電能量計(jì)量管理系統(tǒng)缺失電量計(jì)算方法研究

李俊臣, 頡子光, 雷鳴

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院, 西安 710000; 2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力調(diào)度控制中心, 西安 710100; 3.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司商洛供電公司, 陜西 商洛 726000)

0 引 言

電能計(jì)量裝置作為衡量發(fā)電計(jì)算用戶電能消耗量的重要裝置，其技術(shù)水平及準(zhǔn)確性要求隨著大電網(wǎng)的發(fā)展在逐步地提升[1-3]。由于大功率設(shè)備在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的沖擊負(fù)荷以及計(jì)量裝置自身故障種種原因會(huì)對(duì)智能電能表電能計(jì)量的準(zhǔn)確性造成影響，而智能電能表作為電能計(jì)量系統(tǒng)的重要單元，電能計(jì)量的準(zhǔn)確度直接影響了電力部門的收益, 關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)利益[4-6]。

國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)電能計(jì)量管理的相關(guān)問題展開了大量研究工作。文獻(xiàn)[7]通過分析傳統(tǒng)電能計(jì)量功率理論及其算法不足，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，提出了一種適用于沖擊負(fù)荷電能計(jì)量的實(shí)用化算法；文獻(xiàn)[8-9]對(duì)沖擊負(fù)荷對(duì)電能計(jì)量的影響進(jìn)行定量分析，以電能表的響應(yīng)速度作為衡量電能表質(zhì)量的重要指標(biāo)，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)方案以解決電能計(jì)量糾紛問題。文獻(xiàn)[10]以醫(yī)院CT機(jī)沖擊負(fù)荷對(duì)智能電能表計(jì)量的動(dòng)態(tài)誤差影響為例，對(duì)沖擊負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的影響特性進(jìn)行分析，建立了智能電能表的全系統(tǒng)模型以及電能測(cè)量仿真算法；文獻(xiàn)[11]基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的常見故障，分析了電量表計(jì)配置、通信斷線、電能表RS-485串口等造成電量采集裝置在安裝調(diào)試中出現(xiàn)大量通信故障的主要故障原因進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的改進(jìn)調(diào)試方法；文獻(xiàn)[12]從電網(wǎng)運(yùn)行工況的角度對(duì)電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差的影響進(jìn)行了分析和說明，提出了新型運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，結(jié)合電能計(jì)量裝置的運(yùn)行狀態(tài)以及各電氣參量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)電能計(jì)量裝置運(yùn)行狀態(tài)的準(zhǔn)確性、可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)[13]通過電流互感器、電壓互感器等電力系統(tǒng)的二次設(shè)備實(shí)時(shí)采集設(shè)備的電流、電壓值，實(shí)時(shí)計(jì)算得到線路、變壓器的有功功率，再通過對(duì)有功功率的積分，就可以得到對(duì)應(yīng)積分時(shí)段的電量，實(shí)時(shí)反應(yīng)電網(wǎng)情況。

以上參考文獻(xiàn)對(duì)電能計(jì)量裝置的誤差和改進(jìn)方法進(jìn)行了大量研究工作，但鮮有文獻(xiàn)從根本上分析誤差來源以解決計(jì)量缺失問題。為此，文章基于電路理論，對(duì)不同類型電量計(jì)量裝置的工作原理及計(jì)算方法進(jìn)行分析，從根本上找出造成電量計(jì)量缺失的原因，并給出相應(yīng)的解決方法。

1 電能量計(jì)量管理系統(tǒng)

圖1為電能量計(jì)量管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，其主要應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)以實(shí)現(xiàn)用電現(xiàn)場(chǎng)的電能表和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)主站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，是一種用電需求側(cè)綜合性的技術(shù)，集成了計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、現(xiàn)代數(shù)字通信技術(shù)、電力營(yíng)銷技術(shù)和電能計(jì)量技術(shù)等技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息采集與分析處理的功能。電能量計(jì)量管理系統(tǒng)的主要功能包括：數(shù)據(jù)采集與處理、電量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算、報(bào)表管理與信息發(fā)布以及系統(tǒng)接口。

