电能计量技术综述Word格式文档下载.docx

1、长寿命和对运行环境不敏感是感应电能表突出的优点。发达国家的产品中,有的采用高质量的双宝石轴承，乃至磁悬浮轴承结构，大大地提高了电能仪表计量精确度和转动元件的寿命。电子式电能表是适应工业现代化和电能计量管理现代化飞速发展的需要而产生的。它不再使用感应式的机械运动测量机构，而由乘法器完成对电功率的测量。其基本结构包括：输入级、乘法器、P/f变换器（Potential/frequency，电位/频率变换器。又称V/F变换器，即电压/频率变换器）、计数显示、控制电路和直流电源部分。准确度高，其中一些还可在很宽的电压、电流和频率范围内使用。微电子技术和信息技术的高速发展，大规模集成电路等的采用，使电子式

2、电能表的使用寿命、准确度和稳定性等技术指标显著改善，功能更广泛。电子式电能表对环境、谐波等环境因素较敏感，价格较贵。特点和发展趋势：1 精度长时间不变，不受安装、运输影响等；2 宽量程、宽功率因数、灵敏度精确度高和防潜可靠；3 可实现集中抄表、多费率、预付费和防窃电等功能；可预留计量容量扩展功能，保护前期投资。电子式电能表的频响曲线则比较平坦，可近似地认为没有衰减。所以电子式电能表具有较宽的频率响应范围。当电网电压和电流都发生畸变时，有可能较准确地测量基波和谐波的功率。但目前国内采用的是全能量的计量方式（即基波和谐波的综合功率），使谐波环境下的电能计量不合理：线性用户受谐波危害，反而被多计量了

3、电能；非线性用户发出谐波，污染了电网，却因为输出谐波而少计量了电能。智能电能表：计量有功（无功）外，还具有分时、测量需量等两种以上的功能。并能显示、存储和输出数据功能。一般由测量单元和数据处理单元组成。数据处理单元一般由单片机实现，外扩和软件功能强大。近代的智能电能表还带有E/O光电RS232通信接口，能实现网络通信。典型的基波电能计量方法对比见表1。3.谐波电能的计量随着电网中非线性负载日益增多，供电系统中谐波电压和电流成分不断增加，导致电压、电流波形发生较大的畸变。谐波影响电能表的准确计量。目前，对谐波的计量主要有以下几种思路：采用综合功率的方式，基于基波型电能表计量包括基波功率、谐波功率

4、在内的综合实际功率；采取检测、分离的手段分别计量；专用的谐波表进行计量。采用谐波与基波分离的办法，对谐波电能进行分别单独计量，是一种较为合理的方法。目前有基于FFT变换（Fast fourier transform，快速傅里叶变换）的频域分解测量法；虚拟仪器与数据采集板相结合的方法；在线寻零迭代法；不同频带的滤波器进行分离等实现方法。谐波表是谐波环境下电能合理计量的专用仪表，它能分别准确计量基波电能及谐波电能并判断谐波潮流方向。谐波表以数字信号处理器（DSP）为核心，通过高速交流采样模块完成实时采样，并基于FFT算法对电压、电流进行频域分解，实时积分计算电能。谐波表提供基波电能、谐波电能，通过

5、谐波电能的方向区分用户是谐波源用户，还是非谐波源用户,但不能计量冲击信号等非稳态畸变信号条件下的电能。各种谐波电能的计量方法见表2.4.非稳态畸变电能信号的计量可以用功率分解测量方法，准确地计量非稳态畸变信号条件下的电能。它能够精确地识别功率的频域分布及各个频率上功率潮流，进行基波功率、畸变功率的准确测量。近十几年来，非稳态畸变波形下功率的分解测量问题一直是国内外研究的热点。1） FFT方法是一种按频率点进行信号分解的方法。当谐波源的谐波成分变化较大时，功率、电流等信号的频谱是窄带连续的谱。若采用FFT方法进行电压电流的频域分解测量，理论上必会极大地增加频率点的数量，计算量太大，使该方法无法满

6、足实时测量的要求。傅里叶变换对于高频信号频谱的变化反应不灵敏，只适于分析所有特征大致相同的信号，而不适合分析多尺度信号的过渡过程或突变过程。虽然傅里叶变换能较详细地描绘信号的频域特性，但无法表述信号的时频局域性质，即不具备反映时频局部化功能。2）小波变换具有多分辨率分析的特点，而且在时频领域一样具有表征信号局部特征的能力，是一种时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。它能够对不同的频率成分采用逐渐变细的采样步长，以聚焦到信号的任意细节。特别是对瞬时性的暂态信号进行准确可靠的分析测量。因此，小波变换是分析非稳态信号，或具有奇异性突变信号最有效的方法。但小波变换法的研究目前处于初始阶段，还有

