探討電能計(jì)量誤差分析與電能計(jì)費(fèi)問(wèn)題

工業(yè)的蓬勃發(fā)展，居民各種智能用電設(shè)備的增加，使電網(wǎng)的各種新型用電設(shè)備、非線性用電負(fù)荷不斷涌現(xiàn)。在這種背景下，電力系統(tǒng)受到了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。其中一個(gè)比較突出的挑戰(zhàn)就是電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和電能計(jì)費(fèi)問(wèn)題。電能計(jì)量和計(jì)費(fèi)的科學(xué)性、精準(zhǔn)性和合理性對(duì)電廠和電力用戶的經(jīng)濟(jì)效益有著直接的影響。這直接促使電力行業(yè)要大力提高電能計(jì)量、電能計(jì)費(fèi)的精確性和合理性。下面我們將對(duì)電能計(jì)量誤差分析和計(jì)費(fèi)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1.電能的分類

電能可以分為有功電能和無(wú)功電能。在用電過(guò)程的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，把可以轉(zhuǎn)換成各種能量的電能稱為有功電能，例如：電爐通電能將電能轉(zhuǎn)換成內(nèi)能，電機(jī)通電能將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，電燈通電發(fā)光能將電能轉(zhuǎn)換為光能。此外。在生活用電中還有一部分用電器，它們?cè)谕姽ぷ鬟^(guò)程發(fā)生能量轉(zhuǎn)換時(shí)，需要先建立一種轉(zhuǎn)換的環(huán)境。

例如：電動(dòng)機(jī)和變壓器，他們?cè)趯㈦娔苻D(zhuǎn)換為其他形式的能的過(guò)程中需要先產(chǎn)生磁場(chǎng)，還有一些用電器比如高速電子槍，在對(duì)電子進(jìn)行加速之前要建立電場(chǎng)才能完成能量轉(zhuǎn)換。在電能轉(zhuǎn)化過(guò)程中，把類似建立磁場(chǎng)和電場(chǎng)消耗的電能稱為無(wú)功電能。不同種類的電能，記錄電能消耗量?jī)x器也不一樣，有功電能用有功電表記錄，無(wú)功電能用無(wú)功電表記錄。在日常生產(chǎn)生活當(dāng)中，有功電能消耗最多，對(duì)有功電能的計(jì)量也最為復(fù)雜。在本論文當(dāng)中，主要探討有功電能。

2.有功電能的計(jì)算和誤差分析

2.1 電力系統(tǒng)中有功電能的計(jì)算方法

在電力系統(tǒng)中，有功電能的計(jì)算分析主要考慮因素是用電時(shí)間和在這段時(shí)間內(nèi)電能消耗的有功功率，一般用平均有功功率來(lái)分析。對(duì)某一段時(shí)間內(nèi)的有功電能計(jì)算公式為：

W=P×T

式中，P為在時(shí)間T內(nèi)用電的平均有功功率值;T為用戶用電時(shí)間。比如，在三相四線制電力系統(tǒng)中，可以根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況來(lái)計(jì)算有功電能。

2.2 電力系統(tǒng)中有功電能的誤差分析

由上面的有功電能計(jì)算方法可以分析得到，影響有功電能計(jì)算精確度的主要因素來(lái)源于公式中的P，也就是平均有功功率。而影響有功功率的因素又是多方面的，這些因素影響平均有功功率，進(jìn)而影響有功電能計(jì)算的精確性。拿生活中常用的三相四線制電力系統(tǒng)為例，在理想三相四線電路中，三相中的每一相功率都是相等，而每一相的電壓（或電流）相位相差120°。由于三相電路的這一特點(diǎn)，我們很容易可以得到：在三相電路中，任意時(shí)刻的瞬時(shí)功率之和等于平均有功功率。因此對(duì)三相電路中瞬時(shí)功率有影響的因素也將會(huì)影響平均有功功率。

2.2.1 諧波對(duì)電能表計(jì)量產(chǎn)生的誤差

對(duì)于理想三相對(duì)稱電路中，有一個(gè)特性，這個(gè)特性可以表述如下：在任意時(shí)刻，三相瞬時(shí)功率之和與三相電路中的平均有功功率相等。而在實(shí)際電路中，諧波對(duì)三相電路系統(tǒng)中瞬時(shí)功率的影響非常大，當(dāng)諧波存在于三相四線電路中時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算可以得到：由于三相電路相位的不同，三相電路中的瞬時(shí)功率之和為平均有功功率和功率的交流分量之和。而求瞬時(shí)功率在一個(gè)周期內(nèi)的平均值可以得到有功功率，這樣，我們可以先求瞬時(shí)功率，進(jìn)而再求有功功率。

