直流電能表國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

于春平，段永賢，李 熊，岑 煒，孟 靜，劉 思

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心，杭州 311121）

0 引言

為應(yīng)對(duì)全球變暖，實(shí)現(xiàn)“碳中和”已成為全球共識(shí)，能源轉(zhuǎn)型是可持續(xù)發(fā)展的必由之路。直流電網(wǎng)在可再生能源中靈活接入，其在源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)友好互動(dòng)，降低配電損耗方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是能源轉(zhuǎn)型、減少碳排放的重要推手。因此，電網(wǎng)直流輸配電技術(shù)在風(fēng)能、太陽能和電動(dòng)汽車充換電等新能源領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。

直流電能表是直流輸配電網(wǎng)中的重要計(jì)量設(shè)備，用于測(cè)量直流電力系統(tǒng)中的電能等參數(shù)，主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施、信息技術(shù)服務(wù)器廠（數(shù)據(jù)中心）、電信基站、住宅區(qū)或商業(yè)區(qū)的低壓直流電網(wǎng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、公共交通直流供電系統(tǒng)及鐵路系統(tǒng)等場(chǎng)合。隨著智能電網(wǎng)直流輸配電技術(shù)的發(fā)展、新能源發(fā)電并網(wǎng)比例的不斷提高以及直流電力負(fù)荷的迅速增加，尤其是電動(dòng)汽車直流充電機(jī)的規(guī)模化應(yīng)用，對(duì)直流電能表大電流直接接入式計(jì)量、寬量程計(jì)量和高精度計(jì)量等需求日益旺盛。然而，目前直流電能表生產(chǎn)廠家較少，產(chǎn)品質(zhì)量及穩(wěn)定性有待提升；現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的直流計(jì)量性能尚待考核；相比于傳統(tǒng)單相、三相電能計(jì)量芯片，直流計(jì)量芯片尚未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，存在動(dòng)態(tài)范圍小、精度不足等問題［1-4］。

隨著直流電能表功能需求的多樣化發(fā)展，其誤差影響因素也越來越復(fù)雜［5-6］。研究新應(yīng)用場(chǎng)景下直流電能表相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和檢測(cè)要求，盡快完善直流電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，對(duì)促進(jìn)直流電能計(jì)量水平的提高、保障直流電能計(jì)量準(zhǔn)確度尤為重要。目前，國(guó)內(nèi)外正加快對(duì)直流電能表標(biāo)準(zhǔn)的制定與更新，以契合新技術(shù)的發(fā)展變化。

本文研究了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)直流電能表標(biāo)準(zhǔn)與IEC 標(biāo)準(zhǔn)的制定現(xiàn)狀與差異，分析了國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中不同的試驗(yàn)項(xiàng)目與評(píng)價(jià)方法，為我國(guó)進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制修訂、完善國(guó)內(nèi)直流電能表評(píng)價(jià)手段及直流電能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)提供了一定的思路，為加快推進(jìn)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之間的轉(zhuǎn)化運(yùn)用提供參考，促進(jìn)國(guó)內(nèi)直流電能表水平不斷提升。

1 直流電能表IEC標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

IEC的6205X系列標(biāo)準(zhǔn)體系中包含了2類直流電能表產(chǎn)品：一類是直接接入式直流電能表；另一類是經(jīng)LPIT（低功率互感器）接入的直流電能表。IEC制定的6205X系列標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1中，直接接入式直流電能表標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)編制完成的有2 項(xiàng)，分別是IEC 62052—11：2020《電能測(cè)量設(shè)備-通用要求，試驗(yàn)和試驗(yàn)條件-第11 部分：測(cè)量設(shè)備》和IEC 62053—41：2021《電能測(cè)量設(shè)備-特殊要求-第41 部分：靜止式直流電能表（0.5 級(jí)、1 級(jí)）》，均由IEC/TC 13（電能測(cè)量和控制技術(shù)委員會(huì)）編制。IEC 62052—11 是直流電能表和交流電能表的通用要求標(biāo)準(zhǔn)，包含了如標(biāo)稱值、結(jié)構(gòu)、標(biāo)記、電氣、氣候、EMC（電磁兼容性）等要求和試驗(yàn)方法；IEC 62053—41：2021是規(guī)范特定準(zhǔn)確度等級(jí)的特殊要求標(biāo)準(zhǔn)，已于2021 年6月發(fā)布了第1.0版。