(1)數(shù)據(jù)采集與處理。

由于變電站計(jì)量點(diǎn)數(shù)量較多，各計(jì)量點(diǎn)所采集的電能量信息量龐大、耗時(shí)長(zhǎng)，人力成本較大且準(zhǔn)確性和及時(shí)性較低，因此，應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能量信息的自動(dòng)采集，以提升電能量數(shù)據(jù)抄讀的準(zhǔn)確性、及時(shí)性及統(tǒng)一性，達(dá)到規(guī)范用電管理和減員增效的目標(biāo)。

圖1 電能量計(jì)量管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

(2)電量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。

電量統(tǒng)計(jì)與計(jì)算是用電管理的是一項(xiàng)核心工作，所涉及的結(jié)算、統(tǒng)計(jì)的電量數(shù)據(jù)龐大而繁雜。應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)各類電量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，可采用時(shí)間段進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，使得電量信息的分析工作變得清晰明了；另外，應(yīng)用計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)也便于電能損耗量的計(jì)算，電能損耗計(jì)算是用電管理的一項(xiàng)重要工作，通過電能損耗計(jì)算查找損耗原因，制定出降損的措施能夠大大降低供電企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，提高效益，也可通過異常線損信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備的異常情況，為電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

(3)報(bào)表管理與信息發(fā)布。

實(shí)現(xiàn)電能量數(shù)據(jù)報(bào)表的自動(dòng)生成和發(fā)布，為電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行狀態(tài)和電網(wǎng)建設(shè)或改造提供數(shù)據(jù)依據(jù)。在系統(tǒng)提供詳實(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過應(yīng)用專用和通用的電子制表功能，按照應(yīng)用的需要，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)，并計(jì)生成相應(yīng)的報(bào)表，如：原始數(shù)據(jù)報(bào)表、電量分析比對(duì)報(bào)表、線損平衡報(bào)表、母線平衡報(bào)表、變損分析報(bào)表、電壓合格率報(bào)表、失壓記錄報(bào)表、報(bào)警信息報(bào)表等。

(4)系統(tǒng)接口。

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接口與MIS系統(tǒng)連接，使得變電站關(guān)口表電量數(shù)據(jù)、負(fù)荷數(shù)據(jù)、線損報(bào)表、倍率參數(shù)等相關(guān)計(jì)量數(shù)據(jù)可通過WEB發(fā)布在MIS系統(tǒng)查閱瀏覽。

2 電能量計(jì)算的基本原理

通過將一次線路、互感器、二次電路以及電能表按照電路理論進(jìn)行邏輯接線，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電線路的電能計(jì)量。由于用電客戶電路種類的不同，其相應(yīng)的電能計(jì)量裝置的接線方式各異，按照不同的接線方式將電能計(jì)量裝置分為單相式、三相三線式以及三相四線式三類[14]。

(1)單相式。

對(duì)于220 V的單相低壓用電用戶，主要采用單相有功電能表。若用電用戶的負(fù)荷較大，超過電能表量程時(shí)，則需經(jīng)過電流互感器，再使用單相電能表對(duì)用戶的用電量進(jìn)行測(cè)算。圖2為單相式有功電能表的接線示意圖。

圖2 單相式電能表接線圖

單相有功電能表計(jì)算有功功率的方程式為：

P=U相I相cosφ

(1)

式中U相為單相電路的相電壓；I相為單相電路的相電流；φ為相電壓和相電流之間的夾角。

(2)三相三線式。

對(duì)于中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)，主要采用三相三線式有功電能表。如圖3所示，為三相三線式有功電能表的接線示意圖。圖3中，兩個(gè)電壓互感器采用Yy接線方式，一次側(cè)分別接A相、B相和B相、C相，二次側(cè)接線的b相需接地，保證接入電能表的兩個(gè)電壓對(duì)稱，測(cè)量得到二次側(cè)的線電壓Uab和Ucb；電流互感器為分相四線式接法，高壓側(cè)接在A相和C相上，低壓側(cè)接線均需一點(diǎn)接地，測(cè)量得到二次側(cè)負(fù)荷相電流Ia和Ic。

圖3 三相三線式電能表接線圖

三相三線式有功電能表計(jì)算有功功率的方程式為：

P=UabIacos(φa+30°)+UcbIccos(30°-φc)

(2)

當(dāng)三相電路平衡對(duì)稱時(shí)，則有：

(3)

