現行三相電能表計量缺陷及案例分析

陶勇，劉金友，趙楓，喬惠

(國網安徽省電力有限公司合肥供電公司， 合肥 230001)

0 引 言

電能表是電能計量的法定器具，電能表的計量準確性和設計合理性直接影響貿易結算的公平、公正[1-3]。近年來，隨著電力市場、電力系統的不斷發展，泛在電力物聯網的提出和建設[4-6]，電能計量需求也在發生變化，如分布式電源在配網中的大量投用，對現行三相電能表計量規則和合理性提出挑戰，同樣，錯接線或竊電行為引起的反向電量的準確計量也存在類似問題，同時也給安全運行帶來隱患。

1 三相電能表計量原理

根據工作原理，現行電能表可分為電磁式電能表和電子式電能表兩大類。電磁式電能表工作原理是被測電路的電壓和電流在轉盤內產生交變磁通和感應電流，交變磁通和感應電流相互作用產生驅動力矩，力矩作用于轉軸上驅動電能表走字。由圖1所示，三相四線電能表三組電磁元件分別作用在各自的轉盤上，但所有轉盤同軸，所以作用在轉動元件上的驅動力矩決定于多組電磁元件產生驅動力矩的代數和。故電磁式電能表從硬件上決定了功率值必須為代數和。

圖1 電磁式三相四線電能表結構示意圖

計算公式如下：

(1)

電子式電能表一般由采樣電路、計量專用集成電路、微處理器和各種顯示裝置、接口組成，已不再受電磁式電能表只有一個轉軸的機構限制(見圖2)，每相都有單獨的采樣元件。但目前使用的電能表仍延續電磁式電能表計量規則，三相電路中的視在功率為各單相視在功率的代數和[7]，即三相功率代數相加如為正，則計入正向總，三相代數相加如為負，則計入反向總。

圖2 電子式三相四線電能表結構示意圖

2 現行三相電能表計量缺陷及案例分析

文章發現，三相電能表采取代數和的計量方式存在缺陷，三相中一旦有潮流不同方向的情況，必然會出現正負相抵。但歷年來，用戶是受電方，用電潮流是一個方向，不考慮“非正常”的反向情況，如果有也是接線錯誤造成，所以“代數和”計算的方式一直沿用至今。圖3所示為2019年生產，執行GB/T 17215.321-2008及DL/T 698.45-2017規范的三相四線電能表，其仍然采用“代數和”方式(0.1991≈-0.1730+0.1894+0.1834(截圖時間略有差異))。

圖3 現行三相四線電能表功率計量實物圖

但隨著社會的發展和需求的變化，用電環境的多樣性已使反向這個“非正常”的情況“合理化”，“代數和”已不能適用當前的計量需求，主要體現在以下三個方面。

2.1 分布式電源(光伏)的計量及結算錯誤

“自發自用、余電上網的分布式光伏發電項目，發電關口計量點設置在發電側，電能表正向指數記錄用戶發電量。上網關口計量點和用網計量點應合并設置，并共用一套計量裝置分別計量上網電量和用網電量，其中電能表反向指數記錄上網電量，正向指數記錄用網電量”[8-9]，這就產生了“合理”的反向。以自發自用余電上網的一用戶為例，電能表配置見圖4。

圖4 光伏用戶電能表配置

用電信息采集系統(下稱用采)透抄電能表獲取的ABC分相“正反分計”指數(目前電能表只分相存儲月結算日指數，屏顯、采集、結算仍按“代數和”)及按現行“代數和”方式計算的總指數見表1。

表1 抄表指數

表2中，正反分計電費(232.689 721)-代數和電費(209.527 059)=23.162 662(元)，導致供電公司對該光伏用戶該月實際少收電費約23元。分析原因：當三相電能表有某一相或兩相有反向上網電量，另外兩相或一相仍正向用電時，根據現行電能表“代數和”計算規則，電能表有功總只記錄正、反向電量相抵后的代數和，即“代數和”為正，記錄為正向電量；“代數和”為負，記錄為反向電量。存在不同相的部分電量正、反相抵，且相抵電量未計量。此時，“代數和”方式記錄的正向或者反向電量均不能準確反映實際正向或反向電量，使計量的供、用、發電三方電量產生偏差，進而導致電費差錯。

