排灌供電系統中低壓三相四線智能電能表計量性能分析

耿建坡,王永輝,馬紅明,馮 波,任 鵬

(國網河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021)

排灌供電系統中低壓三相四線智能電能表計量性能分析

耿建坡,王永輝,馬紅明,馮 波,任 鵬

(國網河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021)

針對農村排灌機井供電方式特殊,需要使用低壓三相四線智能電能表的問題,分析了不同接線方式下低壓三相四線電能表的計量性能,包括電能表N線懸空、N線就地接大地引線等情況下的計量原理,以及不同接線方式下對稱負荷時電能表電壓斷相時的電量錯誤情況。

排灌供電;低壓三相四線電能表;三相三線供電;N線接線方式;電壓斷相

智能電能表已經在電網應用了幾年,為智能電網的發展以及用電管理模式轉變起到了積極的推動作用。為了解決在應用過程中暴露出的若干問題,以及對智能電能表提出的新技術和管理要求,進一步規范電能表的型式、功能、技術性能及驗收試驗等相關要求,滿足電能信息采集和智能電網建設的需要,2013年修訂了智能電能表技術規范系列標準,統一電能表的型式、結構,明確了電能表的種類及其功能配置要求,為國家電網公司系統電能表集中招標提供技術支撐。

1 排灌供電系統實際運行中計量存在的問題

按照Q/GDW 1827-2013《三相智能電能表技術規范》中對直接接入式三相表的參比電壓規定為3×220/380 V[1],且在附錄A的表A1智能電能表電壓電流規格對照表中對直接接入式三相電能表也只有電壓規格為3×220/380 V一種三相四線接線方式。國家電網公司系統電能表集中招標管理工作中是嚴格按照技術規范中的規格列出物料的,無法購買現場需要的低壓三相三線380 V智能電能表,另外電能表生產廠家也是嚴格按照Q/GDW1827-2013中規定的規格設計生產電能表,沒有生產低壓三相三線380 V智能電能表。

在農村排灌機井供電線路上,由于主要負荷為電動機,基本工作于三相對稱情況,因此多數地方采用了三相三線制供電,即只使用UVW三根電源線,按照傳統的計量模式需要使用三相三線380 V直接接入的電能表進行計量。這是因為沒有N線供電而造成的電能表無法正確接入三相四線3×220/380 V智能電能表,因此需要研究三相四線3×220/380 V智能電能表在無N線情況下的計量性能,以解決排灌機井電動機用電計量問題。

2 低壓三相四線電能表的計量性能分析

2.1 三相四線電能表內部計量原理

一般三相四線智能電能表主要由電壓輸入回路、電流輸入回路、電能計量專用芯片、計量管理微處理器MCU和通信接口等部分組成,如圖1所示。

圖1 智能電能表計量原理示意

智能電能表正常接線需要給電能表提供三相電壓信號和三相電流信號,而在排灌供電系統中使用UVW三相三線制供電,線路可以正常提供三個相電流信號,但不能提供三個相電壓信號。因此影響低壓三相四線智能電能表計量性能主要因素是電能表的電壓輸入接線方式,目前絕大多數電能表內部電壓回路是接成U、V、W、N完全星形,每相使用電阻網絡進行分壓后送入電能計量芯片,其等效電路如圖2所示。

圖2 電能表電壓輸入回路等效電路

2.2 三相四線電能表不接N線計量性能分析

在農村排灌機井供電方式為三相三線制,只提供U、V、W3根電源線,如果使用三相四線直接接入式電能表進行計量,供電線路電源三相(U、V、W)分別接電能表的三相電流輸入端子,電能表三相電流輸出端子引出線接三相三線負荷,接線如圖3所示。

圖3 三相四線直接接入式電能表特殊接線

如果使用三相四線經電流互感器接入式低壓電能表進行計量,當安裝有三相電流互感器的線路將三相電流互感器的二次回路直接接入電能表相應相別,電壓從供電線路三相直接接到電能表相應相別即可。而對于舊計量裝置中可能只有U、W兩相電流互感器時應按圖4所示接線,其中電能表的端子3和9相連后接入6端子,電能表端子4出線與U、W兩相電流互感器的尾端并聯線連接在一起,保證電能表的三相電流關系有Iv= -(Iu+Iw),與一次供電的三相三線負荷電流關系一致[2]。

圖4 三相三線經電流接入式接線

與常規接線特殊的地方是三相四線電能表的N線懸空不接任何線。

在上述接線情況下電能表電流測量過程不受任何影響,而電能表電壓測量由于沒有N線接入,需要根據內部設計電路分析電能表電能計量模型的測量結果。圖5所示為三相四線電能表計量三相三線負荷時電壓回路的等效電路。

圖5 三相四線電能表計量三相三線負荷時電壓回路的等效電路

此時三相三線負荷等效為中性點為②的星形負荷,電能表三相電壓回路形成中性點為①的星形電路。對于直接進入式電能表的三相電流Iu、Iv和Iw和負荷的三相電流完全相同,而三相三線負荷使得三相電流有下列關系:

則三相負荷消耗的功率為

而三相電能表測量的功率為

由上式(2)和(3)兩式可知P電能表=P負荷,說明三相四線電能表在這種接線時,完全可以準確計量三相三線負荷的電能。

應注意此種接線方式下智能電能表中測試的三相電壓值沒有實際意義,并不是負荷的三相實際相電壓值。

2.3 三相四線電能表N線接大地計量性能分析

農村排灌機井供電方式為三相三線制,一般變壓器低壓側中性點直接接地,因此在接地良好時,大地也可作為N線使用。當在機井處裝表時,對于三相四線電能表可用接地良好的地線接入電能表N線,忽略大地電阻則圖5中節點①的電壓為參考點,電位為零。電能表測量的功率為:

由(2)和(4)兩式可知P電能表=P負荷,說明三相四線電能表在這種接線時,完全可以準確計量三相三線負荷的電能。

3 智能電能表不同接線在電壓斷相時電量差錯計算

農村排灌機井供電負荷一般為電動機,其最顯著的特點就是三相負荷為對稱負荷,在三相電源對稱供電時,電能表測量的三相電壓對稱,三相線電壓U線為相電壓U相的倍,三相電流I相幅值相等,各相負荷的功率因數相同為cosφ。

農村排灌供電系統中當電能表有接線故障時,對于三相四線電能表不同接線方式測試結果會有所不同,現分析如下。

3.1 三相四線電能表不接N線時斷相故障分析

在三相三線負荷正常供電情況下,當電能表發生電壓斷相時,例如W相斷相時,只有U、V相電壓供電,電能表中性點電位①為Uuv線電壓的中點,U相電壓為Uuv,U相電流為Iu, V元電壓為-Uuv,V元電流為Iv,W元電壓為零,向量圖如圖6所示。

圖6 電能表三相電壓電流向量圖

對于排灌負荷三相對稱,設三相線電壓為U線,相電壓為U相,有,三相電流I相幅值相等,三相負荷的功率因數相同為cosφ。

由電能表向量圖可得計量的總功率為

分析可知其他兩相斷相時情況相同,則此種接線方式下電壓斷相發生時,電能表計量電能是負荷實際電能的0.5倍。

3.2 三相四線電能表N線接地線時斷相故障分析

圖7 電能表三相電壓電流向量

在電能表N線接入接地線情況下,三相對稱排灌負荷電壓電流對稱相等,當一相電壓斷相時,該相電壓為零,功率等于零,如圖7所示。其他兩相工作情況正常,電能表計量的總功率為:

則此種接線方式下電壓斷相發生時,電能表計量電能是負荷實際電能的倍。

4 排灌用低壓三相四線智能電能表通信問題分析

目前排灌計量計量電能表一般安裝在機井處,而抄表集中器安裝在變壓器低壓側,從電能表到集中器需要有通信手段,常用的通訊有低壓載波、微功率無線和GPRS無線等技術[2]。

對于低壓載波模塊電能表,現有的通信模塊是在各相電壓與N線之間傳輸載波信號。當三相四線電能表的N線懸空不接任何線時,電能表的載波信號將不能加載到電力線,因此現有三相表載波模塊不能完成遠程通信,需要對載波模塊進行改造。當采用電能表N線接入接地線方式計量時,當變壓器中性點接地時載波信號可通過各相電壓線與地線之間傳輸載波信號,完成遠程通信,但每個機井均需要引出接地電阻較小的接地線。

對于微功率無線模塊電能表,智能電能表的電源在不同計量方式下都能正常工作,均能向通信模塊提供正常的12 V直流電源,電能表通過通訊模塊能夠正常完成遠程通訊工作。如果機井位置距離變壓器較遠,應該在線路合適的地方增加電源適合380 V的微功率無線中繼器。

另一種技術是智能電能表直接采用無線移動GPRS通信模塊,電能表均能向通信模塊提供正常的12 V直流電源,只要機井處的無線移動通信信號滿足要求,電能表通過通信模塊能夠正常完成遠程通訊工作。

5 結束語

針對農村排灌機井的特殊供電方式,以及目前國家電網公司智能電能表技術規范和國家電網公司物資采購規范要求,無法供應低壓三相三線電能表,而需要使用低壓三相四線智能電能表,分析了不同接線方式下低壓三相四線電能表的計量性能,能夠正確計量排灌機井的電能量。

[1] Q/1827-2013,國家電網公司.三相智能電能表技術規范[S].

[2] 陳向群.電能計量技能考核培訓教材[M].北京:中國電力出版社,2003.

本文責任編輯:靳書海

Analysis of Measurement Performance for Low-Voltage Three-Phase Four-wire Smart Meter in Irrigation Power Supply

Geng Jianpo,Wang Yonghui,Ma Hongming,Feng Bo,Ren Peng
(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

To the special power supply of the rural irrigation wells,State Grid new smart meter specifications have no standard for voltage three-phase three-wire meter,need to use low-voltage three-phase four-wire smart meter instead.This paper analyzes measurement performance for low-voltage three-phase four-wire smart meter in different wiring,including measurement principle for N lines of the meter suspended,N lines connected to the earth ground and other circumstances,also analyzes the condition of power error for voltage phase failure when the symmetric load in different wiring.

irrigation power supply;low-voltage three-phase four-wire smart meter;three-phase three-wire supply;wiring of N line;voltage phase failure

TMP33

B

1001-9898(2016)04-0004-03

2016-06-15

耿建坡(1962-),男,高級工程師,主要從事電力電測計量等工作。