經(jīng)LPIT接入的直流電能表標(biāo)準(zhǔn)目前還處于計(jì)劃階段。LPIT 是指IEC 61869 系列標(biāo)準(zhǔn)中定義的低功率互感器，其傳輸?shù)凸β誓M量或數(shù)字量信號(hào)給后端的測(cè)量?jī)x表。當(dāng)互感器傳輸數(shù)字量信號(hào)時(shí)，與其連接的電能表將不包含模擬量采樣環(huán)節(jié)，直接輸入數(shù)字化采樣值報(bào)文。在IEC 62053—41標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，設(shè)計(jì)與低功率互感器一起使用的電能表需與互感器一起測(cè)試，才能參照直接接入式電能表的測(cè)試方法與要求。

由表1可知，直流電能表的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系實(shí)際也尚未健全，大部分還在計(jì)劃中。

表1 直流電能表IEC標(biāo)準(zhǔn)

2 直流電能表國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)直流電能表的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與檢定規(guī)程均已頒布實(shí)施，有：國(guó)標(biāo)GB/T 33708—2017《靜止式直流電能表》；檢定規(guī)程JJG 842—2017《電子式直流電能表檢定規(guī)程》；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1484—2015《直流電能表技術(shù)規(guī)范》。其中，國(guó)標(biāo)GB/T 33708—2017目前也已經(jīng)開始組建工作組準(zhǔn)備修訂，DL/T 1484行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)正在修訂中。此外，國(guó)內(nèi)于2020 年3 月頒布實(shí)施了JJF 1779—2019《電子式直流電能表型式評(píng)價(jià)大綱》，解決了直流電能表的型式評(píng)價(jià)依據(jù)問題。國(guó)內(nèi)電網(wǎng)企業(yè)也制定了多項(xiàng)直流電能表的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以規(guī)范企業(yè)內(nèi)部的招標(biāo)采購(gòu)、檢驗(yàn)、驗(yàn)收及質(zhì)量監(jiān)督等工作。

3 IEC標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

進(jìn)一步對(duì)IEC 62052—11：2020、IEC 62053—41：2021、GB/T 33708—2017 和JJF 1779—2019進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)適用范圍、準(zhǔn)確度要求及影響量試驗(yàn)項(xiàng)目等主要差異點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 適用范圍

IEC 62052—11：2020 和IEC 62053—41：2021標(biāo)準(zhǔn)適用于直流系統(tǒng)中直接連接的靜止式直流電能表。該電能表適用于測(cè)量雙極電網(wǎng)上的電能（其中一極接地，電壓等級(jí)不超過DC 1 500 V）；不適用于測(cè)量其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的電能，如同時(shí)帶有接地和正負(fù)極的網(wǎng)絡(luò)。

GB/T 33708—2017 和JJF 1779—2019 適用于直接接入式和間接接入式2種接入方式的靜止式直流電能表，電壓等級(jí)不超過1 000 V，主要應(yīng)用于單極電網(wǎng)。直接接入式直流電能表是指（電壓及電流）測(cè)量元件直接連接到被測(cè)直流線路中的直流電能表；間接接入式直流電能表是指（電壓及電流）測(cè)量元件經(jīng)一個(gè)或多個(gè)變換裝置接入被測(cè)直流線路的直流電能表，間接接入式直流電能表又可分為電壓間接接入式、電流間接接入式及電壓和電流均為間接接入的全間接接入式。

3.2 準(zhǔn)確度要求

3.2.1 標(biāo)稱值

對(duì)于直接接入式直流電能表，GB/T 33708與IEC 62053—41/IEC 62052—11的標(biāo)稱值對(duì)比如表2、表3所示。

表2 標(biāo)稱電壓對(duì)比

表3 標(biāo)稱電流對(duì)比

由表2、表3可知：對(duì)于直接接入式直流電能表，IEC 標(biāo)準(zhǔn)中標(biāo)稱電壓最高至1 500 V，標(biāo)稱電流最大至500 A；而GB/T 33708 中標(biāo)稱電壓最高至1 000 V，標(biāo)稱電流最大至100 A。