式中U線為三相電路的線電壓；I線為三相電路的線電流；φ為相電壓和相電流之間的夾角。

(3)三相四線式。

對(duì)于中性點(diǎn)有效接地的系統(tǒng)，主要采用三相四線式有功電能表。如圖4所示，為三相四線式有功電能表的接線示意圖。圖4中，三個(gè)電壓互感器采用Yy接線方式，一次側(cè)分別接A-N相、B-N相和C-N相，二次側(cè)接線的中性點(diǎn)需接地，測(cè)量得到二次側(cè)的相電壓Ua、Ub和Uc；兩個(gè)電流互感器為分相六線接法，高壓側(cè)分別接在A相、B相和C相上，低壓側(cè)接線均需一點(diǎn)接地，測(cè)量得到二次側(cè)負(fù)荷相電流Ia、Ib和Ic。

圖4 三相四線電能表接線圖

三相四線式有功電能表計(jì)算有功功率的方程式為：

P=UaIacosφa+UbIbcosφb+UcIccosφc

(4)

假定三相電路對(duì)稱平衡，則三相四線有功電能表計(jì)算有功功率的方程式為：

P=3U相I相cosφ

(5)

式中U相為三相電路的相電壓；I相為三相電路的相電流；φ為相電壓和相電流之間的夾角。

3 電能量計(jì)量缺失

3.1 電量缺失的主要原因分析

造成用電量缺失的原因大體可分為三種，即：計(jì)量裝置故障、計(jì)量回路故障以及竊電。其中，竊電是人為因素所造成的，因此，文章僅對(duì)計(jì)量裝置故障和計(jì)量回路故障造成的用電量缺失情況進(jìn)行分析。

3.1.1 計(jì)量裝置故障

基于計(jì)量裝置的內(nèi)部電路圖能夠看出，引起計(jì)量裝置故障的原因主要來源于電壓、電流互感器以及電能表故障等[15]。

(1)電壓互感器故障。如雷擊造成的過電壓，使得電壓互感器燒毀故障而未燒斷其一次熔管，進(jìn)而造成電能計(jì)量裝置缺相，無法正常計(jì)量電量[16]；

(2)電流互感器故障。當(dāng)電流互感器的變比選擇不恰當(dāng)時(shí)，會(huì)造成在長(zhǎng)期高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下的電流過大，燒毀電流互感器內(nèi)部構(gòu)件，使得電能表缺相，進(jìn)而造成電能計(jì)量量的缺失；

(3)電能表故障。電能表長(zhǎng)期處于風(fēng)吹日曬的露天工作環(huán)境下，電能表的內(nèi)部部件容易發(fā)生損壞，導(dǎo)致其無法正常工作。

3.1.2 計(jì)量回路故障

計(jì)量回路故障通常是因?yàn)橛?jì)量裝置的內(nèi)部接線錯(cuò)誤而導(dǎo)致的。目前所廣泛使用的三相三線式和三相四線式電能計(jì)量裝置，需要經(jīng)過相應(yīng)的電壓/電流互感器后再與電能表連接，其內(nèi)部接線較多，容易出現(xiàn)接線錯(cuò)誤的情況，常見的計(jì)量回路故障主要包括：低壓側(cè)接線點(diǎn)處松動(dòng)、接線點(diǎn)處斷開造成斷路、互感器極性接反、低壓側(cè)與高壓側(cè)相序不一致等[17]。

如圖5所示，為電壓互感器一次側(cè)A相熔管熔斷導(dǎo)致斷線故障。

圖5 A相熔管熔斷的斷線故障

由式(2)可知此時(shí)三相三線有功電能表所計(jì)有功功率為：

P=UcbIccos(30°-φc)

(6)

假設(shè)三相電路平衡對(duì)稱，則有：

(7)

與式(3)進(jìn)行對(duì)比可知，對(duì)于電壓互感器高壓側(cè)的斷線故障，若負(fù)荷呈現(xiàn)為感性，則有功電能表的實(shí)測(cè)結(jié)果會(huì)超過用電量實(shí)際值的1/2；若負(fù)荷呈現(xiàn)為容性，則有功電能表的測(cè)算結(jié)果要小于用電量實(shí)際值的1/2。

