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三相多功能表現狀及未來發展方向
      2003年以來,也就是中國的城市和農村電網進行大規模改造、建設之后,電力系統對三相多功能表的需求量迅速增長, 2004年產量估計約70萬臺,以不足全國電能表總產量1%的份額,創造11%的電能表總產值。由此,國際、國內電表企業紛紛看好商機,抓緊新技術開發,不斷推出三相多功能表的新產品,以滿足電能表市場的應用需求。
      與傳統的機械表相比,采用電子計量原理的三相多功能表,具有高精度、多參數測量、諧波功率電能計量等優勢。從總體評價,三相多功能表還是穩態電力負荷計量產品,由于其應用領域擴大,電力系統對電表不斷提出新的技術要求。現有的三相多功能表性能和品質,都不能完全適應電力系統的需求。因此,如何正確把握產品技術發展趨勢,改進產品設計,將三相多功能表技術水準推向一個新的高度,無疑是電表行業和電力系統共同關注的課題。

一、引進的三相多功能電能表新技術

      引進的三相多功能表新技術,代表目前國際上電能表技術的最高水平:
1、高精度、長壽命計量
      準確度為0.1%的有功電能計量,超過IEC在線計量的最高準確度要求,其誤差曲線的帶寬為 /-0.05%;
      0.2 S級三相基波表,具有分相的2—50次諧波有功功率計量;
      0.2S級長壽命的電網關口表,具有電能質量計量???。

2、高速率、實時測量
      交流采樣速率為256點/周波,記錄周期最短為10毫秒;
      電能質量計量:63次諧波、電壓閃變、故障錄波78微秒的瞬變,供電可靠性指標的記錄為99.9999999%。

3、開放式、高速率通信技術應用
      開放式通信協議IEC62056-61/62/53/46/42,抄表、費率、負荷控制數據交換;
      互聯網通信,自動發送E-mail報警信號、系統運行狀態刷新、數據記錄,通過以太網連接到某些國際知名的電量計費系統的關口表,Web服務器可直接讀取電表各種實際數據、電能質量參數,無需任何專用軟件。

4、三相電能計量專用芯片
      采用低頻濾波法計量諧波無功功率的三相計量芯片,高位∑-△A/D,負荷動態范圍1000:1,線性度0.1%,具有溫度測量功能,片上接口可直接與微分電流互感器連接;
      精度優于0.1%的三相SOC單芯片,21位2階∑-△A/D,32位可編程的電能量計算引擎,負荷動態范圍2000 :1,片內集成:高速8051單片機、硬實時鐘、LCD驅動電路、看門狗電路、定時器、多種存儲器、多種通信接口等。

5、諧波功率電能計量標準
      在歐洲:三相0.01級標準表,具有諧波功率計量功能;建立起諧波有功功率、諧波視在功率的計量傳遞標準;
      在美國:電能表自動校準系統,在任意波形諧波總含量30%以下,計量準確度為 /-0.005%—0.05%;高精度三相標準表,在功率因數低于0.5(60—90),計量準確度為 /-0.02%/功率因數;電能功率標準源,提供七種非正弦信號的無功功率計算方法。
      需要指出:盡管IT產業新技術的應用,推動了進口電能表技術的快速發展,但是現在進口的在線電能表產品技術不規范,0.1級電能表、任意波形功率和電能計量、0—360計量等關注的問題正在探索,電能表誤差穩定性、可靠性指標尚未量化,器件損壞、數據丟失、自檢有誤的情況時有發生,這些情況說明進口電能表技術走向成熟還有一個很長的過程。

二、國產三相多功能電能表新技術

      國產電子式三相多功能表技術開發起步較晚,近幾年,注重吸收國際計量技術與管理經驗,強化自主開發,取得了許多新的技術成果:

1、三相多功能表
      0.2S級有功功率計量,16位∑-△A/D,160M IPS的DSP,交流采樣速率256點/周波,運行和備用兩套費率時段,負荷曲線記錄和容量為4M字節的存儲器,寬電源電壓范圍,互感器合成誤差補償,變壓器銅損、鐵損計算;
      0.5S級三相基波有功表;
      采用三相SOC單芯片或三相有功、無功計量芯片的低端三相多功能表設計,從技術上適應電表量大、面廣的市場需求;
      高壓電能表,采用電子式傳感器,懸浮式電源設計,有功電能計量準確度為0.5級,用于10千伏中壓電網直接計量電能量。

