化變電站外置互感器接 收采樣數(shù)據(jù)來(lái)完成計(jì)量工作。其中電子式互感器采 集一次側(cè)三相電壓信號(hào)、三相電流信號(hào)，合并單元輸出 IEC 61850 協(xié)議報(bào)文中包含三相電壓波形數(shù)據(jù)、三相電流波形數(shù)據(jù)。數(shù)字化電能表為全數(shù)字處理系 統(tǒng)，接收對(duì)應(yīng)合并單元輸出的 SMV 報(bào)文，解析出電 壓、電流波形的瞬時(shí)值，進(jìn)行功率和電能計(jì)算。數(shù)字化電能表 / 電子式互感器構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)中，數(shù)字化電能表獲取已經(jīng)數(shù)字化的電壓、電流瞬 時(shí)值后，計(jì)算得到所需電量值。由于數(shù)字計(jì)算過(guò)程理論上不會(huì)產(chǎn)生任何誤差，所以數(shù)字化電能表不規(guī)定精度等級(jí)。

3.2傳統(tǒng)互感器改造數(shù)字化電能計(jì)量系統(tǒng)

目前電子式互感器產(chǎn)品不是很成熟，相關(guān)的檢測(cè)也未能很好的考慮現(xiàn)場(chǎng)的使用環(huán)境，因此事故率比傳統(tǒng)互感器高。運(yùn)用電網(wǎng)系統(tǒng)電流互感器和電壓互感器運(yùn)行可靠，故障率低的特點(diǎn)，模擬輸入合并單元采集傳動(dòng)電磁電流互感器的信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電流數(shù)字信號(hào)和電壓數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，并提供后續(xù)數(shù)字電能表設(shè)備的信號(hào)參數(shù)，數(shù)字電能表對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行處理計(jì)算。

3.3現(xiàn)代電能計(jì)量系統(tǒng)的檢定

現(xiàn)代電能計(jì)量系統(tǒng)的檢定包括合并單元的檢定和數(shù)字化定能表的檢定，合并單元的檢定所用設(shè)備結(jié)構(gòu)上應(yīng)該包括三相模擬功率源和單元校驗(yàn)儀，三相模擬功率源的電壓和電流、頻率相位獨(dú)立連續(xù)可調(diào)。合并單元的檢驗(yàn)應(yīng)同時(shí)完成模擬量輸入合并單元誤差校驗(yàn)和自動(dòng)檢驗(yàn)流程。數(shù)字式電能表的測(cè)定采用傳統(tǒng)方式不能完成，常用方式為采用標(biāo)注數(shù)字功率源法進(jìn)行測(cè)定活采用模擬標(biāo)準(zhǔn)源及模擬標(biāo)準(zhǔn)表法進(jìn)行測(cè)定，前一種比較理論電能值和備件電能表的累積電能值，計(jì)算出被檢數(shù)字電能誤差，后一種采用A/D轉(zhuǎn)換對(duì)模擬信號(hào)采樣，對(duì)比模擬標(biāo)準(zhǔn)表，從而進(jìn)行電能表檢定。

4.結(jié)語(yǔ)

本文從原理上回顧了電能計(jì)量的系統(tǒng)發(fā)展歷程，隨著電能市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電能計(jì)量的科學(xué)性和準(zhǔn)確性收到社會(huì)各方面的關(guān)注，21世紀(jì)是信息網(wǎng)絡(luò)化、高新科技被廣泛應(yīng)用的時(shí)代，電能計(jì)量逐漸實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化和系統(tǒng)化也是現(xiàn)代電能表的發(fā)展趨勢(shì)。電能計(jì)量技術(shù)在新時(shí)期的應(yīng)用也會(huì)隨著科技的發(fā)展產(chǎn)生化學(xué)連鎖反應(yīng)，如電能計(jì)量自動(dòng)抄表技術(shù)等的發(fā)展，新的發(fā)展方向和勢(shì)頭也要求電能計(jì)量技術(shù)往更科學(xué)、合理和可靠的方向進(jìn)步，現(xiàn)代電能計(jì)量技術(shù)還有許多待改進(jìn)的地方，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電能計(jì)量技術(shù)也必將日益成熟，對(duì)現(xiàn)代電能計(jì)量技術(shù)的更新，不僅是對(duì)電能計(jì)量最高技術(shù)的突破，也符合新時(shí)期科技智能發(fā)展的方向。

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