3.2.2 準(zhǔn)確度

由于直接接入式直流電能表IEC 標(biāo)準(zhǔn)只含0.5級(jí)表和1 級(jí)表，因此對(duì)0.5 級(jí)表和1 級(jí)表準(zhǔn)確度要求進(jìn)行對(duì)比。國(guó)標(biāo)與IEC 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電流變化引起的誤差限值要求一致，誤差限值如表4所示。

表4 電流變化引起的誤差限值

表4 中Imax為最大電流；In為額定電流；Imin為最小電流。在啟動(dòng)電流Ist與最小電流Imin間無誤差要求。IEC 標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)標(biāo)規(guī)定的Imax、In、Imin和Ist電流值區(qū)別如表5、表6所示。

表5 電流值對(duì)比（0.5級(jí)）

表6 電流值對(duì)比（1級(jí)）

由表5、表6可知：國(guó)標(biāo)中最大電流為額定電流的1.2倍，而IEC標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為額定電流的整數(shù)倍；國(guó)標(biāo)中0.5級(jí)和1級(jí)表的最小電流值不同，而IEC 標(biāo)準(zhǔn)中0.5 級(jí)和1 級(jí)表的最小電流值相同；國(guó)標(biāo)中0.5級(jí)和1級(jí)表的啟動(dòng)電流值不同，且正反向不同，反向比正向大，IEC 標(biāo)準(zhǔn)中0.5 級(jí)和1 級(jí)表啟動(dòng)電流值規(guī)定相同，不區(qū)分正反向。

若從應(yīng)用的角度考慮，在直流配電網(wǎng)分布式能源接入、V2G（車網(wǎng)互動(dòng)）和儲(chǔ)能等計(jì)量場(chǎng)合，直流電能表需要雙向計(jì)量、雙向計(jì)費(fèi)。為保證公平，對(duì)直流電能表雙向的要求應(yīng)該是相同的。

國(guó)標(biāo)中規(guī)定了電壓變化引起的誤差限要求，而IEC 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電壓變化提出的是變差要求，且在0≤U＜0.8Un范圍內(nèi)，規(guī)定電能表誤差范圍在-100%～+10%（對(duì)于線路供電的電能表，線路電壓高于其規(guī)定的最低供電電源電壓時(shí)滿足此要求；對(duì)于獨(dú)立電源供電的電能表，在線路電壓變化的全范圍內(nèi)滿足此要求），這個(gè)要求在直流電能表國(guó)標(biāo)里是沒有的。

3.3 影響量試驗(yàn)要求

隨著用電環(huán)境的日益復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)電能表的抗干擾性能提出了更高的要求。表7列舉了IEC 標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)影響量試驗(yàn)的主要差異性指標(biāo)。

由表7 可知，國(guó)標(biāo)中沒有差模電流干擾試驗(yàn)（國(guó)標(biāo)中有紋波影響試驗(yàn)）、負(fù)載電流快速改變?cè)囼?yàn)以及輔助裝置操作試驗(yàn)（輔助裝置操作試驗(yàn)考察輔助裝置的安裝或工作是否影響直流電能表的準(zhǔn)確度，輔助裝置包括用于外部通信的裝置GSM/PLC/Zigbee）。此外，電磁兼容試驗(yàn)的試驗(yàn)條件也不同。文中將進(jìn)一步對(duì)比分析差模電流干擾試驗(yàn)、紋波影響試驗(yàn)及負(fù)載電流快速改變?cè)囼?yàn)相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目及要求。

表7 影響量試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)比

3.3.1 差模電流干擾試驗(yàn)

差模電流干擾一般由電力電子設(shè)備和電力線通信系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)生。電氣設(shè)備的運(yùn)行產(chǎn)生不同于電網(wǎng)頻率的非有意電壓/電流分量，電力線通信系統(tǒng)使用干線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有意的信號(hào)傳輸。涉及干擾的主要設(shè)備有逆變器、具有PLC數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬x表、開關(guān)電源、UPS 和變速驅(qū)動(dòng)器等。這些干擾往往會(huì)使某些直流電能表產(chǎn)生錯(cuò)誤的電能計(jì)量或通信失敗，因此電能表必須具備很強(qiáng)的抗擾性。

