關(guān)口電能表動(dòng)態(tài)誤差實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法*

陸以彪，陳碧希，李鵬，康德功

（1.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司計(jì)量中心，哈爾濱150070；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029）

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的應(yīng)用，電力負(fù)荷與電源表現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性，如大功率交流電弧爐高鐵牽引機(jī)車、中頻感應(yīng)加熱爐、電動(dòng)汽車充電站負(fù)荷等，以及風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電站等，這些負(fù)荷和電源的電流和功率波動(dòng)變化，導(dǎo)致電能消耗的動(dòng)態(tài)波動(dòng)，功率波動(dòng)嚴(yán)重影響了電能表的計(jì)量性能，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)負(fù)荷電力用戶的電能計(jì)量出現(xiàn)超差，影響公正合理的電能計(jì)費(fèi)，使供電方的經(jīng)濟(jì)利益受到損失［1-3］，因此，研究電能表動(dòng)態(tài)特性測(cè)試方法，對(duì)提高電網(wǎng)中電能的準(zhǔn)確計(jì)量具有重要意義。

目前，動(dòng)態(tài)負(fù)荷對(duì)電能表計(jì)量誤差影響的研究已經(jīng)引起國(guó)內(nèi)電能計(jì)量領(lǐng)域?qū)＜业母叨戎匾暋?003年，譚志強(qiáng)等人通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)和定量分析，提出應(yīng)將電能表的響應(yīng)速度作為表征電能表計(jì)量性能的重要指標(biāo)［4］。2010年，鄭可、侯興哲等人通過(guò)電子式多功能關(guān)口電能表表性能評(píng)估的初步研究，提出了對(duì)關(guān)口電能表沖擊負(fù)荷下的特殊性能要求與試驗(yàn)方法［5］。2010年，陸祖良等人提出了以正弦包絡(luò)、梯形包絡(luò)和相位角變化的正弦工頻電流信號(hào)作為電能表動(dòng)態(tài)測(cè)量功能試驗(yàn)的試驗(yàn)信號(hào)［6］。2010年，趙偉等人提出FPGA硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)仿真產(chǎn)生用于電能表動(dòng)態(tài)測(cè)量試驗(yàn)的變幅值和變相角試驗(yàn)信號(hào)的試驗(yàn)方法［7］。2011年，鄭薦中、陸祖良等人對(duì)不同原理的電能表進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在正弦包絡(luò)工頻信號(hào)和梯形包絡(luò)工頻信號(hào)下進(jìn)行了不確定度評(píng)估測(cè)試［8］。2013年，王學(xué)偉等人建立了OOK動(dòng)態(tài)測(cè)試激勵(lì)信號(hào)模型和電能表動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試系統(tǒng)，并提出了一種動(dòng)態(tài)電能量值溯源方法［9-11］。上述對(duì)電能表動(dòng)態(tài)誤差的研究中，缺乏對(duì)關(guān)口電能表動(dòng)態(tài)誤差深入、全面的研究，且在對(duì)關(guān)口電能表進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試時(shí)，需要在暫態(tài)、短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)等多種動(dòng)態(tài)負(fù)荷模態(tài)下進(jìn)行，才能全面反映動(dòng)態(tài)負(fù)荷對(duì)電能表動(dòng)態(tài)誤差的影響。

分析了動(dòng)態(tài)負(fù)荷下影響電能表動(dòng)態(tài)誤差的因素，提出了實(shí)驗(yàn)室電能表動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試方法，建立了電能表動(dòng)態(tài)誤差的測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)不同廠家關(guān)口電能表進(jìn)行了動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試，給出測(cè)試結(jié)果。

1 動(dòng)態(tài)負(fù)荷下影響電能表動(dòng)態(tài)誤差的因素分析

動(dòng)態(tài)計(jì)量與時(shí)間變化緊密相關(guān)，是對(duì)變量瞬時(shí)值或隨時(shí)間變化值的計(jì)量，具有時(shí)空性、隨機(jī)性、相關(guān)性、動(dòng)態(tài)性等基本特點(diǎn)，電能表的動(dòng)態(tài)計(jì)量性能，是由內(nèi)部元件的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能共同決定的，由于當(dāng)前的電能表都是基于穩(wěn)態(tài)功率工作原理設(shè)計(jì)的電能表，面對(duì)智能電網(wǎng)中的動(dòng)態(tài)負(fù)荷功率，影響電能表準(zhǔn)確計(jì)量的因素主要有以下幾點(diǎn)：

