使用時(shí)分割乘法器電能表降低非線性電量計(jì)量的線損

高樹宏

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司計(jì)量中心，山西 太原 030032）

使用時(shí)分割乘法器電能表降低非線性電量計(jì)量的線損

高樹宏

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司計(jì)量中心，山西 太原 030032）

電子式安裝式電能表的核心計(jì)量原理有多種，隨著近年來(lái)市場(chǎng)要求最低價(jià)格的選擇，相對(duì)于可以用傅里葉變換展開的諧波電量，非線性電能量涵蓋的范圍更廣泛，逐漸變成∑—Δ原理的A/D采樣軟件乘法器占據(jù)了絕對(duì)的數(shù)量；而在高端市場(chǎng)和復(fù)雜工況，采用有功電能計(jì)量技術(shù)時(shí)分割乘法器原理電能表展示出了技術(shù)優(yōu)勢(shì)。針對(duì)非線性電量是否會(huì)造成漏計(jì)電量以及如何選擇正確的計(jì)量技術(shù)對(duì)非線性電量進(jìn)行公平、公正、精確的計(jì)量等問題進(jìn)行分析，并就這兩類電能表在非線性現(xiàn)場(chǎng)工況以及實(shí)驗(yàn)室參比工況條件下的計(jì)量展開研究。

非線性電量；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；有功電能計(jì)量技術(shù)時(shí)分割乘法器

0 引言

隨著電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，在用電側(cè)，采用調(diào)頻速和開關(guān)原理的電器越來(lái)越多，而在發(fā)電側(cè)方面，風(fēng)電、潮汐發(fā)電、太陽(yáng)能電源以及直流輸電及逆變等非傳統(tǒng)的電源所占的比重越來(lái)越大，然而，輸電及配電系統(tǒng)是設(shè)計(jì)在固定頻率的正弦電壓和電流波形下運(yùn)行的。大量非線性負(fù)荷（包括諧波負(fù)荷、沖擊負(fù)荷、非穩(wěn)定負(fù)荷等等）在其工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波及沖擊電流，造成電網(wǎng)的電流、電壓發(fā)生畸變，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到電網(wǎng)的安全和計(jì)量的準(zhǔn)確性；特別是一些突變負(fù)荷和倒送負(fù)荷，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的非線性電量反向注入電網(wǎng)[1]。因此，電網(wǎng)企業(yè)迫切需要對(duì)發(fā)電源側(cè)和需求側(cè)的非線性電量計(jì)量進(jìn)行深入的研究。

在復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量條件下，將有功電能分成基波電能和諧波電能的講法是不全面的?；ㄅc諧波的概念源于傅里葉變換，但是，只有周期的、連續(xù)的、穩(wěn)定的信號(hào)，才能被傅里葉變換準(zhǔn)確展開。也就是說，不滿足上述3個(gè)條件的信號(hào)就不能被傅里葉變換準(zhǔn)確展開的。因此，將有功電能分成線性電量和非線性電量的說法較為全面科學(xué)[2]。

1 電能表的工作原理和硬件條件及軟件條件

電能表的工作原理、硬件條件、軟件條件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜工況條件下的電量計(jì)量的影響很大，如圖1所示。

從圖1中可以看到，標(biāo)準(zhǔn)電能表、安裝式電能表以及最近出現(xiàn)的安裝式標(biāo)準(zhǔn)表；分別采用兩種不同的計(jì)量原理：硬件原理和軟件原理。

1.1 軟件乘法器的電能表

ADC是analoge to digital converter的英文縮寫，意為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ADC軟件乘法器也稱之為數(shù)字乘法器。其核心有兩個(gè)部分：ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、單片機(jī)MCU(micro control unit)或數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital signal processing)的乘法軟件編程。軟件乘法器的工作原理如圖2所示，由ADC、MCU和軟件3個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。

ADC從工作原理上可以分成3種，即直接比較法、間接轉(zhuǎn)換法和∑—Δ軟件測(cè)量法。

直接法ADC的性能最好，采樣速度快精度高分辨率高。間接法ADC可以實(shí)現(xiàn)最高的精度但缺點(diǎn)亦明顯，就是采樣速度很低?！啤DC的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格最低，采樣分辨率高，采樣速度居中。

圖1 電能表硬件和軟件工作原理圖

圖2 軟件乘法器的工作原理圖

由于在電子式電能表發(fā)展之初，電網(wǎng)用戶尚未對(duì)非線性電量的計(jì)量重視并提出要求。因此從20世紀(jì)90年代之后，電子式電能表從使用SAR ADC全面轉(zhuǎn)向使用∑—ΔADC。電能表的價(jià)格大大降低；為電子式電能表的普及應(yīng)用起到了良好的推動(dòng)作用。