7、许多问题有待解决。到目前为止，小波变换的分频特性在很大程度上依赖于小波基数的选取，利用现有的小波函数均无法实现谐波的准确测量。在技术层面上，实时性问题，也是比较复杂的小波算法所同样面临的问题。3）傅里叶变换和小波变换结合的方法，对电网畸变信号进行分析与检测。应用傅里叶小波变换结合的方法，对动态功率电能进行分析的具体步骤是：首先利用小波变换对非稳态谐波和突变，以及间断点等细节分量进行分析；然后从原始信号中除去非稳态谐波、突变和间断点等细节分量；最后采用傅里叶变换分析稳态过程。该算法能够把频率相近的整数次和非整数次谐波分离，从而提高谐波分析、检测的准确度。可以同时对谐波、间谐波和信号闪变进行测量，

8、效果很好。但傅里叶小波综合算法也存在实时性问题。对各种非稳态畸变信号计量方法比较，见表3。5.结语随着国家电力体制的改革，供用电不断科学化和市场化，对科学合理的电能计量管理更加迫切。电能计量的模块化、网络化及系统化成为计量的技术发展趋势。总的来看，我国电能计量技术正在向着低功耗、谐波计量、负荷监控、高精度和多功能等方向发展。谐波工况下的电能计量摘要:针对电网谐波降低电能质量,严重影响电能计量准确性的问题,分析了感应式电能表和电子式电能表的工作状况,探讨了计算谐波电能并区分谐波来源和谐波潮流方向的电能计量新方法。关键词:谐波;电能计量;电能表1电力系统谐波的产生及危害当电网正弦基波电压施加于非线

9、性设备时,设备吸收的电流与施加的电压波形不同,电流发生了畸变,产生了谐波;谐波电流注入到电网中,使得电网电压发生畸变,这些设备就是电力系统的谐波源。电力系统中的谐波源可分为两类:一是含半导体的非线性元件,如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、变频器等节能和控制用的电力电子设备;二是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源,如交流电弧炉及铁磁谐振设备等,其中尤以电力设备产生的谐波最多。严重的谐波电压和电流能导致继电保护和自动控制设备的误动,产生附加损耗,降低输电效率,直接影响电能计量的准确性。2国标对谐波的限值和计量对电压失真度的要求电网中谐波分量的大小,直接影响电能质量的好坏和电能计量的准确性。国标G

10、B/T 14549电能质量公用电网谐波明确给出了公用电网谐波电压的限制值（见表1）,以及各等级电能表对波形失真度的要求（见表2）。3谐波对电能计量准确度的影响3.1对电磁感应式电能表的影响电磁感应式电能表是通过电磁感应组件来驱动机械计数装置记录电能的。它是按基波情况设计的。在电能表工作时,电压线圈的电流所产生的磁通分为两部分,一部分是穿过铝盘并由回磁板构成回路的工作磁通,另一部分是不穿过铝盘而由左右铁轭构成回路的非工作磁通。而电流线圈所产生的磁通,两次穿过铝盘,并通过电流元件铁芯构成回路。由于电压线圈和电流线圈产生的交变磁通,在不同位置穿过铝盘,并在铝盘的不同位置感应出电流（涡流）,此涡流与磁

11、场相互作用产生推动铝盘转动的力矩,铝盘转动力矩与负载有功功率成正比。当电力系统中有谐波分量存在时,谐波与基波相迭加,电压电流波形发生畸变,而由于铁芯导磁率的非线性,磁通并不能相应地线性变化。根据电路原理,只有同频率的电压和电流相互作用才会产生平均功率,电能表也只有同频率的电压和电流产生的磁通之间相互作用才能产生转矩,畸变的波形通过电磁元件以后,由于磁通不与波形对应变化,导致转矩不能与平均功率成正比而产生附加误差。因此电磁感应式电能表在基波情况下能准确地记录负载消耗的有功功率;在谐波情况下,由于不能实现将多个不同频率的正弦电压和电流产生的机械转矩相叠加,因此不能准确记录负载消耗的谐波有功分量。3

12、.2对电子式电能表的影响电子式电能表的结构主要包括:输入部分、乘法器、积分部分、输出部分。其工作原理是通过电压采样和电流采样,将电压信号和电流信号送入乘法器得到功率通过积分电路进行功率频率转换,得到对应的频率,再对此频率信号计数得到被测电路消耗的能量值送至输出。其工作原理示意图如图1。电子式电能表完全排除了感应式电能表的机械转动、元件磨损、倾斜度等的影响,其误差来自运行环境、元器件质量、电能质量、谐波频率等。与感应式电能表相比,电子式电能表,具有较宽的频率响应,频率误差特性曲线较为平坦,其计量误差受频率变化影响较小,电子式电能表能够将含有多个不同频率、按正弦规律变化的电压和电流分别采样并做运算