（1）從電能表內(nèi)部電能計(jì)量原理方面來(lái)看，對(duì)于電能計(jì)量專用芯片，針對(duì)不同的動(dòng)態(tài)功率信號(hào)都會(huì)對(duì)計(jì)量誤差產(chǎn)生影響，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電能計(jì)量的超差，如：采樣的信號(hào)經(jīng)過(guò)PGA放大，放大倍數(shù)改變時(shí)，電能表響應(yīng)慢，不可避免地使測(cè)量電能的動(dòng)態(tài)誤差明顯增大；

（2）從外部動(dòng)態(tài)負(fù)荷運(yùn)行工況方面來(lái)看，輸入電能表的電壓信號(hào)波形畸變、負(fù)荷有功功率受運(yùn)行工況的影響，動(dòng)態(tài)變化等特性與實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)態(tài)測(cè)試信號(hào)條件大不相同，電能表無(wú)法快速、準(zhǔn)確地測(cè)量功率與電能等參數(shù)；

（3）動(dòng)態(tài)負(fù)荷信號(hào)如果超出電能表各工作量限，放大器切換不及時(shí)，跟不上沖擊負(fù)荷的變化速度，也會(huì)使被測(cè)結(jié)果的相位、幅值等產(chǎn)生較大偏差。

2 關(guān)口電能表實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)方法

2.1 動(dòng)態(tài)測(cè)試激勵(lì)信號(hào)模型

為了測(cè)試電能表表的動(dòng)態(tài)誤差，本文采用OOK（On-Off-Key）動(dòng)態(tài)負(fù)荷測(cè)試激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)將穩(wěn)態(tài)電流轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)電流信號(hào)的方法，輸入被試電能表，被試電能表輸入的電壓為穩(wěn)態(tài)電壓，輸入的OOK動(dòng)態(tài)電流用加矩形窗的正弦信號(hào)表示：

式中an＝1（電流信號(hào)通）或0（電流信號(hào)斷）；g（t-nT）為矩形窗函數(shù)；Urms和Irms分別為電壓和電流有效值。則在OOK動(dòng)態(tài)激勵(lì)方式下，輸入電能表的動(dòng)態(tài)負(fù)荷瞬時(shí)功率p（t）為：

圖1給出了周期方波（矩形窗）控制產(chǎn)生的OOK動(dòng)態(tài)測(cè)試電流信號(hào)波形圖。

圖1 OOK控制產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)負(fù)荷電流信號(hào)波形圖Fig.1 Waveform diagram of dynamic load current signal controlled by OOK

TA為通周期數(shù)，它表示一個(gè)OOK通斷控制周期內(nèi)，導(dǎo)通期間所包含的50 Hz正弦電流信號(hào)的整周期個(gè)數(shù)，TB為斷周期數(shù)，它表示一個(gè)OOK通斷控制周期內(nèi)，關(guān)斷期間所包含的50 Hz正弦電流信號(hào)的整周期個(gè)數(shù)。

2.2 動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成

電能表動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表、HE5012電能表動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試裝置和被測(cè)電能表構(gòu)成。計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)總線RS232和IEEE488與穩(wěn)態(tài)功率源和標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，HE5012通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)表和被測(cè)表給的脈沖來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差的計(jì)算，被測(cè)表1和表2通過(guò)串聯(lián)的方式連接。

圖2 動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of dynamic error test system

2.3 動(dòng)態(tài)負(fù)荷模態(tài)

本文通過(guò)分析實(shí)際用電動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性，為了達(dá)到充分評(píng)估被測(cè)電能表在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)誤差特性的目的，定義了五種動(dòng)態(tài)負(fù)荷電能類型：暫態(tài)游程模式動(dòng)態(tài)負(fù)荷、毫秒級(jí)短時(shí)游程動(dòng)態(tài)負(fù)荷、秒級(jí)長(zhǎng)時(shí)游程動(dòng)態(tài)負(fù)荷、分鐘級(jí)慢波動(dòng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷和小時(shí)級(jí)緩慢波動(dòng)動(dòng)態(tài)負(fù)荷。這五種類型的動(dòng)態(tài)負(fù)荷電能反映了不同用電負(fù)荷電能的消耗方式，有利于全面測(cè)試評(píng)估電能表動(dòng)態(tài)誤差特性。五種動(dòng)態(tài)負(fù)荷電能類型的具體定義如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)負(fù)荷電能的五種類型Tab.1 Five types of dynamic load electricity

3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試動(dòng)態(tài)誤差計(jì)算方法

根據(jù)電能量的物理定義，動(dòng)態(tài)電能的參考量值可由如下積分運(yùn)算給出：

式中τ為電能的累積時(shí)間。在OOK動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試信號(hào)激勵(lì)下，被測(cè)電能表的理論電能值為：

