電力市場中的電能計量

0用電計量裝置電力計量是通過電能表、傳感器及其二次電路的指定連接方式，并通過特定的電氣線性模式來實現的。在電力市場條件下,為保證公開、公平、公證地為電能生產者和使用者提供優質服務,必須建立現代化的電能計量、管理和交易系統。電能計量裝置作為提供電能計量的信息源頭,對電能計量和管理系統是至關重要的。1發展過程1.1電子式電能表電能表出現和發展已有100多年的歷史了。由于感應式電能表具有結構簡單、操作安全、價格低廉、堅固耐用、便于批量生產且使用維修方便等一系列優點,所以發展很快。現代感應式電能表現有幾十個品種和規格,由于其準確度等級達到0.5～0.2級,且具有相當的功能,因而得到普遍的應用。隨著電子技術、電子元件的發展及電力市場對電能計量、運營管理需求的不斷提高,出現了各種用途的機電式電能表,如脈沖電能表、復費率電能表和預付費電能表等。機電式電能表沿用了感應式電能表的測量機構,其數據處理機構則由電子電路和計算機控制系統實現,因而機電式電能表是一種半電子式電能表?，F行的機電式脈沖電能表、復費率電能表和預付費電能表等可初步滿足我國現行電價制的要求,基本解決自動抄表、收費等問題,但若想進一步提高其計量精確度、擴展計量功能,更好地滿足發電上網、電網運營管理和供電營銷的需求則顯得力不從心了。隨著微電子技術的迅猛發展,微機技術的應用得到普及,電能計量專用芯片可實現批量生產。在20世紀70年代瑞士誕生了一種全新的電能表——電子式電能表,它不再使用感應系測量機構,而是由乘法器來完成對電功率的測量。由于它沒有傳統電能表上的旋轉機構,因而又被稱為靜止式電能表或固態電能表。近年來,各種規格的電子式電能表不斷推出,基本滿足了我國電力行業有關標準規定的要求。電子式電能表的核心計量芯片按工作原理可分為兩種:一種是采用DSP技術、以數字乘法器為核心的數字式計量芯片,它運用了高精度快速A/D轉換器、可編程增益控制等最新技術;另一種是以模擬乘法器為核心的模擬計量芯片。這兩種芯片的基本工作原理有根本的不同,在計量精度、線性度、穩定性、抗十擾性、溫度漂移和時間漂移等方面,數字式芯片遠遠優于模擬式芯片。以數?；旌蠑底中盘柼幚砑夹g為核心的一系列適于不同場合的常用單相和三相電能計量芯片有:①普通單相電能計量芯片AD7755;②復費率、預付費及集中抄表單相專用芯片AD7756;③防竊電單相專用電能計量專用芯片AD7751;④數字式單相視在電能表計量芯片CS5460A;⑤普通功能三相電能計量芯片ADUC812;⑥高精度多功能三相電能計量芯片AD73360;⑦低成本、多功能三相電能計量芯片AD7754;⑧數字式三相視在電能表計量芯片ADE7753等?？傊?電子式電能表以它的精確度高、穩定性好、可高倍過載、功能擴展性好和環境適應性強等優勢已被電力企業和用戶廣泛認可與接受,由電子式電能表取代機械式電能表已是大勢所趨。1.2從電磁式傳感器到電子式傳感器1.2.1電磁式整體傳感關鍵技術長期以來,電磁式電流互感器和電壓互感器在繼電保護和電流測量中的作用一直占有主導地位,但是隨著超高壓輸電網絡的迅速擴展和供用電容量的不斷增長,傳統的電磁式互感器已經難以勝任這種工況,因為與這種系統相匹配的電磁式互感器不僅體積與質量增大、價格上升,而且防爆困難、安全系數下降;更主要的是它帶有鐵心結構且頻帶很窄,在磁飽和時二次信號波形易發生畸變從而導致繼電器誤動作和計量失準;另外,現階段繼電保護和測量裝置已日趨微機化,不再需要高功率輸出的電磁式互感器。1.2.2計量誤差的計量誤差電容式電壓互感器以價格低、組裝方便而被電力設計部門廣泛選用。但這種電壓互感器的原理和結構使其對準確度測式條件的要求十分嚴格,如果電力部門不具備型式試驗條件,那么所測得的計量誤差必然是不準確的,這將導致竣工驗收工作只是流于形式;另外,我國對110kV及以上電壓等級電容式電壓互感器的現場檢驗設備與測試方法還處在探索試用階段,目前電力部門還難以對在線運行的電容式電壓互感器的質量其及計量誤差變化情況進行考核。因此,目前國產電容式電壓互感器只能作為供電量計量用,不宜作售電量計量用。1.2.3電流、電壓采用霍爾元件并配合適當電路后,使互感器的體積縮小、精度提高,因此在電流、電壓的測量中得到廣泛應用。