A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟：由于輸入的模擬信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)量，所以一般的A/D轉(zhuǎn)換過程為：取樣、保持、量化和編碼。如圖3所示。

簡(jiǎn)而言之，∑—ΔADC，就是通過軟件模擬差動(dòng)積分的過程。具體來(lái)說，就是偵測(cè)外部輸入的電壓（或者電流）信號(hào)變化，然后通過軟件積分運(yùn)算，得出外部信號(hào)隨時(shí)間變化的狀況。用比交流信號(hào)頻率高得多的采樣頻率進(jìn)行采樣，此時(shí)得到的數(shù)字輸出值將是變化的，用這些采樣結(jié)果的平均值表示ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果便能得到比同樣ADC高得多的采樣分辨率，此方法稱做過采樣(oversampling)。由于受原理性制約，∑—ΔADC已很難再大幅度改善其采樣速度。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換過程取樣和保持及量化和編碼流程圖

1.2 硬件乘法器電能表

從圖1中可以看到，硬件乘法器應(yīng)用到產(chǎn)品級(jí)別中的有四種類型：跨導(dǎo)原理、TDM時(shí)分割原理、熱耗原理、霍爾效應(yīng)原理。其中跨導(dǎo)原理可以實(shí)現(xiàn)高額電能測(cè)量但耗速最低。熱耦原理耗速最高但反應(yīng)預(yù)熱時(shí)間很長(zhǎng)，不適應(yīng)應(yīng)用在安裝式電能表?；魻栃?yīng)原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠但耗速和穩(wěn)定性較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)0.2級(jí)以上安裝式電能表的要求。因此TDM時(shí)分割乘法器原理是最適合應(yīng)用于安裝式電能表的硬件乘法器。

自2013年中國(guó)宣布“一帶一路”倡議以來(lái)，盡管美國(guó)不是“一帶一路”沿線國(guó)家，但美國(guó)政府、戰(zhàn)略界及媒體對(duì)“一帶一路”倡議的興趣和關(guān)注與日俱增。鑒于美國(guó)的全球政治、經(jīng)濟(jì)、軍事及輿論影響力，美國(guó)的態(tài)度、立場(chǎng)及政策，無(wú)疑會(huì)對(duì)“一帶一路”倡議的順利實(shí)施產(chǎn)生重要影響。因而，詳細(xì)考察美國(guó)政府、戰(zhàn)略界乃至美國(guó)主流媒體對(duì)“一帶一路”倡議的認(rèn)知、態(tài)度乃至政策舉措，無(wú)疑具有重要價(jià)值。

TDM是time dividing multiplier的英文縮寫。這是一種全新硬件電路的有功電能計(jì)量技術(shù)，具有很高的精度。TDM時(shí)分割乘法器工作原理如圖4所示。

圖4 時(shí)分割乘法器原理圖

TDM通常分成電壓型和電流平衡型兩類。其工作過程是，電壓信號(hào)被PWM調(diào)制產(chǎn)生方波控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)時(shí)間開關(guān)分割電流信號(hào)及其鏡像。這個(gè)分割的信號(hào)被積分獲得的電流信號(hào)正比例于瞬時(shí)有功功率。I/F變換器輸出校表脈沖信號(hào)。

2 現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)試驗(yàn)

使用TDM時(shí)分割乘法器的電能表對(duì)非線性電量的計(jì)量應(yīng)該是最佳方案。目前，采用TDM原理的多功能電能表均是采用TDM+ADC雙系統(tǒng)架構(gòu)的，并且三相電能表的每一個(gè)分相均擁有一個(gè)獨(dú)立的TDM單元，因此這種TDM多功能電能表具有更高的可靠性[3-4]。

試驗(yàn)?zāi)康模候?yàn)證TDM時(shí)分割乘法器電能表在非線性電量較大的電網(wǎng)中是否能更準(zhǔn)確的計(jì)量，驗(yàn)證TDM時(shí)分割乘法器電能表是否有效的消除非線性負(fù)荷沖擊對(duì)計(jì)量的負(fù)面影響及其計(jì)量的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)對(duì)象：試驗(yàn)計(jì)量點(diǎn)選擇在諧波影響較大的鋼鐵冶煉、電氣化鐵路的變電站出線側(cè)，這些站點(diǎn)均存在沖擊負(fù)荷、諧波干擾大、負(fù)荷極不平衡等特點(diǎn)。