式中τ＝TAM，TA為一個(gè)OOK通斷控制周期內(nèi)通周期個(gè)數(shù)，M為OOK通斷控制周期數(shù)。

Ex為被測(cè)電能表實(shí)際測(cè)到的電能值，則被測(cè)電能表動(dòng)態(tài)電能測(cè)量誤差為：

4 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與結(jié)果分析

在電能表的動(dòng)態(tài)誤差特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試系統(tǒng)使用的設(shè)備與裝置，以及被測(cè)電能表型號(hào)如表2和表3所示。

表2 電能表動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備與裝置Tab.2 Device of dynamic error test system of electric energy meter

表3 被測(cè)電能表選取型號(hào)Tab.3 Model selection of the tested electric energy meter

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，上述電能表在單向暫態(tài)動(dòng)態(tài)負(fù)荷、短時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷、長(zhǎng)時(shí)動(dòng)態(tài)負(fù)荷四種情況下的動(dòng)態(tài)誤差如表4所示，廠家二的三相四線費(fèi)控智能電能表和廠家四的三相四線智能電能表雙向功率動(dòng)態(tài)誤差如表5所示。

表4 單向3種動(dòng)態(tài)負(fù)荷模式下安裝式電能表的動(dòng)態(tài)誤差范圍Tab.4 Dynamic margin of three kinds of installation single direction electric energy meter in negative mode

表5 雙向動(dòng)態(tài)負(fù)荷模式下安裝式電能表的動(dòng)態(tài)誤差范圍Tab.5 Dynamic margin of three kinds of installation both directions electric energy meter in negative mode

通過(guò)對(duì)表4與表5的測(cè)試數(shù)據(jù)分析，可以給出以下測(cè)試結(jié)果：

（1）在單向動(dòng)態(tài)負(fù)荷模式下，對(duì)于三相四線電能表，在暫態(tài)、短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)態(tài)功率模式下，廠家一電能表動(dòng)態(tài)誤差最大值為-5.31%，廠家二、廠家三和廠家四電能表動(dòng)態(tài)誤差最大值分別為-60.32%、-69.29%和-76.79%，動(dòng)態(tài)誤差波動(dòng)較大，遠(yuǎn)超出電能表的允許誤差等級(jí)。

（2）在單向動(dòng)態(tài)負(fù)荷模式下，對(duì)于三相三線電能表，在暫態(tài)動(dòng)態(tài)功率模式下，四個(gè)廠家電能表動(dòng)態(tài)誤差最大值分別為 -5.76%、4.39%、-5.76%和 -8.64%；在短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)態(tài)功率模式下，廠家一、廠家二和廠家三電能表動(dòng)態(tài)誤差最大值分別為-41.77%、-22.04%和-41.77%，動(dòng)態(tài)誤差波動(dòng)較大，遠(yuǎn)超出電能表的允許誤差等級(jí)；在短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)動(dòng)態(tài)功率模式下，廠家四電能表動(dòng)態(tài)誤差最大值為-1.84%。

（3）在雙向動(dòng)態(tài)負(fù)荷模式下，廠家二的三相四線費(fèi)控智能電能表和廠家四的三相四線智能電能表動(dòng)態(tài)誤差最大值分別為-26.19%和-42.8%，動(dòng)態(tài)誤差波動(dòng)較大，超出電能表的允許誤差等級(jí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）分析了動(dòng)態(tài)負(fù)荷條件下影響電能表動(dòng)態(tài)誤差的因素；基于OOK動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試信號(hào)模型，提出了關(guān)口電能表實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案；

（2）建立了實(shí)驗(yàn)室電能表動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對(duì)四個(gè)廠家不同型號(hào)的關(guān)口電能表進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：在不同動(dòng)態(tài)功率模式下，關(guān)口電能表動(dòng)態(tài)誤差較大，超出其允許誤差等級(jí)，應(yīng)引起電能計(jì)量部門重視；

（3）IEC最新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)負(fù)載電流快速改變實(shí)驗(yàn)中，要求電流通斷時(shí)間分別為10 s、5 s和0.5 s，總試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為4 h。本文中采用的OOK動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)實(shí)現(xiàn)了上述IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電流通斷時(shí)間的要求，并可達(dá)到試驗(yàn)所要求的時(shí)間。同時(shí)，本文試驗(yàn)中，功率因數(shù)的選擇為IEC標(biāo)準(zhǔn)的給出值，且OOK動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)通斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換能夠在標(biāo)稱頻率的一個(gè)周期內(nèi)完成。綜上所述，本文所提出的試驗(yàn)方法符合IEC最新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件與要求；

（4）未來(lái)將對(duì)更多不同廠家型號(hào)的電能表進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試，并在此基礎(chǔ)上研究電能表動(dòng)態(tài)特性。