但由于這種互感器帶有鐵心結構,因此仍存在電磁式互感器類似的問題。1.2.4光電式整體傳感關鍵技術隨著光電子技術的迅猛發展,一種結構簡單、線性度良好、性能價格比高、輸出范圍寬且易以數字量輸出的無鐵心式新型互感器——電子式互感器應運而生。(1)光電式電壓互感器(OTV)。它基于Pockels電光效應,由光學電壓傳感頭與相應的電子測量電路組合而成。(2)光電式電流互感器(OTA)。它基于Faraday磁光效應,由光學電流傳感頭與相應的電子測量電路組合而成。國外于20世紀60年代初,我國從20世紀80年代開始研制光電式電壓互感器和電流互感器,現今均已部分掛網試運行。2新能表和傳感器的特殊功能2.1電能表2.1.1多功能電能表中測量誤差的正演測量技術目前,電網中各計量點電量的結算是以計量點在線電能表的讀數為依據來進行統計的,而對各計量點電量的追補則是根據對該計量點電能計量裝置的綜合誤差進行考核后最終確定的。以前通常采用人工方法對綜合誤差進行計算、更正并對計量點的電量進行追補,這樣不僅工作繁瑣而且得到的計算結果與實際結果并不相符,兩者存在著較大的誤差。隨著計算機技術的發展及其在儀器儀表中的應用,目前在先進的多功能電能表中增設了對所在電能計量點綜合誤差自動動態補償功能,既保證了綜合更正的準確性,又避免了復雜的計算。如澳洲REDPHASE的多功能電能表EDMI2000-0400的軟件中提供了一個系統更正曲線菜單,可以訪問、輸入和修改測量系統中外部互感器全部量限的幅值及相位的更正值。在實際運行中,該電能表通過對實時運行負荷的準確測量,可以及時準確地將電能表和互感器在該實際負荷點的誤差以及TV二次回路壓降誤差(事先已輸給電能表中)在測量過程中自動進行相應地更正。開發和利用EDM12000系列多功能電能表中綜合誤差自動動態補償功能的實踐證明,它可以改變過去對電能計量裝置綜合誤差人工合成計算的繁瑣方法和按平均運行負荷計算來更正電量的近似方法,因而大幅度地提高了電量統計、結算的效率和準確可靠性。同時,該功能還可通過人工干預來保證在電能計量裝置綜合誤差的各項或某項誤差改變時實時進行跟蹤補償,從而保證了電能計量讀數值的準確可靠。2.1.2從非線負載在電網中吸收的基波電能,在一般要現在,非線性負載電力用戶電能表的計量結果是其非線性負載消耗的基波電能與諧波電能的代數和。由于諧波電能是負值,那么計量出的非線性負載消耗的實際電能將小于它從電網中吸取的基波電能,也就是說,非線性負載回饋給電網的諧波電能不僅無用,反而有害。顯然,在計量時,從非線負載在電網中吸取的基波電能中扣除回饋給電網的諧波電能這種計量結果肯定是不合理的。2002年,由甘肅省蘭州供電局和中國電力科學研究院共同完成的《電網諧波對電能計量影響的實驗研究》這一科研項目通過了專家鑒定,此項研究成果成功地解決了如何對非線性負載用戶合理、準確進行計量的問題。此后,他們對試驗用電子式基波電能表的性能加以改進后使其產品化。2.1.3和電壓傳感頭電子式坡印亭電能表根據坡印亭矢量原理制成,它由同心母線式傳感頭及測量電路組成。同心母線式傳感頭是一種將電流互感器和電壓互感器的功能集為一體的裝置,此傳感頭結構簡單、易于制作、性能價格比高,特別適合對高電壓、低功率因數負載進行電能計量和單相功率、三相功率的測量。同時,它還具有工作頻率范圍寬(不難達到10kHz)、電流過載能力強(可達幾十倍)、充以壓縮空氣或SF6氣體可用于超高壓系統中、精確度為千分位數量級、在低功率因數負載下仍能保持高精確度等特點。2.1.4電子式單相視的發展根據現場調研和抽測統計結果可知,現在低壓非大工業用戶和居民用戶的售電量占總售電量的比例已從過去的10%左右上升到了30%以上,其平均功率因數已從過去的0.8左右下降到0.6左右。通過計算得知,這2類用戶因無功負荷引起的有功電量損耗已超過其有功負荷引起的有功電量損耗。由于國家電價規定這2類用戶不執行功率因數調查辦法,只按在裝變壓器容量收取基本電費和電量電費,這樣不僅減少了供電企業合理的電費收入,而且還造成配電網線損率居高不下。