電能計量系統發展簡史

1.前言

電能計量是通過互感器及其二次回路聯合電能表按照規定的接線方式進行組合構成在線電能計量系統來實現的。

在電力市場條件下，為保證公開、公平、公正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。電能計量系統作為提供電能計量的信息源頭，對電能計量和管理是至關重要的[1]。

2.發展歷程

2.1 從電磁式互感器到電子式互感器

2.1.1 電磁式電流互感器和電壓互感器

電磁式互感器的工作是基于電磁感應原理，TA的額定輸出信號為1A或5A，TV的額定輸出信號為100V或長期以來，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發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中工況，因為與這種系統相匹配的電磁式互感器有以下缺點：

①絕緣難度大、防爆困難、安全系數下降，特別是500kV以上高壓系統，因絕緣而使得互感器的體積、質量及價格均提高；

②帶有鐵心結構且頻帶很窄，動態范圍小，電流較大時，TA會出現飽和現象，影響二次保護設備正確識別故障。

2.1.2 電子式互感器

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)。主要分為無源型和有源型2種類型。無源型電流互感器是以法拉第磁光效應為原理設計制造的裝置，有源型電流互感器是以羅柯夫斯基空心線圈為基礎[3-8]。

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式互感器，現今均已部分掛網試運行。

2.2 從機械式電能表到電子式電能表

1890年，弗拉里發明感應式電度表，在本世紀得到迅速普及應用，至今已有百余年的歷史。隨著科學技術的進步，電能表的發展已經歷了三個主要的發展階段[9-12]。

第一階段：本世紀60年代以前，電能表基本上采用電氣機械原理，其中應用最多的是感應式電能表。感應式電能表采用電磁感應原理制成，包括兩個固定的鐵心線圈和一個活動的轉盤。當線圈通過交變電流時，在轉盤上感應產生渦流，這些渦流預交變磁場相互作用產生電磁力，從而引起活動部分轉動，產生扭矩。

第二階段：感應式電能表具有經久耐用、價格低廉、制造技術較為成熟等優點。然而，傳統的感應式電能表就其原理和結構來看，機械磨損、機械阻力、放置角度、外磁場、溫度等不同因素會造成種種誤差，要進一步提高測量精度是有限的。為了克服感應式電能表的缺陷，從70年代起，人們開始研究并試驗采用模擬電子電路的方案。到了80年代，大量新型電子元器件的相繼出現，為模擬電子式電能表的更新奠定了基礎。

在1976年日本就研制出電子式電能表，從此以后進一步準確測量交流電參量，包括電壓、電流、功率、電能等成為測量領域的主攻方向和熱門課題。在研制高精度電能測量儀方面，主要是借助于大規模集成電路技術的不斷進步采用時分割乘法器方案來實現的。

第三階段：從90年代末數字采樣技術應用于電功率的測量，數字式的電子式電能表是以處理器為核心，對數字化的被測對象進行各種判斷、處理和運算，從而實現多種功能。90年代數字采樣技術的電能表在工業發達的國家迅速發展，相繼出現了多種壽命長、可靠性高、適合現場使用的電子式電能表；1.0、0.5、0.2級收費電子標準是電能表相繼商業化，而且當時最高的精度已經達到了0.01級。數字采樣技術方案所具有的優點十分明顯，例如壽命長、準確度高、維修方便、功耗低等。以數模混合數字信號處理技術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。

3.幾種特殊功用的新型互感器和電能表

3.1 互感器

Rogowski光電式電流互感器：

光電式電流互感器（OTA）雖然具有顯著特點，但由于他對溫度、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。

3.2 電能表

單相電子式復費率電能表。單相電子式復費率電表一般具有以下功能：

①紅外通訊，通過紅外接口和抄表手機進行通訊，可抄設電量、時段、時間等數據。

②運用電能計量模塊實行計量功能，能有功、無功計量。

③能實現分時處理，兩費率(峰和谷)多時段電能計量能力。

4.現代電能計量系統的發展趨勢

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系統發展的必然趨勢。

(1)數字化。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系統。電能計量系統實現數字化，能夠不斷提高計量系統性能，進一步保證計量結果的準確性和可靠性。

(2)智能化。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系統。電能計量系統實現智能化，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系統。

5.結束語

文中回顧了電能計量系統的發展歷程，介紹了幾種特殊功用的新型互感器和電能表，以及電能計量芯片，展望了21世紀現代電能計量系統的發展趨勢，以供讀者參考并引起大家參與討論。

[1]李來偉,李書全,孫曉莉.面向21世紀的電能計量裝置——淺談電能計量裝置的發展與未來[J].電力設備,2004,4.

[2]狐曉宇.光電互感器與電磁互感器的比較[J].電力學報,2005,3.

[3]薛永樂.光學電流電壓互感器的發展述要[J].華通技術,2002,4:27-29.

[4]張貴新,趙清姣,羅承沐.電子式互感器的現狀與發展前景[J].電力設備,2006,7(4):108-109.

[5]吳伯華,李紅斌,劉延冰.電子式互感器的使用現狀及應用前景[J].電力設備,2007,1.

[6]徐大可,趙建寧,張愛祥,鑒慶之,黃德祥,孫志杰.電子式互感器在數字化變電站中的應用[J].高電壓技術,2007,1.

[7]IEC 60044-7 Instrument transformers(part 7):Electronic volt-age transformers[S].1999.

[8]IEC60044-8,Instrumenttransformers(part8):Electroniccurrenttransformers[S].2002.