13、,记录负载消耗的所有有功能量。从原理上讲,电子式电能表可以记录负载消耗基波和谐波的总能量（代数和）。因此,在谐波存在下以全能量为计量标准时,电子式电能表的计量误差远远小于感应式电能表的计量误差;而以基波能量为计量标准时,电子式电能表的计量误差要比感应式电能表的计量误差大。4谐波工况下的电能计量4.1谐波工况下要求准确计量随着电力市场改革的推进,电能作为一种商品已经全面走向市场化,电能表能否在各种工业状况下准确计量,是发电、供电、用电三方关注的问题,而且电能计量的数据也是计算经济指标的重要依据,因此在谐波工况下依然要求电能计量准确。4.2谐波工况下电能计量分析4.2.1需要计算谐波消耗的电能电网

14、中,高次谐波产生时要消耗一定电能,而且谐波电流在流经送变电设备和用电设备时也要做功,也会产生相应的有功电能和无功电能。故要想保证电能计量准确度,必须计算谐波产生的有功电能和无功电能。把各次谐波产生的有功电能、无功电能一并计算进去,其结果肯定会更加接近实际,提高电能计量的准确度。谐波是一个周期性电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍,从理论上讲任何周期性波形都可以将其分解为傅立叶级数来进行分析,所以利用傅立叶变换法,可以有效分析电力系统中的高次谐波。随着计算机技术的发展和交流离散采样技术的成熟,用傅立叶变换技术进行电能计量已变得非常现实。4.2.2谐波功率对电能计量合理性的影响我国采用全能

15、量的计量方式,在基波情况下能够准确反映用户的用电情况,但是在谐波作用下就产生了较大的差异:当谐波从非线性负载流向电网时,实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后形成的谐波电流反送回电网（如图2）,这是一种电能污染。此时谐波与基波的潮流方向相反,全电子式电能表记录的是基波电能与谐波电能的代数和,记录的电能比负载消耗的基波有功电能还要小,致使电能计量不合理。另外,线性负载吸收电网基波电能的同时又被迫吸收了电网谐波电能,因此电力用户既是电网谐波的受害者,还得多缴纳电网谐波形成的电费,也是不合理的。希望尽早改变这种不合理的电能计量状态。4.2.3推荐一种合理的计量方式发电机提供的是纯正弦波电压源,电

16、网中谐波是电力用户的非线性负荷产生的,因此某个电力用户所引起的配电网谐波电能损耗应由该用户来承担;另外,电力用户希望电网提供纯正弦波电压源,因而,由电网携带的谐波在电力用户中引起的谐波电能损耗应该由电网来承担。为此,对电力用户应采用以下计量方法。用户负荷消耗的总电能WW=消耗的基波电能W1-电网谐波形成的电能W2+负荷产生的谐波电能W3（对线性负荷为零） ,电费电费=k1W1-k2W2+k2W3。k1, k2分别为负荷消耗的基波电能电价、谐波电能的电价。此计量方法不但能够通过经济手段迫使用户采取措施减少注入电网的谐波量,同时对受电网谐波危害的用户也给以部分补偿,提高了电能计量的准确性和合理性。

17、5结论电力谐波直接影响电能计量的准确度,为了保证电能计量准确度,必须计算各次谐波消耗的有功电能。将谐波消耗的电能计入用户总电能时,应该区分谐波分量的来源与性质,以提高电能计量的合理性和公平性。谐波对电能计量表影响的分析一、电能表的结构原理1.感应式电能表的结构和工作原理图1为感应式电表结构示意图，当交变磁通穿过转盘产生感应电流，电压磁通和电流磁通与转盘中产生的感应电流相互作用，在转盘上产生驱动力矩。计算公式MQKIUsin （1）式中K系数；I电流磁通；U电压磁通；电流磁通超前电压磁通的相位角为使得转盘能够有一个稳定的转速来反映一定的负载功率，在转盘上附加一个永久磁铁，可以对转盘产生一个制动力