目前，在數(shù)字式電能表對(duì)有功電能進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般都是先求瞬時(shí)功率，再根據(jù)瞬時(shí)功率來(lái)求有功功率。在數(shù)字式電能表計(jì)算過(guò)程中，電能的計(jì)算要考慮基波電能和各諧波電能，計(jì)算的總和是兩者的代數(shù)和。諧波功率和基波功率的相位有兩種可以，一種是同相位，一種是相差180°。諧波功率和基波功率的相位相同時(shí)，電能的計(jì)算結(jié)果是兩者數(shù)值相加;諧波功率和基波功率的相位相差180°時(shí)，電能的計(jì)算結(jié)果是兩者數(shù)值相減。為了排除諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響，可以在普通的數(shù)字式電能表之前加裝低通濾波器，將電路中的諧波濾掉。這樣，改進(jìn)后的數(shù)字式電能表將只計(jì)算基波的有功電能。

圖1 全數(shù)字機(jī)式電表有功電能計(jì)量

圖2 理想狀態(tài)下的有功功率

2.2.2 電能表對(duì)有功電能計(jì)量的誤差

改進(jìn)后的數(shù)字式電能表可以電路中的諧波濾掉，排除了諧波對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差，但是低通濾波器的引入同時(shí)也會(huì)帶來(lái)誤差。圖1是改進(jìn)后的數(shù)字式電能表計(jì)算有功電能的過(guò)程。改進(jìn)后的電能表本身所帶來(lái)的誤差可以從兩個(gè)方面來(lái)分析：

第一，高頻諧波的不穩(wěn)定性產(chǎn)生了不穩(wěn)定的誤差，而這種誤差也是不確定的，因此它不可估計(jì);當(dāng)電流和電壓頻率相同的時(shí)候，將會(huì)產(chǎn)生有功功率。電能表有前置的低通濾波器，它將高頻的相關(guān)分量完全濾掉了，但是高頻的相關(guān)分量可能會(huì)有一些同頻率的電壓和電流，這些同頻率的電壓和電流將會(huì)產(chǎn)生有功功率。因此前置的低通濾波器也將這一部分有功功率過(guò)濾了，在一定程度上造成了誤差。在不同形式的電路中，高頻分量的頻率將不同，高頻分量產(chǎn)生的有功功率也就不完全確定。造成了這部分誤差的不確定性。

其次，功率的因數(shù)角會(huì)發(fā)生改變，將產(chǎn)生計(jì)量誤差;前置濾波器的加入電能表會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生相位變化，而且不同頻率的信號(hào)相位變化會(huì)不同，這樣就會(huì)改變功率的因數(shù)角，從而產(chǎn)生計(jì)量誤差。

根據(jù)有功功率的計(jì)算方法，設(shè)瞬時(shí)功率為P（t），在一段時(shí)間內(nèi)的平均有功功率可以表示為：

理想狀態(tài)下的有功功率如圖2所示。前置濾波器在理想狀態(tài)下工作時(shí)，電壓的有效值和電流的有效值都相同，都為1，存在阻性負(fù)載，這時(shí)前置濾波器將有1000Hz的截止頻率。而當(dāng)實(shí)際功率達(dá)到3的時(shí)候，前置濾波器的加入電能表會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生相位變化，而且不同頻率的信號(hào)相位變化會(huì)不同，這樣就會(huì)改變功率的因數(shù)角，從而產(chǎn)生計(jì)量誤差。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)際的有功功率為3，在開始的一個(gè)周期中經(jīng)過(guò)前置濾波器算出的有功功率為2.93，相對(duì)誤差達(dá)到2.3%，誤差相當(dāng)大。不除以時(shí)間，只算積分，產(chǎn)生的絕對(duì)誤差為0.0014。兩個(gè)周期的結(jié)果，經(jīng)過(guò)前置濾波器算出的有功功率為2.965，不除以時(shí)間的絕對(duì)誤差仍然為0.0014，但有功功率的相對(duì)誤差縮小了一半。由此可以看到0.0014是由前置濾波器所產(chǎn)生的延時(shí)造成的，并且有功功率的相對(duì)誤差隨著積分周期數(shù)的增加以2的指數(shù)規(guī)律遞減。因此5個(gè)周期求一次有功功率，相對(duì)誤差減小到0.14%，就已經(jīng)能滿足0.2級(jí)電能表的要求了。如果考慮實(shí)時(shí)性，可以將相位延時(shí)誤差在數(shù)據(jù)處理模塊中進(jìn)行補(bǔ)償。各次諧波均會(huì)產(chǎn)生不同相移，處理方法可與基波下的處理方法相同。再考慮含有高次諧波的情況，電壓、電流的頻率成分相同，含有50Hz、2800Hz。50Hz的基波有效值為1，2800Hz（50hz，大家都知道，2800hz是什么來(lái)的？為什么跟50hz放在一起）的諧波有效值為0.1，為方便計(jì)算取相位均相同。前置濾波器為兩階巴特沃思模擬濾波器，截至頻率為1000Hz。

圖3 含高次諧波的有功功率

含高次諧波的有功功率如圖3所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)際有功功率為3.03，經(jīng)過(guò)前置濾波器后計(jì)算的有功功率為2.966。由于基波產(chǎn)生的誤差為0.07，因此諧波經(jīng)過(guò)前置濾波器后有功功率由0.03衰減到了0.006。假如將基波產(chǎn)生的誤差進(jìn)行補(bǔ)償，則由于濾波所產(chǎn)生的誤差接近0.2%，滿足計(jì)量要求。但這個(gè)誤差是會(huì)變化的，高次諧波的頻率越接近前置濾波器的截止頻率，幅值相對(duì)于基波的比例越大，以及高次諧波的占有率越大都會(huì)使這個(gè)誤差變大。

