電能計(jì)量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)控制研究

張 芹，夏水斌，許 健

(1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心(計(jì)量中心)，湖北 武漢 430080;2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

電能計(jì)量設(shè)備包括很多電力電子技術(shù)與半導(dǎo)體器件，涉及范圍廣泛，既有小容量的家用式設(shè)備又有超大容量的發(fā)電廠等。國(guó)內(nèi)的電能計(jì)量設(shè)備按其所能服務(wù)的發(fā)電量共分為四種：第一種是計(jì)量105kW及以上發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，主要應(yīng)用于跨省電網(wǎng)之間的聯(lián)絡(luò)線；第二種是考量月平均用電量105kW及以上或變壓器容量為315 kVA及以上的高壓計(jì)費(fèi)用戶，主要應(yīng)用于發(fā)電廠用電[1]；第三種是計(jì)量月平均用電量105kWh以下或變壓器容量為315 kVA以下的高壓用戶和用電容量較大的低壓用戶[2]；第四類(lèi)主要用于計(jì)量低壓用戶。

1 電能表的分類(lèi)

傳統(tǒng)的電能表不僅笨重而且不夠精確，需要人工現(xiàn)場(chǎng)抄表，給電力工人增加了工作量，并且存在偷電、漏記的風(fēng)險(xiǎn)隱患。電能表隨著供電企業(yè)的出現(xiàn)而誕生，也隨著供電企業(yè)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，是社會(huì)擁有量較大的計(jì)量器具之一。其主要用于電力的貿(mào)易結(jié)算和電力生產(chǎn)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的考核。

電能表按工作原理可以分為兩類(lèi)，其一是電氣機(jī)械式電能表，其二是電子(固態(tài))式電能表。感應(yīng)式電能表主要應(yīng)用在交流電路中，由四部分組成。當(dāng)交流電通過(guò)電能表時(shí)，鋁盤(pán)上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)渦流。渦流與交流磁通產(chǎn)生作用力使鋁盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。制動(dòng)磁鐵與鋁盤(pán)產(chǎn)生制動(dòng)力矩。制動(dòng)力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩達(dá)到穩(wěn)定平衡時(shí)，鋁盤(pán)以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。鋁盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)與消耗電能成正比，以此測(cè)得電能。

單相脈沖式電能表的光電轉(zhuǎn)換器主要由光電頭和光電轉(zhuǎn)換電路組成。其中，光電頭有穿透式和反射式兩種。兩種光電頭相同的部分包括光敏管、發(fā)光管、轉(zhuǎn)盤(pán)等。光電頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光電頭結(jié)構(gòu)示意圖

一般情況下，采集和處理電信號(hào)是非常困難的，因此需要設(shè)計(jì)一種光電轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)較強(qiáng)的光照到光探頭時(shí)，探頭處于導(dǎo)通狀態(tài)，光電流增大，作用到射極耦合放大器上，使得輸出電壓為高電平；反之，輸出電壓為低電平[3-4]。

近些年發(fā)展起來(lái)的無(wú)線抄表技術(shù)主要考慮的因素有自動(dòng)抄表、低功耗、雙向交互功能等。無(wú)線抄表技術(shù)的實(shí)現(xiàn)不僅節(jié)約了很多的人力、物力成本，而且提高了電能計(jì)量的時(shí)效性、準(zhǔn)確性等，更能避免偷電、漏記的情況發(fā)生，對(duì)電能計(jì)量設(shè)備來(lái)說(shuō)是質(zhì)的提升。無(wú)線抄表功能模塊如圖2所示。

圖2 無(wú)線抄表功能模塊圖

電子式電能表結(jié)構(gòu)與感應(yīng)式電能表相似，由測(cè)量機(jī)構(gòu)和輔助部件兩大部分組成。測(cè)量機(jī)構(gòu)以電子電路為主，測(cè)量元件由ui乘法器、U/f轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。輔助部件與感應(yīng)式電能表相同。其中，內(nèi)部電路圖主要為光電轉(zhuǎn)換電路。

光電轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 光電轉(zhuǎn)換電路示意圖

圖3中：電功率P=ui，電能W=Pt。電子式電能表的關(guān)鍵部分是ui乘法器。其采用較多的是時(shí)分割乘法器。待測(cè)信號(hào)通過(guò)分壓器和互感器被縮小，之后輸入到時(shí)分割乘法器中相乘，就可得到一個(gè)與功率P成正比的模擬電壓U，再把U經(jīng)U/f轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率。根據(jù)頻率計(jì)在Δt時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)N，便可得到此段時(shí)間內(nèi)的平均功率。而對(duì)于某一段時(shí)間內(nèi)的電能測(cè)量，就變?yōu)榇硕螘r(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)換得到的累計(jì)電脈沖數(shù)[5-7]。電子電能表工作原理如圖4所示。