試驗(yàn)方法：采用TDM時(shí)分割乘法器電能表與原計(jì)量表計(jì)并列運(yùn)行，定期讀取電量數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)負(fù)荷計(jì)量對(duì)比試驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)起止時(shí)間段內(nèi)，TDM實(shí)驗(yàn)表與原安裝表進(jìn)行電量直接比較，即

式中：PTDM——TDM實(shí)驗(yàn)表有功總量；

Pγ——原安裝表有功總量；

Δ——電能計(jì)量差，kW·h。

2只表有功電量計(jì)量相對(duì)誤差為

電能表實(shí)驗(yàn)室檢定和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所有試驗(yàn)用電能表均經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室檢定合格，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，所有電能表也定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和檢定，保證所有比對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和可靠。趙家山站原表為進(jìn)口時(shí)分割乘法器關(guān)口電能表，與時(shí)分割乘法器實(shí)驗(yàn)表的計(jì)量工作原理相同，因此計(jì)量電量差值很小。忻州永安站、陽(yáng)泉海落灣站、大同官保站，均為采用∑—ΔADC采樣原理國(guó)產(chǎn)電能表（3個(gè)不同的品牌產(chǎn)品）。由表2、表3、表4、表5數(shù)據(jù)分析可知，軟件表受諧波干擾影響較大，平均比TDM實(shí)驗(yàn)表少計(jì)電量1.64%。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)信息

表2 趙家山220 kV變電站趙鋼2線2051電量對(duì)比

表3 永安220 kV變電站永鐵1回121電量對(duì)比

表4 海落灣220 kV變電站海測(cè)線145電量對(duì)比

表5 官堡220 kV變電站東牽1線112電量對(duì)比

3 結(jié)論

在目前諧波電量無(wú)法量傳、相關(guān)電能表產(chǎn)品無(wú)法進(jìn)行相關(guān)型式評(píng)價(jià)的條件下，選擇確定性高的TDM硬件乘法器電能表不失為一種公平的計(jì)量手段。實(shí)驗(yàn)表明，不同品牌的硬件電能表之間，對(duì)于非線性電量計(jì)量的差值很小。

在非線性電量較大的計(jì)量點(diǎn)，應(yīng)將軟件電能表更換為硬件電能表。軟件電能表與硬件電能表之間的計(jì)量差值較大，同時(shí)，相同品牌的軟件表之間的計(jì)量差值也比較大。

應(yīng)采用TDM時(shí)分割原理電能表對(duì)非線性電量進(jìn)行計(jì)量。

[1]陸祖良，王磊，李敏.對(duì)電能表動(dòng)態(tài)測(cè)量功率評(píng)價(jià)的討論[J].電測(cè)與儀表，2010(4)：1-4.

[2]鄭薦中，陸祖良，李敏.電能表的動(dòng)態(tài)特征實(shí)驗(yàn)研究 [J].電測(cè)與儀表，2011（3）：1-7.

[3]周軒錢，慧敏，趙劍鋒.電氣化鐵路造成的電能質(zhì)量問題對(duì)電能計(jì)量用TDM的影響研究 [J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（1）：28-32.

[4]向曉，康廣成，李紅柳.兩種新型電子式電能表在電鐵牽引站的應(yīng)用 [J].四川電力技術(shù)，2007，30（5）： (67-69，78).

Using Active Energy M etering Technology Based M eter to Reduce Line Loss of Nonlinear Electric Energy M etering

GAO Shuhong

（State Grid M etering Center of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030032,China）

Therearemany kindsofcoremetering principle forelectronic installation-typeelectric energymeter.Due to its lower price,nonlinearelectric energy coverswiderscale than harmonic energy expanded by Fourier-transform.Thus,∑—Δtheory based A/D sampling softwaremultiplier coversabsolute quantity,while in the high-endmarketand under complicated conditions,the energymeter based on activeenergymetering technology time divisionmultiplier showsmoreadvantages.This paperanalyzes the problemssuch as whether thenon-linearelectricitywillcausemissed outelectricitymetering and how to choose correctmeasurement technology for fairand accuratemeasurementof the non-linearelectricity.Besides,the two typesofelectric energymeterare studied undernonlinear field conditionsand laboratory-referred operating conditions.

nonlinearelectric energy;analog-to-digitalconverter;active energymetering technology time divisionmultiplier

TM933.4

A

1671-0320（2016）06-0044-04

2016-06-26，

2016-10-20

高樹宏（1964），男，河北唐山人，1992年畢業(yè)于華北電力學(xué)院電力系統(tǒng)及自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)技師,從事電能計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)工作。