3.2 缺失電量的常見計(jì)算方法

3.2.1 公式法計(jì)算

將缺失電量定義為[18]：用電用戶用電量的實(shí)際值W理論與故障工況下用電量的測(cè)量值W實(shí)際之差，即：ΔW=W理論-W實(shí)際。

當(dāng)計(jì)量裝置故障時(shí)，將電能計(jì)量裝置正常運(yùn)行時(shí)測(cè)量得到的有功功率記做P理論，將電能計(jì)量裝置故障時(shí)測(cè)量得到的有功功率記做P實(shí)際。

對(duì)于三相三線制系統(tǒng)，電量計(jì)量裝置測(cè)量得到二次側(cè)的線電壓Uab和Ucb、負(fù)荷相電流Ia和Ic以及A相和C相電壓與相電流間的相位差，基于式(2)計(jì)算得到相應(yīng)的電能。假設(shè)當(dāng)B相出現(xiàn)故障時(shí)，傳統(tǒng)公式法不考慮B相電壓在故障持續(xù)期間殘壓對(duì)電量計(jì)量的影響，此時(shí)：

P實(shí)際=UaIacos(φa+30°)+UcIccos(30°-φc)

(8)

對(duì)于三相四線制系統(tǒng)，電量計(jì)量裝置測(cè)量得到二次側(cè)的相電壓Ua、Ub和Uc、負(fù)荷相電流Ia、Ib和Ic以及A、B、C三相相電壓與相電流間的相位差，基于公式(4)計(jì)算得到相應(yīng)的電能。假設(shè)當(dāng)B相出現(xiàn)故障時(shí)，傳統(tǒng)公式法不考慮B相電壓在故障持續(xù)期間殘壓對(duì)電量計(jì)量的影響，此時(shí)：

P實(shí)際=UaIacosφa+UcIccosφc

(9)

將二者的比值記做修正系數(shù)k，即：k=P理論/P實(shí)際。由此，得到缺失用電電量的計(jì)算式為：

ΔW=kW實(shí)際-W實(shí)際

(10)

基于式(10)，分析用電用戶實(shí)際用電量與計(jì)量裝置故障下用電量測(cè)量值之間的關(guān)系[19]，得到k在不同取值下的電量計(jì)量特性如下：

(1)當(dāng)k>1時(shí)，說明電能計(jì)量裝置測(cè)量得到的用電量測(cè)量值要小于用戶的實(shí)際用電量；

(2)當(dāng)k=1時(shí)，說明電能計(jì)量裝置測(cè)量得到的用電量測(cè)量值等于用戶的實(shí)際用電量；

(3)當(dāng)0

(4)當(dāng)k<0時(shí)，說明電能計(jì)量裝置測(cè)量到的用電量測(cè)量值為負(fù)值，電能計(jì)量裝置反轉(zhuǎn)；

(5)當(dāng)k=∞時(shí)，說明電能計(jì)量裝置完全失靈，無法獲取用電量測(cè)量值，此時(shí)應(yīng)采取估算法對(duì)電能缺失量進(jìn)行估計(jì)。

3.2.2 基于計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)的缺失電量計(jì)算

基于公式法計(jì)算由互感器或是二次回路故障引起電量缺失的前提是假定負(fù)荷是三相對(duì)稱的，但在實(shí)際情況下，用戶三相負(fù)荷不一定是三相對(duì)稱平衡的，此時(shí)，采用式(10)進(jìn)行缺失量的計(jì)算會(huì)出現(xiàn)一定的誤差[20]。此外，當(dāng)電壓互感器及低壓側(cè)發(fā)生故障時(shí)，公式法未能考慮到電壓互感器熔管熔斷期間殘壓影響，僅將故障相電壓記作0進(jìn)行處理，如式(8)和式(9)所示，也會(huì)對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。因此，需要在獲取大量準(zhǔn)確的電能量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的公式法進(jìn)行修正，取各相電壓、相電流、線電壓在整個(gè)故障持續(xù)期間的平均值來對(duì)電量進(jìn)行計(jì)算，即采用基于計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)的公式法計(jì)算缺失電量。

對(duì)于三相三線制系統(tǒng)，有：

(11)