圖4 電子電能表工作原理框圖

2 電能計(jì)量方法

2.1 小波變換

對(duì)于線性負(fù)載或者沒(méi)有諧波源的負(fù)載而言，傳統(tǒng)的計(jì)量方法已經(jīng)足夠滿足人們的需求，無(wú)需再增加特殊功能來(lái)計(jì)量電能。但對(duì)于現(xiàn)代電網(wǎng)而言，尤其是在電力電子技術(shù)高速發(fā)展的年代，非線性和不可控器件的數(shù)量猛增，需要一些與之前不同的算法來(lái)保證計(jì)量電能的準(zhǔn)確性。

連續(xù)小波轉(zhuǎn)換式為：

(1)

式中：b為時(shí)間平移參數(shù)；a為時(shí)間軸尺度伸縮參數(shù)。

小波變換的實(shí)質(zhì)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解，對(duì)產(chǎn)生非平衡效果的無(wú)功功率進(jìn)行拆分，使得感性負(fù)載和容性負(fù)載相互獨(dú)立計(jì)算。這種算法使非線性負(fù)載存在的電路計(jì)量有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展?，F(xiàn)代電網(wǎng)非線性負(fù)載形式多種多樣，如不可控整流設(shè)備、工業(yè)機(jī)械設(shè)備、冶金機(jī)械設(shè)備(即軋鋼機(jī)、感應(yīng)爐和電弧爐等)、電解化工設(shè)備等。基于小波變換建立的Wiener泛函可以在很大程度上解決由諧波給電網(wǎng)信號(hào)造成的偏差問(wèn)題。通過(guò)數(shù)學(xué)建模分析結(jié)果可知，利用三階Wiener泛函模擬輸出函數(shù)與實(shí)際輸出數(shù)值幾乎一致。這也說(shuō)明了小波變換在非線性負(fù)載電能計(jì)量算法方面有著舉足輕重的作用[8-9]。若系統(tǒng)的輸出為多個(gè)(即F、G、S)，U(t)為輸入信號(hào)，X(t)為輸出信號(hào)，則由復(fù)合非線性系統(tǒng)傳遞函數(shù)理論，二階Wiener泛函模擬輸出如圖5所示。

圖5 二階Wiener泛函模擬輸出

2.2 傅里葉變換

傅里葉變換的本質(zhì)指的是任何周期函數(shù)的曲線，都可以由不同振幅、不同相位的正弦波疊加組成。傅里葉變換的本質(zhì)決定了它在數(shù)字信號(hào)處理方面的重要性，可以用于分析一些在特定的時(shí)間域內(nèi)很難被確定的信號(hào)。

傅里葉變換基本式為：

(2)

式中：an和bn為實(shí)頻率分量的振幅；L為函數(shù)的周期。

傅里葉變換主要解決當(dāng)電網(wǎng)中存在諧波時(shí)電能計(jì)量設(shè)備無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)量的問(wèn)題，有離散傅里葉變換(discrete Fourier transform，DFT)、快速傅里葉變換(fast Fourier fransform，F(xiàn)FT)和連續(xù)傅里葉變換(continuous Fourier transform，CFT)。DFT可以將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域。在這種情況下，時(shí)域和頻域都是離散的，通過(guò)DFT可以求出一個(gè)信號(hào)由哪些正弦波疊加而成。所得的結(jié)果就是這些正弦波的幅度和相位。

把DFT應(yīng)用到電能計(jì)量設(shè)備算法中，在處理諧波時(shí)會(huì)遇到一些問(wèn)題，比如在采樣時(shí)收到的頻率信號(hào)過(guò)大或者太低會(huì)產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象，以及頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)等。頻譜是有限、不連續(xù)的頻率點(diǎn)，如果實(shí)際中的點(diǎn)落在了間斷區(qū)就會(huì)出現(xiàn)頻譜泄漏。柵欄效應(yīng)就如通過(guò)柵欄向外看，總有一部分有用的點(diǎn)被擋到，損失了一部分實(shí)際點(diǎn)。這種有效的頻率點(diǎn)無(wú)法被采集到的現(xiàn)象即柵欄效應(yīng)[10]。

CFT可以把一個(gè)復(fù)雜的算法函數(shù)分解成一組連續(xù)的頻譜率。如果需要分析非周期性的變換函數(shù)，則可以把它的周期看成無(wú)窮大。也可以說(shuō)，具有無(wú)窮大周期的周期函數(shù)，頻譜間隙趨向于無(wú)限小，離散函數(shù)變成連續(xù)點(diǎn)，便可分析非周期性的傅里葉函數(shù)。