2、諧波功率、電能計量
      三相諧波表,有功功率計量0.2S級,無功功率計量0.5S級,高準確度的基波和諧波有功電能計量,采用實時積分法計算總有功電能,通過FFT算法,提供基波、諧波電能量和諧波功率方向;
      沖擊負荷電能計量理論與算法,應用廣義功率理論,定義任意波形的單相電路和三相電路的功率,應用正弦電路功率理論、傳統非正弦電路功率理論和廣義功率理論進行沖擊負荷的有功、無功、視在、畸變、三相不對稱功率電能的計算;
      基于IIR型Hilbert數字濾波法的諧波無功功率的測量,Hilbert數字濾波器具有優越的頻率響應特性,數值計算簡單,經計算的諧波無功功率,與仿真實驗結果只差0.02%;
      諧波有功功率潮流分析方法,經研究指出:FFT理論具有局限性,實際的電力負荷,除基波和整數倍頻成份外,尚有間諧波存在,需要開發電能表新的算法。

3、三相電能計量專用芯片 
      具有基波/諧波電能計量的三相多功能計量芯片,16位∑-△A/D、24位DSP,負荷動態范圍1000:1,線性度0.1%,測量帶寬21次諧波,集成溫度傳感器;
      采用Hilbert數字濾波器計量諧波無功功率的三相計量芯片;
      采用數字并行算法和降低晶振頻率技術的低功耗三相有功功率計量芯片。

4、基于GPRS通信網的用電需求側管理系統及其終端
      該系統具有遠程抄表、用電異常信息報警、電能質量檢測、線損分析、無功電壓管理和電力負荷控制管理等功能,系統指標為:并發數據量不小5萬采集點,一次采通率不小于95%,二次采通率不小于99.5%,遙測合格率大于98%,對時精度小于100毫秒。

5、關口表遠程校準系統
      該系統由多路關口表的測量、校準回路和計算機通信網絡構成,就是將高精度三相標準表置于變電站內環境條件符合要求的場所,被測電流的變換是通過計量電流互感器的二次回路接入0.02級、5/0.5A的中間互感器,標準表和關口表的三相接線方式和有功、無功計量方式是通過工控機指令切換,關口表的實時誤差通過專用信道送至系統主站,整個系統誤差為0.1%。

6、電能質量和電能計量標準
      準確度為0.02%的數字式三相標準表,四象限測量,多種無功功率計量方式,諧波和基波有功功率計量,50次諧波分析,三相不對稱測量;
      電力系統的正弦無功功率計量標準,它以電流比較儀技術為基礎,通過基本電學參量溯源,正弦無功 功率計量的擴展不確定度為7510-6;
      電力系統的電能質量計量標準,包括:諧波電壓、電流測量,諧波次數從直流和2—100次整數倍諧波,任意次間諧波,諧波電壓擴展不確定度為0.02%,諧波電流擴展不確定度為0.04%;閃變,常用的指標是短時間閃變Pst(10min)和長時間閃變Plt(2h),該標準裝置的擴展不確定度為0.5%;頻率: 1Hz-21MHz,該裝置擴展不確定度為210-10;相位,該標準裝置擴展不確定度為0.02;
      產品技術規范,鑒于國際上尚未有三相多功能表的統一標準,中國電工儀器儀表標準化技術委員會組織起草國家標準《多功能電能表 特殊要求》,現正進入審定階段。制定該標準的目的,是為制造商和使用電能的用戶提供一個產品技術規范,并使其體現產品訂貨技術規范的大部分內容,多功能表的通用要求,將參照中國相關國家標準的的內容。
      綜上所述,經過十幾年的發展,中國的三相多功能表門類比較齊全,中、低端電表技術開發水平較高,特別是沖擊負荷電能計量理論與算法、諧波無功功率計量、具有諧波功率計量的三相專用芯片、高壓電能表、GPRS通信技術應用、電能遠程校準等技術項目具有創新意義。但是也應該看到,高端電表技術沒有完全過關,電網關口計量仍以進口電表為主導產品,這是一個值得深思的問題。

三、未來三相多功能電能表技術的走向

      正視現狀,展望未來,需要超前預測電表應用領域和技術要求的不斷變化,才能正確把握今后產品技術的走向。

      1、應用領域的拓展:近幾年,中國的社會用電量迅速增長,全國聯網,特高壓電網建設,百萬千瓦級發電機并網,家居網絡化進程,電網經營管理改進和計量新技術應用等要素,推進電表應用領域的擴展,主要是:
      從用電計量計費擴大到配電變壓器、變電站的經濟管理和用電需求側管理的計量;
      從用戶計費擴大到發電廠上網電量、跨省電網聯絡線交換電量的計費;
      從315千伏安及以上的大工業用戶計費擴大到100千伏安及以上的商業、非工業、普通工業戶的計費,以上電表應用領域的擴大,引起計量點總量估計由60萬個擴大到400萬個,電表應用需求量前景看好。