18、矩MT。MT的计算公式MTKTT2nhT （2）式中hT 力臂；n 转盘的转速；T 穿过转盘的制动磁通；KT制动力矩常数。当MQMT时，转盘能够做匀速转动，可以得到转盘转速与负载消耗电能的关系。设在末段时间T内，负载功率不变，转盘转数为N，则有NAPTAW （3）式中A电能表常数；W负载在T时间内消耗的电能（kWh）；P有功功率。2.电子式电能表的结构和工作原理图2为电子式电能表基本原理图。电子式电能表从工作原理上可分为：模拟式电子电能表和数字式电子电能表。这两种类型乘法器的基本工作原理均可用式（4）表述。 （4）式中W消耗电能；t采样时间间隔；k采样序数；n采样次数。式（4）说明，将采样电压

19、、电流相乘后相加，再乘以采样周期即为平均电能，在一个周期内，n越大则所计算出的电能越准确。谐波对电能表计量的影响1.谐波对电能表自身误差的影响电能表的频率特性是研究在畸变波形下电能表运行状况的重要依据，电能表频率特性曲线平坦与否对其在谐波功率下计数有很大影响。感应式电能表的频率特性曲线如图3所示。图3中，自上而下曲线对应的功率因数分别为0.25（超前），0.5（超前），1，0.5（滞后），0.25（滞后）。通过对感应式电能表的频率特性曲线及相应数据的分析，能够得到：1） 感应式电能表的电能计量误差频率特性曲线呈迅速下降趋势，即感应式电能表在计量高频电能时，会出现误差。2） 计量误差随频率的增高

20、而增大，当频率为1 000 Hz左右时，误差超过90%。3） 不同功率因数下的误差值有一定的差异。这种由频率变化所产生的误差的原因主要有以下几个方面。1） 频率发生变化时，由于电压线圈阻抗的变化，会导致电压工作磁通发生改变，从而影响电能表的测量精度。2） 转盘非纯电阻，其中有感抗分量，当频率升高时，转盘的等效阻抗及其阻抗角随频率的升高而增大，使得电能表转速变慢，产生负误差。3） 电流线圈磁通量和电压线圈磁通量随着频率的增加而减少，使得驱动力矩减少，电能表转速变慢，产生负误差。4） 负荷的补偿力矩与频率成反比，当频率升高时，补偿力矩减小，使电能表产生负误差，并且这种影响的大小随负载的大小不同而不

21、同，负载电流愈小影响愈大。应用数字乘法器和时分割乘法器的电子式电能表的频率特性曲线如图4、5所示。由频率特性曲线可以看出，相对于感应式电能表的频率特性曲线，电子式电能表的频率特性曲线比较平坦，这也说明电子式电能表有着较宽的频率响应范围，所以电子式电能表基本能够准确地计量谐波功率而受到频率增高的影响较小。2.谐波情况下电能表计量的误差系统中的线性负载只能吸收基波功率和谐波功率，而非线性负载能够吸收基波功率并发出谐波功率。所以，在计量线性和非线性负荷所消耗的电能时，谐波会造成最终计量和实际所耗电能不相符的结果。感应式电能表在谐波情况下计量线性负荷的功率为基波功率和部分谐波功率之和，计量非线性负荷的

22、功率为基波功率和部分谐波功率之差而电子式电能表则无论是线性负荷还是非线性负荷，均准确地计量了两种负荷发出和吸收的谐波功率。由于电子式电能表对谐波的准确计量，所以在条件相同的情况下，电子式电能表计量了更多的谐波功率。由于对谐波功率的计量，造成了感应式电能表和电子式电表在谐波情况下计量功率的不准确导致受到谐波污染的线性负荷用户多交了电费而产生谐波污染的非线性负荷用户少交了电费造成收费的不公平。由于电子式电能表计量了更多的谐波功率，甚至给线性负荷用户造成了比感应式电能表更大的经济损失。还应指出，电力系统吸收了部分谐波功率并将其转化为线路损耗，更使电力部门蒙受损失。3.当前电能计量的方式及其不足目前实

23、际采用计量电能的方式主要分成三种1） 采用基波电能表只计量用户所消耗的基波功率（用户喜欢，电力部门受伤害）。这种计量方式对于线性负荷用户来讲是相对公平的，但是对于非线性用户来说，这种计量方式没有考虑到非线性负荷向系统发出谐波功率，对系统造成的影响，并且使供电部门承受谐波所造成的损失，不能够对非线性用户作出相应的处罚，也没有使吸收部分谐波功率受到谐波影响的线性用户得到相应的补偿。2） 采用频响较宽的电能表计量（电力部门欢迎，线性用户受到伤害）。这种计量方式将用户所消耗的基波功率和吸收或发出的谐波功率全部计入，最后相加得到用户所消耗的电能。这样会造成线性负荷用户被多计量了电能，非线性负荷用户被少计