3 電能表的狀態(tài)監(jiān)測(cè)及評(píng)估

電能計(jì)量裝置在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)整體功能如圖6所示。

圖6 電能計(jì)量裝置在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)整體功能圖

電能表的在線監(jiān)測(cè)功能和狀態(tài)評(píng)估解決方案是一套非常完善的電能計(jì)量設(shè)備系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電能計(jì)量設(shè)備靠遠(yuǎn)程抄表的方式統(tǒng)計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)，只能傳輸電能表內(nèi)部的數(shù)據(jù)，而無(wú)法對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，比如對(duì)誤差的修正等。

電力計(jì)量設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)的主要功能模塊分別是基礎(chǔ)信息、在線監(jiān)測(cè)、在線校驗(yàn)、告警管理、狀態(tài)評(píng)估和系統(tǒng)管理[11]。

3.1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求分析

狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要記錄有關(guān)電量的各種實(shí)時(shí)信息(如常見(jiàn)的電壓、電流、功率、相角、頻率等瞬時(shí)電能指標(biāo))，自動(dòng)讀取并存儲(chǔ)這些信息，監(jiān)測(cè)回路中的各種數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行記錄、計(jì)算、分析、鑒別等。

在電能計(jì)量過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)公平交易是非常重要的，對(duì)公平交易產(chǎn)生影響的不僅是諧波帶來(lái)的沖擊，還有運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。自動(dòng)監(jiān)測(cè)偏差并進(jìn)行自動(dòng)修復(fù)是電能表必須具備的功能之一。此功能可以根據(jù)電能表誤差限值和誤差值顯示報(bào)警數(shù)據(jù)，自動(dòng)保存各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，方便后期查看、下載[12]。

3.2 技術(shù)需求分析

使用標(biāo)準(zhǔn)表法對(duì)電能表進(jìn)行誤差測(cè)試的糾正方法可以分為兩種，分別是自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程遙控。兩種方法方便了工作人員在使用電能表時(shí)的操作控制。同時(shí)，后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)管理軟件可自動(dòng)對(duì)電能表誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、生成報(bào)表；具備圖形分析功能，使得對(duì)電能表誤差的分析、對(duì)比更加直觀。

3.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電能計(jì)量設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要涉及狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估以及后臺(tái)顯示界面的一些功能，以保證整個(gè)裝置精確、實(shí)時(shí)、高效及安全地運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為主站層、站控層、間隔層和過(guò)程層。主站層包括結(jié)果表示層、計(jì)量服務(wù)層以及基礎(chǔ)服務(wù)層。結(jié)果表示層主要是為用戶提供數(shù)字化的訪問(wèn)窗口，使用戶更容易看到想要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；計(jì)量服務(wù)層主要是為用戶提供電能計(jì)量數(shù)據(jù)、信息監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、誤差糾正、故障報(bào)警等業(yè)務(wù)；基礎(chǔ)服務(wù)層主要是為電能計(jì)量設(shè)備監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)提供基礎(chǔ)服務(wù)業(yè)務(wù)，如任務(wù)調(diào)度服務(wù)、報(bào)表分析服務(wù)、系統(tǒng)安全服務(wù)、基礎(chǔ)資源管理服務(wù)、評(píng)估服務(wù)(評(píng)估算法、評(píng)估決策分析)、系統(tǒng)接口服務(wù)等，通過(guò)采集及數(shù)據(jù)分析梳理，完成服務(wù)層所需的信息采集。

一套完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)電能計(jì)量設(shè)備而言是非常重要的，因?yàn)殡娔苡?jì)量設(shè)備所要服務(wù)的范圍很大，并且現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜多樣，同時(shí)又要求具有很高的精度。任何一個(gè)微小的錯(cuò)誤都會(huì)影響電網(wǎng)環(huán)節(jié)的公平性，并會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞從而帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失等。

3.4 裝置狀態(tài)評(píng)估

電能計(jì)量設(shè)備的不間斷運(yùn)行是常態(tài)化的，如需保證電能計(jì)量設(shè)備的準(zhǔn)確性，則需要對(duì)電能計(jì)量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作整體評(píng)估。評(píng)估時(shí)，不僅要考慮各種一般情況，還要考慮一些特殊的情況。如果某一個(gè)元器件出現(xiàn)嚴(yán)重異常的情況，得出的計(jì)量裝置整體的運(yùn)行狀態(tài)就會(huì)產(chǎn)生很大的偏差。只有在所有部件都沒(méi)有出現(xiàn)異常的情況下，才能根據(jù)各自的權(quán)重值進(jìn)行整體運(yùn)行狀態(tài)的綜合評(píng)估。