3.電能計(jì)費(fèi)問(wèn)題探討

從上面分析可知，總的有功功率應(yīng)該是基波有功功率和諧波有功功率的代數(shù)和。但目前對(duì)諧波有功電能如何收費(fèi)并沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此不同的電表對(duì)有功電能的計(jì)量將會(huì)不同，不同電表對(duì)電能的計(jì)量存在較大的差別。在家庭電路中，普遍采用的電能表主要有兩種，分別是感應(yīng)式電能表和電子式電能表。感應(yīng)式電能表由于其工作原理及構(gòu)造決定了電壓、電流只有在理想狀態(tài)下才具有很好的工作性能，由于其電氣性能的非線性，當(dāng)有諧波時(shí)，感應(yīng)式電能表所計(jì)量的電能不是基波產(chǎn)生的有功電量，也不是基波與各次諧波單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的電能量的和。電子式電能表由于計(jì)算電能的方法各種各樣，因此種類繁多，其中很大一部分也是籠統(tǒng)的算出一個(gè)總的有功電能，因此這些都不能很好地反映用戶的實(shí)際用電情況。比較理想的方法是將基波產(chǎn)生的有功電能和諧波產(chǎn)生的有功電能分開計(jì)量，對(duì)這兩種不同的有功電能可以采用不同的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。

此外，線性負(fù)荷用戶和非線性負(fù)荷用戶也要有所區(qū)分。在非線性負(fù)荷用戶的電路中，這種電路會(huì)把部分基波功率轉(zhuǎn)換為諧波功率，因此電表中計(jì)量的有功功率小于其實(shí)際消耗的有功功率，并且它又給電網(wǎng)注入了諧波，對(duì)電網(wǎng)造成了污染，收費(fèi)時(shí)應(yīng)考慮這方面，對(duì)其收取額外的電費(fèi)。在線性負(fù)荷用戶的電路中，由于這種電路會(huì)和非線性負(fù)荷用戶的電路處于同一個(gè)電網(wǎng)，當(dāng)電網(wǎng)中存在由非線性負(fù)荷用戶電路產(chǎn)生的諧波時(shí)，線性負(fù)荷用戶將被迫吸收諧波功率。這樣，在計(jì)量線性負(fù)荷用戶的用電量時(shí)，將會(huì)多算，因此現(xiàn)有的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)是不盡合理的。并且線性負(fù)荷用戶是有利于電網(wǎng)的，他們不但多繳納了電費(fèi)，并且用電設(shè)備由于諧波的存在受到了不同程度的損害，因此他們應(yīng)該得到補(bǔ)償。

在用電過(guò)程中，還有部分電力用戶在用電過(guò)程中采用了一些有效的措施抑制輸電過(guò)程中產(chǎn)生的諧波，并通過(guò)一些途徑進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。這些用戶在一定程度上對(duì)電網(wǎng)的良性發(fā)展起到了積極的作用。因此，對(duì)這部分用戶的用電計(jì)量過(guò)程中應(yīng)該考慮這些有利因素進(jìn)行適應(yīng)的減量。

要精確、合理計(jì)量電能，關(guān)鍵在于處理好諧波電能的計(jì)量，就必須先優(yōu)化諧波源的探測(cè)技術(shù)。在用電過(guò)程中，會(huì)有某些時(shí)段用電量突然巨增，對(duì)于這樣的沖擊性負(fù)荷，將會(huì)使線路的輸電容量增加，相應(yīng)的輸電電壓也會(huì)隨之波動(dòng)，進(jìn)而使電表對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生誤差。對(duì)于這方面的問(wèn)題，要對(duì)負(fù)載進(jìn)行動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)檢測(cè)，將基波電能、諧波電能和動(dòng)態(tài)電能分別計(jì)量，并分別計(jì)價(jià)。

4.總結(jié)

在文章中，主要探討了電能計(jì)量誤差分析和電能計(jì)費(fèi)兩個(gè)問(wèn)題。在電能計(jì)量誤差分析方面，闡述了電能計(jì)量的原理，諧波對(duì)電能表計(jì)量產(chǎn)生的誤差和電能表對(duì)有功電能計(jì)量的誤差。通過(guò)分析提出了一些關(guān)于降低誤差的建議，在降低諧波對(duì)電能表計(jì)量產(chǎn)生的誤差時(shí)，可以在電表上安裝低通濾波器，將電路中的諧波濾掉。在降低電能表對(duì)有功電能計(jì)量的誤差時(shí)，要優(yōu)化電表設(shè)備，對(duì)各科不同的有功功率分別計(jì)量。在電能計(jì)費(fèi)方面的分析中，提出要充分考慮各種不同的有功功率，對(duì)各種不同的有功電能進(jìn)行分別計(jì)費(fèi)。

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