24、量了所耗电能，造成了计费的不公平，相当于鼓励了对电网造成污染的非线性负荷用户。3） 分别使用基波表和谐波表来测量用户所消耗的基波功率和谐波功率（理论合理，不一定实用）。当所得谐波功率为正时，即表明负载吸收谐波；所得谐波功率为负时，表明负载发出谐波，以此为据来判断负载吸收或发出的谐波功率，进行收费奖罚。但具体谐波的功率方向大小得不到确定，不能够判断负载从电网中吸收和向电网中发出的谐波各是多少，以至于所计量的电能并不能真正地反映出非线性负荷对电网所产生的影响。其他谐波因素对计量影响的考虑1.背景谐波对电能计量的影响目前电网中普遍存在有背景谐波，对于线性负荷来讲，即为从系统中吸收了谐波功率，那么此时

25、需要准确地计量出线性负荷用户所吸收的谐波功率，并对线性用户所受到的损失加以补偿。若为非线性负荷，则其既从电网中吸收谐波功率，也同时向电网中发出谐波功率。此时无论是感应式电能表还是电子式电能表均只能计量出负荷吸收和发出的谐波功率相叠加之后的值，并不能够真实地反映用户吸收和发出的谐波功率各是多少，也就不能够为非线性用户所产生谐波对整个系统所造成的影响作出一个合理的判断。2.冲击性负荷对计量的影响现在电网中有时含有大量的冲击性负荷，如电弧炉、轧钢机和电力机车等。这类负荷的特点是持续时间短，运行的随机性强，所产生谐波时间不确定，但谐波发生量通常较大，属于暂态过程。冲击性负荷对系统的影响主要表现在使一个

26、周期内的波形畸变严重、无规律，可能造成不同周期内的波形存在幅值、相位和频率的波动。并且由于功率变化迅速，容易造成系统的电压闪变使电压波形出现凹陷或突出。所以，冲击性负荷也给电能计量表的计量误差带来很大的随机性。同样的计量表针对不同时间的同一冲击负荷，其所计量的电量可能有着很大的差别。例如，某轧钢厂在生产中进行校验，其电子表误差可达12.45%，而在停产时校验，误差仅为0.28%。冲击负荷造成计量误差的主要原因是：对于感应式电能表，其本身就因为频响特性限制，对高次谐波测量误差大，对于电子式电能表而言，是采样的频谱泄漏而造成的。3.不平衡谐波对计量的影响对于不平衡谐波对电能计量的影响问题的研究，目

27、前国内并没有见到相关文献。国外文献给出了对于多块电能计量表在三相谐波电压和谐波电流均不平衡时的实际测量数据，说明了在电网中存在谐波并且谐波处于三相不平衡时，能给电能表计量带来很大误差。表中给出某办公建筑和泵站的实测值。应用不同种类的电能表对这两个用电负荷进行测量，可以发现对于谐波含量不严重但三相谐波不平衡较严重的办公建筑，电能表的最大偏差可以达到5.57%，而对于谐波含量较大，同时对于三相谐波不平衡较大的泵站，电能表的最大偏差可以达到10.09%。由此可以看出，即时谐波含量不大但是三相谐波不平衡较大，则计量结果仍可能出现较大的偏差。但是在谐波含量以及三相谐波不平衡均较大的情况下，什么是致使电能

28、计量结果偏差较大的主要因素，还没有得到很好的论证，有待进一步的研究。电能计量的改进。当前，我国在电能计量中，电子式电能表逐渐成为主流。目前我国正在以很快的速度将感应式电能表更新为数字式电子电能表。所以，在以下计量表和计量方式的选择中，只考虑应用数字式电子电能表。目前所采用的计量电能方式，在谐波情况下并不能准确反映被计量用户实际所消耗的电能，而谐波在电网中是广泛存在的，必须应用合理的技术手段来对现有的计量表计和计量方式进行改进。1.对电能计量表的改进措施因为目前大多数用户均为非线性用户，能够测量出用户向系统中发出的谐波功率，以及他们从系统中吸收的谐波功率，是准确计量的关键部分。只有准确计量用户发出和吸收的谐波功率才能够准确对用户的用电水平和其对电网所造成的影响进行评价。为了能够准确地计量用户吸收和发出的谐波应该在电能表技术中引入谐波源的判断和识别技术目前主要有基于功率潮流和谐波阻抗的谐波源辨识和检测的方法，如功率潮流法、临界阻抗法、微分方程法、基于最小二乘法以及基于全球定位系统（GPS）等谐波源辨识方法。应用这些谐波源辨识技术在电能计量中，则能够对用户所吸收和发出的谐波功率进行更准确的计量。针对冲击性