      2、技術要求的更新:隨著電表應用范圍擴大,電力系統提出許多具有專業特點的計量要求
      傳統計費電表的通用要求,有功、無功電能計量,最大需量計量,費率時段,單方向、雙方向和不完整的四象限計量,多參數測量,多種計時要求,多種通信方式,自檢、報警,停電抄表,失壓、斷相、停電、失流、三相不對稱、編程預置、需量復位等事件記錄;
      新提出的通用要求,運行和備用兩套費率時段,0-360計量,具有時標的視在電能計量,最小需量計量,Qh計量,溫度誤差自動補償,諧波電壓、電流總含量和諧波污染程度測量,防竊電基礎技術,同時,計費電表要準確可靠,功能簡單、實用;
      關口表的特殊要求,最高準確度提高到0.1級,電表穩定性和可靠性指標要量化,低負荷計量,需量周期、費率時段的同步和主、副表實時比對,電表遠程校準等;
      大工業戶計量的特殊要求,諧波、沖擊負荷計量,功率越限報警,主變壓器損耗計量,互感器合成誤差補償,電能質量計量等;
      中等容量戶計量的特殊要求,大電流計量,半波通過電流互感器計量,三相不平衡、不對稱計量;
      變電站進線、出線計量的特殊要求,主變壓器損耗計量,變電站的有功、無功、視在電能平衡計量,無功功率控制信號輸出,用戶線路的特殊要求,參照大工業戶計量的特殊要求內容;
配電變壓器計量的特殊要求,停電采集,三相不平衡、不對稱測量,中性線電流測量,變壓器油溫測量,變壓器損耗計量和有功、無功、視在電能平衡,電力線路損耗電量的核實, 等;
      用電需求側管理系統終端的特殊要求,功率越限報警和主動上報,電力負荷開關投切信號輸出等。
      同時,為整頓與抑制目前出現的對三相多功能表功能要求過多,技術條件出臺無序的情況,建議電力系統按不同應用領域制訂統一的技術規范。

      注:諧波污染程度,暫定義為:非基波視在功率/基波視在功率

3、產品技術的發展趨向
      三相多功能表技術要跟蹤應用需求的不斷變化,也就明示了今后產品技術的發展趨向:
      電表多門類:由單一的計費產品發展到關口計量、配電變壓器計量、變電站計量、大工業戶計量、中等容量戶計量、用電需求側管理系統及終端6類產品,分別制訂產品技術規范;
      關口電能表,要發展高精度、高穩定性、高可靠性、快速測量、0-360計量、多通信方式和協議,經國際、國內同類電表的比較,提出量化指標和測試方法;
      計費用三相多功能表要計量準確、簡單可靠、講求實用,逐步發展三相SOC單芯片,開發具有諧波電壓、電流總含量和諧波污染程度的測量技術,研究溫度、電壓、頻率、相位改變的自適應計量;
      諧波有功、無功、視在功率電能計量實用化產品,改進諧波下的功率因數計算方法,推進電能質量市場建立與發展,也為提高冶煉企業、電氣化鐵路的計量準確度做準備;
      早期三相多功能表需要更新換代,要通過調查研究,提出新一代電表技術規范;
基于GPRS通信網的用電需求側管理系統及終端,要改進實時性和安全性技術,從長遠看,即使將來電力不緊張,用于配電變壓器計量與抄表、居民用電遠程抄表,其發展前景也很好;
      電力網損耗計量與防竊電基礎技術,包括:電量具有時標,電量波動分析軟件,電量異常報警與主動上報,變壓器、電力線路損耗計量,電力系統節點、母線和電力線路的電量平衡計量;
      全國聯網、省網的總電量計量、計算和電能量數據組網,要提到議事日程;
      加強國內電能質量和電能計量標準建設,包括:基波、諧波功率電能計量標準的建設,進口急需而國內缺門的國際新型計量標準設備,滿足在線電表新產品計量溯源的要求;。

      最后是研究制訂三相多功能表質量評價標準與測試方法,提高在電網上運行電表的整體技術品質。

                                                                        河北德普 研發中心

                                                                        2012年8月16日

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