眾多電力行業(yè)計(jì)量裝置的專(zhuān)家學(xué)者經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的研究驗(yàn)證，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用中收集到的歷史運(yùn)行故障分析數(shù)據(jù)，總結(jié)了各元器件的故障占比率，形成了一套模塊評(píng)估權(quán)重的系數(shù)。

計(jì)量裝置結(jié)果評(píng)估的內(nèi)容主要包括四個(gè)方面：G為電能表評(píng)估、P為電壓互感器評(píng)估、C為電流互感器評(píng)估、H為二次回路評(píng)估。經(jīng)過(guò)一系列調(diào)查、研究，各模塊狀態(tài)評(píng)分比重如表1所示。

表1 各模塊狀態(tài)評(píng)分比重表

電能計(jì)量設(shè)備整體狀態(tài)評(píng)估評(píng)分計(jì)算式為：

(3)

4 電能計(jì)量設(shè)備的應(yīng)用

電力行業(yè)是國(guó)計(jì)民生的重要支柱。如今的生活已離不開(kāi)電能，而有用到電的地方就必須有電能計(jì)量設(shè)備。電能計(jì)量設(shè)備在電力行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中起到了巨大的作用。因此，做好電能計(jì)量設(shè)備的技術(shù)實(shí)施、工程應(yīng)用等工作，使其能夠進(jìn)一步保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性以及促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展是非常重要的。

根據(jù)電能計(jì)量設(shè)備狀態(tài)評(píng)估在實(shí)際中的應(yīng)用，本文選擇了四地的電能計(jì)量設(shè)備進(jìn)行評(píng)估。各地供電單位狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 各地供電單位狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，截止到2019年初，電力使用覆蓋率將近100%。如此龐大的用戶數(shù)量，就如何平衡發(fā)、輸、變、配、用電之間的關(guān)系，保證每一階段的交易具有準(zhǔn)確性、公平性、簡(jiǎn)便性等，迫切需要一套完善的電能計(jì)量設(shè)備。傳統(tǒng)的電能計(jì)量設(shè)備已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代如此多的電網(wǎng)諧波和非線性負(fù)載加入的情況的要求。電力半導(dǎo)體器件的研制對(duì)我國(guó)科技的發(fā)展有至關(guān)重要的作用，特別是在一些科技核心領(lǐng)域。但這些發(fā)展帶來(lái)的非線性負(fù)載及諧波對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，造成一些用戶的經(jīng)濟(jì)損失。吸收諧波的用戶需要繳納比本身消耗電能更多的費(fèi)用。這種現(xiàn)象違背了市場(chǎng)公平交易的原則。正因?yàn)槿绱耍判枰邪l(fā)更多精密的算法、更加精準(zhǔn)的計(jì)量裝置。

根據(jù)策略輸出狀態(tài)，對(duì)圖7的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行抽樣驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，處于穩(wěn)定狀態(tài)的電能表所占的比例為82%，預(yù)警所占的比例為0.61%。該驗(yàn)證結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果相差較小，說(shuō)明本文所述方法具有一定的參考價(jià)值。

5 結(jié)論

我國(guó)電力行業(yè)近年來(lái)發(fā)展迅速。預(yù)計(jì)到2035年，全社會(huì)用電量將達(dá)到11.7萬(wàn)億千瓦時(shí)。因此，電力行業(yè)發(fā)展空間巨大。電力系統(tǒng)的日益發(fā)展，推動(dòng)著電能計(jì)量設(shè)備的研究熱潮。同時(shí)，電能計(jì)量設(shè)備的算法，如傅里葉變換、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等日漸趨于成熟，增加了電能計(jì)量設(shè)備的時(shí)效性、準(zhǔn)確性、簡(jiǎn)便性。各種各樣的電能表也相繼得到研發(fā)。這些電能表形式種類(lèi)各異，可以滿足不同場(chǎng)合、不同負(fù)荷形式的電能表使用需求，在滿足電力行業(yè)發(fā)展需求的同時(shí)，也能促進(jìn)電力行業(yè)的發(fā)展。目前，我國(guó)的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)正處于高速發(fā)展階段，電力行業(yè)尤其突出，電化學(xué)儲(chǔ)能行業(yè)的迅速崛起，更進(jìn)一步地平衡、穩(wěn)定了我國(guó)的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。電力行業(yè)的穩(wěn)定、高速發(fā)展離不開(kāi)電能計(jì)量設(shè)備，未來(lái)的電能計(jì)量設(shè)備一定會(huì)更加精確、更加高效。