差模電流試驗(yàn)的波形為具有間歇的CW（連續(xù)波）脈沖和矩形調(diào)制脈沖的試驗(yàn)波形（IEC 61000—4-19：2014）。IEC 62053—41：2021 中規(guī)定施加的電流干擾水平在0.01 kHz～150 kHz 范圍內(nèi)，這與IEC 62052—11 中基于IEC 61000—4-19 提到的2 kHz～150 kHz 交流電能表的差模電流干擾等級(jí)不同，主要由于其還考慮了IEC 61851—23：2014電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)-第23 部分：電動(dòng)汽車直流充電站中提到的電動(dòng)汽車供電設(shè)備電流紋波限值。

3.3.2 紋波影響試驗(yàn)

GB/T 33708—2017 及JJF 1779—2019 采用紋波試驗(yàn)來驗(yàn)證直流電能表紋波影響下的計(jì)量誤差。對(duì)300 Hz 直流紋波條件下的直流電能表量值準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)包含了電壓紋波和電流紋波的影響。

國(guó)內(nèi)直流電能表標(biāo)準(zhǔn)中采用不同的參數(shù)來衡量紋波，如在GB/T 33708—2017 中定義“直流紋波因數(shù)”為“脈動(dòng)直流電量峰值和谷值之差的一半與該直流電量平均值之比”；在JJF 1779 中定義“紋波系數(shù)”為“輸出紋波電壓（電流）的有效值與輸出直流電壓（電流）之比，通常用百分比（%）來表示”。相比而言，用有效值來衡量波紋，在實(shí)際工作中更容易被測(cè)量。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于紋波電能是否計(jì)入電能仍存在爭(zhēng)議，之前大部分直流電能表是計(jì)入紋波電能的，但在2019 年發(fā)布的直流電能表型式評(píng)價(jià)大綱中，明確指出直流電能表不應(yīng)計(jì)量紋波電能。本文傾向于不計(jì)量紋波電能，因?yàn)榧y波的存在對(duì)直流用電設(shè)備的運(yùn)行是不利的，雖然大多數(shù)直流設(shè)備在交流下也能做功，但不能因?yàn)樵O(shè)備的兼容性而對(duì)用戶收取紋波電能部分費(fèi)用。

3.3.3 負(fù)載電流快速改變?cè)囼?yàn)

本試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證直流電能表的準(zhǔn)確度對(duì)負(fù)載電流快速改變的敏感性。直流電能表的準(zhǔn)確度通常是在穩(wěn)態(tài)下進(jìn)行規(guī)定和驗(yàn)證的。然而，實(shí)際情況下負(fù)載電流可能頻繁地以高振幅變化（如溫度調(diào)節(jié)加熱器、空調(diào)設(shè)備和電弧焊接設(shè)備等），若直流電能表在該情況下錯(cuò)誤地執(zhí)行了電流范圍增益切換算法，將會(huì)呈現(xiàn)出明顯的準(zhǔn)確度誤差。

本試驗(yàn)使用不同的占空比來驗(yàn)證在負(fù)載條件變化的情況下直流電能表的準(zhǔn)確度。試驗(yàn)時(shí)，電流電路在開通和關(guān)斷之間重復(fù)切換，開斷間隔符合以下曲線：ton=10 s，toff=10 s，總試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間4 h；ton=5 s，toff=5 s，總試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間4 h；ton=5 s，toff=0.5 s，總試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間4 h。

由于負(fù)載切換和直流電能表內(nèi)部增益切換不同步，因此準(zhǔn)確度誤差可能隨時(shí)間推移而改變，其取決于負(fù)載切換的跳變?nèi)绾闻c增益切換同步（若試驗(yàn)時(shí)間足夠長(zhǎng)，如在4 h 情況下，負(fù)載變化準(zhǔn)確度問題可暴露出來）。

4 對(duì)國(guó)內(nèi)直流電能表標(biāo)準(zhǔn)化工作的建議

通過第3節(jié)的對(duì)比分析可知，國(guó)內(nèi)直流電能表的標(biāo)準(zhǔn)在適用范圍、準(zhǔn)確度要求和影響量試驗(yàn)項(xiàng)目等方面均與新發(fā)布的IEC標(biāo)準(zhǔn)有較大差別。