對(duì)于三相四線制系統(tǒng)，則有：

式(11)、式(12)中的各電氣參量均取值為在整個(gè)故障持續(xù)期間的平均值。

4 案例分析

以某供電局某一客戶某日發(fā)生的三相四線制高壓計(jì)量裝置電能缺失量案例為例，采用基于計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)的公式計(jì)算法進(jìn)行計(jì)算，再與傳統(tǒng)公式法進(jìn)行對(duì)比。已知故障持續(xù)期間電壓失壓時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)如圖6及表1所示。表1中，T1為電量計(jì)量裝置故障起始時(shí)刻，Tn為電量計(jì)量裝置故障恢復(fù)時(shí)刻，T1-Tn=8.28天。

圖6 故障期間電氣參量的變化特性

表1 故障期間的電能量數(shù)據(jù)

基于表1和圖6來看，對(duì)于三相電壓中的B相，其電壓測(cè)量值由正常工況時(shí)的61 V逐步降低為0 V。而B相的有功功率也從正常工況時(shí)0.013 2 kW逐步降低為0 kW，這是典型的B相熔管熔斷造成的斷線故障，會(huì)引起用戶用電量計(jì)量的缺失。

采用傳統(tǒng)公式法計(jì)算用電缺失量，傳統(tǒng)公式法假定三相負(fù)荷對(duì)稱平衡，計(jì)算修正系數(shù)k：

(13)

求解得到修正系數(shù)k為1.5。已知用戶計(jì)量裝置的倍率為48 000，則可求得用戶的實(shí)際用電量為344 640 kW·h。基于式(10)，求解得到缺失電量為172 320 kW·h，則用戶的實(shí)際用電量516 960 kW·h。進(jìn)一步地得到故障期間的平均日電量為: 62 435kW·h/天。

選取該用戶在故障發(fā)生前至故障恢復(fù)這段時(shí)期的日用電量數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)缺失電量計(jì)算的正確性，如圖7所示，計(jì)算得到該用戶在當(dāng)月故障發(fā)生前的正常平均日用電量為52 047 kW·h/天。

圖7 日用電量數(shù)據(jù)

可見，傳統(tǒng)公式法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際用電量差別較大?；谟?jì)量自動(dòng)化技術(shù)對(duì)用戶的用電缺失電量進(jìn)行計(jì)算。從表1的功率因數(shù)和三相電流值來看，該用戶的功率因數(shù)基本穩(wěn)定為0.98，電流值存在細(xì)微差異，說明三相負(fù)荷處于不平衡工況。綜合考慮殘壓的影響，計(jì)算得到故障期間A、B、C三相電壓的平均值為： 60 V、 35.17 V、 60 V，A、B、C三相電流的平均值為0.217 A、0.216 A、0.217 A，功率因素的平均值為0.98，計(jì)算修正系數(shù)k為：

(14)

可得k=1.25，計(jì)算出故障期間用戶的實(shí)際用電量為：(1489.89-1482.71)×48000=344 640 kW·h。 基于式(10)，計(jì)算出缺失電量為：1.25×344640-344640=86160 kW·h，則用戶的實(shí)際用電量為430 800 kW·h。進(jìn)一步地，得到故障期間的平均日電量為：430800÷8.28=52 029 kW·h/天，與圖7的計(jì)算數(shù)據(jù)十分接近。

對(duì)比傳統(tǒng)公式法的計(jì)算結(jié)果和基于計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)的公式法計(jì)算結(jié)果可知，由于傳統(tǒng)公式法缺乏考慮殘壓對(duì)計(jì)算的影響，并且假定故障期間三相負(fù)荷對(duì)稱的條件無法正確還原用戶的實(shí)際用電情況，因而存在較大的誤差，不能正確計(jì)算出用電缺失量。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章基于電路理論對(duì)不同類型電能計(jì)量裝置的計(jì)量原理進(jìn)行分析，深入探究了造成電能量計(jì)量缺失的原因以及缺失量的計(jì)算方法。通過將傳統(tǒng)缺失電量計(jì)算方法和計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，提出了基于計(jì)量自動(dòng)化技術(shù)的缺失電量公式計(jì)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能缺失量的準(zhǔn)確計(jì)量，該方法對(duì)減少企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失，提升電力營(yíng)銷服務(wù)水平具有重要的指導(dǎo)意義。