為了解決這一問題,近來年我國一些廠家先后研制出了電子式單相視在電能表、電子式雙費率(黑、白)單相視在電能表和電子式三相最大需用容量視在電能表等。這3種視在電能表分別選用了專用電能計量芯片和AVR單片機數據處理芯片,單片機通過由專用電能計量芯片測量出的電壓、電流有效值來計算視在功率,然后按電能表脈沖常數輸出脈沖來驅動計數器,從而累計和顯示出設計規定的電量和容量?，F場試用證明,這3種電子式視在電能表可測帶寬為1000Hz,在-30℃～50℃的溫度范圍內準確度等級達0.5級。2.2相互感2.2.1s級寬負載電磁式電流傳感技術早在20世紀80年代初期,國外發達國家為了解決傳統1.0～0.2級電流互感器的精度與新系列S級寬負載電能表精度不相匹配的問題,成功開發了新系列S級寬負載電磁式電流互感器。該電流互感器的主要特點是擴大了電流互感器保證誤差值的輕負載范圍,同時還將同級非S互感器5%IN負載點誤差限下移到1%IN點,原20%IN負載點誤差限下移到5%In點,原100%～120%IN點的誤差限向下延伸到20%IN。其精度可保證在負載范圍內與相應準確度等級的新系列S級寬負載電能表的精度完全匹配,因此它成倍提高了電能計量裝置的整體精度,全面解決了長期存在的電能計量裝置在輕負載時計量不準確的問題。2.2.2通過設置帶安全設施以限制自校測試組合互感器是指由電流互感器和電壓互感器組合而成,并裝在同一外殼內的互感器。組合互感器分為單相和三相2種。組合互感器內每臺電流互感器和電壓互感器均具有相同變比,不同準確度等級的2個獨立繞組分別用于計量和自校。因此,它不僅具有可靠的防竊電功能,更重要是它可以分別通過自校專用電流和電壓插接部件在正常運行條件下將攜帶型電子式電能表現場校準儀和攜帶型電子式互感器校驗儀對應接入組合互感器內的自校繞組,這樣,就可以在有運行負載的環境條件下核查和測定出此電能計量裝置計量結果的動態綜合誤差、互感器動態合成誤差、電壓互感器二次回路壓降的動態合成誤差和每臺(組)電壓互感器、電流互感器的動態比差及角差。1998年,我國某供電公司與某廠家聯合研究試制了一臺10kV0.5級三相三線電能計量專用自校準電磁式組合互感器,并將其安裝在某電力用戶高壓電能計量點投入運行試用,收到了預期效果。2.2.3rogowski農業組合光電式電流互感器(OTA)雖然具有顯著特點,但由于它對溫度、振動的敏感性及長期工作的時間穩定性尚待進一步解決,加上其傳感頭制作要求高、價格昂貴等問題,限制了其推廣使用。如果在光電式電流互感器中使用Rogowski繞組,則能較好解決上述問題。在Rogowski光電式電流互感器繞組的兩端接上合適的電阻就可測量電流。由于繞組導線均勻地繞在一個非鐵磁性環形骨架上,它通過電磁場與主電路電流回路耦合,故具有良好電氣絕緣性能。現在國內外已可制造出0.2級的Rogowski繞組?，F場試用表明,Rogowski光電式電流互感器具有結構簡單、安裝方便、測量范圍寬、精確度高(優于±0.5%)、抗干擾能力強、運行穩定可靠、易以數字輸出和性能價格比高等特點。3電能計量裝置21世紀將是信息網絡化、高新科技成果被廣泛應用和電力企業持續發展的時代。數字化、智能化、標準化、系統化和網絡化是現代電能計量裝置發展的必然趨勢。所謂數字化就是采用數字式計量芯片,應用高新技術成果研制電子式電能計量裝置。電能計量裝置實現數字化,能夠不斷提高計量裝置性能,進一步保證計量結果的準確性和可靠性。所謂智能化就是采用高新技術不斷完善多功能電能表標準DL/T614—1997規定的所有功能,同時,開發研制具有自校準組合互感器、電能計量綜合誤差自動跟蹤補償等特殊功能的全新電能計量裝置。電能計量裝置實現智能化,能夠進一步適應我國電價制的變革,滿足運營管理的需要,解決特殊負載用戶的計量問題,開展現場實負載整體檢驗電能計量裝置。所謂標準化就是依據電能計量裝置技術管理規程DL/T448—2000中的電能計量裝置配置原則,分別對發電運營側、電網運營管理側和供電運營側配置相應的電能計量裝置。電能計量裝置實現標準化,能夠進一步促使電能計量裝置的配置,使其達到先進、合理、統一的要求,以便于運行、維護與管理。所謂系統化就是將電能計量裝置與自動抄表系統聯通組成一個電能計量管理系統。電能計