傳統電能表與數字化電能表的對比分析

王文華，傅曉平，沈孝賢

（嘉興電力局，浙江 嘉興 314000）

電能表作為法定電能計量器具，廣泛應用于發電、供電和用電等各個環節，技術上歷經了機械式電能表、電子式電能表和電子式多功能電能表3個階段，IEC 61850標準的頒布實施產生了相配套的數字式電能計量系統和電能表。由于數字化電能表不同于傳統的電能表，顯然，國家和行業已頒布的各類電能表設計、制造、采購、驗收和使用相關的標準和規范，并不完全適用。

1 電能表誤差形成的對比

1.1 傳統電能表/電磁式互感器構成的測量系統及誤差形成

傳統測量系統由電磁式互感器、電能表通過電纜連接構成。

基本誤差是判定電能表是否合格的重要依據，電能表誤差主要來自霍爾元件、分流電路、分壓電路、TV及TA等環節。且A/D前置放大和A/D變換器誤差及漂移，在不同的溫度、不同負載和功率因數下其誤差特性是非線性的。

TV及TA準確度等級一般均為0.2級；電能表準確度等級一般為0.5級以上，加上線纜傳輸誤差0.1%，則測量系統準確度至少為0.7%。

1.2 數字化電能表/電子式互感器構成的測量系統及誤差形成

數字測量系統由電子式互感器、合并器、數字化電能表和光纖構成。電能表不使用傳統專用高精度計量芯片，也不進行采樣，采樣在互感器中完成。數字信號經光纖以太網傳輸，不受電磁波干擾，經過校驗的數據無附加誤差。電能表對互感器提供的數字化電壓、電流信號進行處理。

理論上在電量計算的過程中不產生誤差，只可能產生的誤差為浮點數運算時有效位誤差，為計算機系統固有誤差。這種誤差小于萬分之一，所以數字化電能表從原理上來說沒有準確度等級。但是由于目前數字電能表廠家編寫的程序并不十分完善，因此在程序算法上依然有可能引入一定誤差。

理論上測量系統的誤差只由電子式電流、電壓互感器決定。一般電子式電流、電壓互感器均為0.2級，整個測量系統的準確度為0.4%，優于傳統的測量系統。

2 電能表工作原理的比較

2.1 傳統電子式多功能電能表原理

傳統電子式電能表通過高精度TA與TV進行電流電壓信號取樣，送入DSP高精度高速數據處理模塊進行數據處理后，再輸入專用的計量芯片集成處理系統，生成電壓、電流、電能、需量等數據，最后通過電能表主CPU對各類數據實時保存和輸出并通過液晶顯示接口進行動態顯示，通過RS485串口送往后臺系統并接收后臺發送的指令，根據有功和無功電能產生的脈沖輸出用于檢定，其工作流程如圖1所示。

圖1 電子式電能表工作框圖

2.2 數字化電能表

數字化電能表的電量輸入采用數字接口，遵循IEC 61850標準，在物理層上采用高速光纖以太網，可以和電子式互感器實現真正意義上的無縫連接。底層操作系統大多采用嵌入式實時操作系統（RTOS），利用RTOS良好的可靠性和卓越的實時性以及可裁減性，可以方便的實現電能表的各種功能。

數字化電能表工作框圖見圖2。經過光纖以太網傳入的數字電流電壓信號，經表內CPU對信號進行實時運算和處理，處理后產生的各類數據實時保存和輸出。

3 電能表輸入特性的比較

3.1 工作電源和上電啟動

圖2 數字化電能表工作框圖

傳統電能表正常工作電壓0.9Un～1.1Un，極限工作電壓范圍：0.7Un～1.1Un，工作電源取自輸入計量電壓回路，平均功耗不大于6 W，它是影響電能表計量準確性的一個重要因素。傳統電能表運行和計量是實時的，沒有開機啟動的概念。

數字化電能表工作電源使用雙冗余供電，獨立于計量電壓回路，消除了表計功耗對計量準確性的影響，電源供電有直流24 V或交流110 V與220 V可選，平均功耗不大于3 W，最大功率不大于5 W。由于系統結構原因，數字化電能表需要帶文件系統為MMS接口的數據模型，其文件是逐個運行的，存在上電啟動時間，理論上上電啟動時間內不影響計量，只和電能表顯示、通信有關。

3.2 輸入方式

傳統電能表輸入的是電壓、電流，接入的是普通單股銅線，接線方式復雜，易錯接線或遭竊電。為減小二次壓降需要將計量和測量回路分開，組成獨立的二次計量回路。

數字化電能表輸入的是從電子式互感器輸出的數據包，具有傳輸數據快、抗干擾能力強、接線簡潔等特點。由于輸入的是數字信號，避免了導線的二次回路損耗對計量準確性的影響，無需再進行二次壓降、二次負荷測量等測量精度修正試驗。

3.3 基本電流

傳統電能表特點是在不同大小的負載下，其誤差特性并非線性，為了生產和使用的統一性，根據電流大小規定了不同的基本（標定）電流（Ib）和最大電流（Imax）值， 常用規格有 1.5（6）A， 5（20）A， 10（40）A， 20（80）A。

數字化電能表輸入的是數字信號，電能表本身不采樣，電能表計量準確性與負載的大小無關，因此沒有標定電流和最大電流概念，也無需根據電流大小劃分不同的規格。

3.4 過載能力

傳統電能表輸入的是與一次電流大小成正比的二次電流，由于結構原因其誤差特性為非線性，在電流特別大時，誤差呈幾何放大，因此有負載大小的限制，一般最大允許電流為額定工作流的 4 倍， 如 1.5（6）A 與 5（20）A。