通過將IEC 標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍及直流電能表的標(biāo)稱值范圍與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析可知，IEC標(biāo)準(zhǔn)的直流電能表的電壓、電流范圍要比國(guó)內(nèi)寬泛，標(biāo)稱電壓最高至1 500 V，標(biāo)稱電流最大至500 A。目前我國(guó)直流配網(wǎng)電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》中推薦的低壓直流配電電壓優(yōu)選值為1 500 V（±750 V）-750 V（±375 V）-220 V（±110 V），而直流電能表國(guó)標(biāo)中電壓等級(jí)為60 V-100 V-400 V-700 V-1 000 V，可見現(xiàn)行33708—2017 國(guó)標(biāo)中的電能表標(biāo)稱電壓等級(jí)尚無法與目前配電網(wǎng)電壓等級(jí)匹配［7］。隨著電流傳感器技術(shù)和直流充電機(jī)電能傳輸控制技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，直流大電流輸電以及充電技術(shù)開始逐步落地應(yīng)用，未來直接接入式直流電能表額定電流值也將突破現(xiàn)國(guó)標(biāo)中100 A的規(guī)定，如大功率直流充電樁中已應(yīng)用500 A的直接接入式直流電能表。因此，應(yīng)加快研究高電壓、大電流、寬量程直流電能計(jì)量技術(shù)，完善我國(guó)直流電能表規(guī)格型號(hào)以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，使其適應(yīng)電動(dòng)汽車直流充電樁及直流電網(wǎng)建設(shè)的需求。

在影響量試驗(yàn)項(xiàng)目方面，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)300 Hz直流紋波條件下的直流電能表計(jì)量準(zhǔn)確性測(cè)試做出要求。而在實(shí)際電網(wǎng)中還會(huì)有大量由電弧爐、PWM（脈寬調(diào)制）型變流器和PLC電力線通信等引入的非工頻整數(shù)倍紋波及高頻紋波［7-10］，目前國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)并沒有考慮這部分干擾對(duì)直流電能計(jì)量的影響。IEC 標(biāo)準(zhǔn)中引入了新的評(píng)價(jià)方法，如負(fù)載電流快速變化試驗(yàn)、傳導(dǎo)差模電流干擾試驗(yàn)等，可以考核直流電能表在動(dòng)態(tài)信號(hào)及高頻信號(hào)干擾下的誤差，但較多還是沿用交流電能表的評(píng)價(jià)方法，直流電能表抗擾度的評(píng)價(jià)方法依然不全面。面對(duì)直流計(jì)量場(chǎng)合中各種各樣的復(fù)雜環(huán)境，以往采用交流計(jì)量芯片實(shí)現(xiàn)直流計(jì)量功能的表計(jì)，將難以滿足寬量程、高精度的計(jì)量需求，直流電能表計(jì)量芯片將向采用專用直流計(jì)量芯片方向發(fā)展，直流傳感器也將以分流器為主向新型磁電阻效應(yīng)傳感器等多類型傳感器方向發(fā)展，哪些類型的電能表會(huì)對(duì)直流電網(wǎng)中的影響更具免疫力仍是需要研究的內(nèi)容。國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)應(yīng)充分依托我國(guó)直流配用電工程，結(jié)合直流電能表實(shí)際使用中積累的經(jīng)驗(yàn)，有針對(duì)性地提煉直流電能表的特征試驗(yàn)波形，完善直流電能表評(píng)價(jià)方法。

5 結(jié)語

直流電能表是進(jìn)行電量計(jì)量、電費(fèi)核算、用電分析和線損統(tǒng)計(jì)的核心設(shè)備。由于新能源發(fā)電、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車、直流配網(wǎng)和直流入戶等領(lǐng)域的大力發(fā)展，對(duì)直流電能計(jì)量的需求將與日俱增，直流電能計(jì)量領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化方面還有大量工作有待完善。國(guó)內(nèi)應(yīng)盡早做好與IEC 標(biāo)準(zhǔn)的接軌，開展相關(guān)評(píng)價(jià)方法的預(yù)研，同時(shí)充分研究國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用需求，借鑒實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，完善國(guó)內(nèi)直流電能表規(guī)格與評(píng)價(jià)手段，盡快開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂，促進(jìn)直流電能計(jì)量設(shè)備更好地滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。