數字化電能表由于無需輸入電壓電流，因此沒有過載負荷限制。

3.5 互感器

傳統電能表輸入的電壓電流來自電磁式TV與TA的二次側，在計量時應計算變比，如10 000 V/100 V，500 A/5 A。

數字化電能表采用的是電子式電壓、電流互感器，將一次電壓、電流信號通過積分、A/D轉換、光電轉換，最后變成數字信號送入數字化電能表，因此沒有變比概念，選購、安裝、使用時不需要考慮變比和額定負荷與實際負載的匹配問題。

3.6 采樣頻率

傳統電能表通過電能測量單元將輸入的電壓與電流變成與功率成一定比例的脈沖信號，送至分頻和計數，其采樣頻率可達到4 000點/s以上，其采樣精度直接決定電能表的準確度。

數字化電能表自身不采樣，采樣在電子式互感器內完成，采樣頻率范圍一般為4 000～12 800點/s，能保證計量采樣準確度。

4 電能表輸出特性

4.1 啟動和潛動

傳統電能表的啟動試驗是判定電能表靈敏度的一個指標，即在規定的時間內通過一個額定小電流時至少要發出一個脈沖。

傳統電能表在接有電壓、無電流的情況下由于存在電壓補償回路等原因，會引起測量單元誤采樣，這一現象稱為潛動，機械式電能表由于電壓補償力矩的存在潛動更容易發生，因此潛動是傳統電能表的一個重要檢定項目。

數字化電能表電能表自身不采樣，不存在最小啟動電流的概念。由于自身不采樣，同樣也不存在潛動問題。

4.2 電能量和電能單位

經電磁式互感器接入的電能表計量的是二次電能，乘以倍率后為實際電能。即，二次電能×倍率＝一次電能，倍率＝電壓互感器變比×電流互感器變比。其LCD顯示位數一般有8～9位，其中小數點前有6～7位，小數點后有2位，由于存在倍率關系，因此顯示位數在很長一段時間內不會溢出，單位是kW·h。

數字化電能表輸入的是電子式互感器輸出的等同于一次功率的信號，經過電能表對一次功率進行積分后輸出的是一次電能。其LCD顯示位數和傳統電能表基本相同，如果同樣采用kW·h為單位，位數則在短時間內就會溢出，因此普遍用的單位是MW·h。

4.3 電能表通信

傳統電能表通常采用485通信，通信規約采用DL/T 645-2007《多功能表通信規約》或地方通信規約（如浙江規約），表地址一般采用出廠編號全號（局號數字部分）或后兩位。

數字化電能表采用光纖通信和485通信2種通信方式，光纖通信需要設置IP地址，光纖口10M/100M/1000M自適應，接口類型可以是ST/SC/LC。

5 電能表管理規定及要求

5.1 安全認證

電能表作為電能結算的法定計量器具，如何防止人為非法修改電能表數據以達到竊電目的，是一個重要的課題，檢定時利用電能表本身技術特點，在檢定規程規定的每個基本誤差點持續通過額定電流10 s以上，進行允許底度清零、需量清零等安全認證操作試驗。

數字化電能表目前還沒有設置安全認證功能，這也是今后數字化電能表需要改進的重要環節。

5.2 標準規范

國家和行業頒布了大量電能表標準與規范，對電能表的設計、制造、采購、驗收和使用每一個環節都制定了詳細的標準規范，有效地確保了電能計量的準確性和穩定性。

數字化電能表由于計量原理完全不同，不適用于這些傳統的標準與規范，需要國家重新制定國家標準和規范。

5.3 檢定方法

傳統的機械式和電子式電能表，國家分別頒布有相應的檢定規程，必須由法定計量檢定機構或經授權的機構檢定合格后，才能安裝于電能計量點作為電量結算的法律依據。采用標準表法檢定，標準表定期溯源確保準確性。

數字化電能表檢定方法國家還沒有頒布，根據電能表原理也可對其進行校驗，可按照IEC 61850-9-1協議要求，通過某個標準（校驗儀）輸出標準的電流電壓給數字電能表，在接收到數字電能表輸出的脈沖后與標準（校驗儀）計算出的電量進行比較，得到電能表誤差。

6 結論和建議

綜上所述，數字式電能表具有以下優勢：

（1）沒有相線區別，接入方式是光纖，克服了傳統電能表錯接線的問題，省去了銅導線，節約了資源。

（2）使用光纖后，避免了二次回路損耗帶來的誤差，電子式互感器避免了二次電壓回路短路，電流回路開路引起的安全問題。

（3）理論上無計量誤差，電源外接，電能表功耗不影響計量準確性。

（4）無啟動、潛動概念，在小電流或無電流狀態下不影響電能計量，也沒有負荷過載限制。

數字化電能表解決了傳統電能表很多固有的缺陷，在數據準確性和可靠性方面顯示出優越性，但有一些新的問題：比如依賴外接工作電源，一旦失電，則停止計量；由于輸入的是數字信號，信號線通信穩定性、交換機和接口質量、通信丟包等問題不可忽視。在電能計量專業方面，建議廠家在計量程序算法、安全認證、檢定方法和通道監測上多加以研究，以保證數字化電能表能滿足電力系統計量要求。

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