表2 抄表電費表

2.2 線損計算錯誤

由于公變臺區關口采用三相四線電能表計量，在某些光伏發電量大的臺區，會造成整個臺區存在分相“倒送電”的情況，但由于電能表采用的是“代數和”的計算方式，存在正負相抵的情況，導致關口正反向電量計量不準確，進而使分臺、分線、同期線損計算錯誤，詳見下面實例。

某臺區關口計量配置參數和月電量分別見圖5和表3，該臺區光伏發電用戶達17戶，臺區存在“倒送電”的情況。

圖5 某臺區關口計量配置參數

表3 某臺區月用電量

按目前“代數和”的方式，存在正反相抵，正向有功即該臺區的月用電量為23 672 kW·h，反向即該臺區月發電量為2 460 kW·h。而按“正反分計”的方式分別是：正向有功為26 656 kW·h，反向為5 444 kW·h。由于“代數和”正反相抵的缺陷使該臺區該月用電量及發電量減少了2 984°。臺區關口的用電量及發電量是作為不同線損計算公式的分母或分子，且眾所周知a/b≠(a+x)/(b+x)且x≠0，所以“代數和”的方式導致線損計算錯誤。

2.3 不利于異常用電、不安全用電的發現

從“代數和”的特點可以得出，當反向功率小于正向功率時，總功率會一直顯示正值，從而“掩蓋”實際有反向的情況，詳見下面的實例分析。

某臺區9月份線損為18.73%(見表4)，屬于高損，一直查不到原因，后通過逐戶逐表檢查，發現該臺區農貿市場內一戶低壓三相四線倍率表表屏顯示A相有反向(見圖6(a))，通過另接儀器檢測，三相均有電流且A相始終小于B相、C相之和(見圖6(b))，A相功率因數極小(見圖6(c))。

表4 某臺區9月份線損

圖6 某用戶電能表電氣量參數

“代數和”正負相抵后，電能表一直產生不了反向總電量，故用采系統一直判定“正常數據”(見圖7)。此戶經現場整改后，11月臺區線損為5.83%(見表5)，合格。錯接線分析研判同樣存在類似問題，傳統分析方式[10]也未考慮現行電能表的此情況。

圖7 某用戶電能表采集數據

表5 某臺區11月份線損

該戶為典型的“代數和”掩蓋了反向的情況，在電力用戶全覆蓋全采集且用采系統分析為“正常”的情況下，很容易忽略該戶現場有反向的異常，增加了“糾錯”時間和成本。而采取“正反分計”日采集的方式，最遲次日系統即可發現該“非正常的反向”。另一實例如下，某臺區線損時正時負(見表6)。

表6 某臺區日線損

經現場排查發現，一只低壓三相倍率表雖接線正確，但確有反向情況，通過進一步檢查,發現出線空氣開關斷開后，開關上下端仍都帶電(見圖8)。

圖8 某用戶空開斷開后兩側電壓

之后了解，此表為小區水泵表，水泵的雙電源切換裝置損壞，小區電工自行把水泵的雙電源直接并接使用，造成實際的倒送電。此情況對于現場用電非常危險，形成事實上的雙電源供電，而此臺區非光伏臺區，給檢修運維人員帶來非常大的安全風險。且此表的開關和線路實際成為兩個臺區變壓器低壓“母聯”開關，一旦一臺變壓器檢修停用，就要承載另一個臺區的全部負荷，而開關、線路的容量遠遠不夠，運行非常危險。“代數和”的方式“遲滯”或“掩蓋”了該問題。

3 結束語

由此可見，三相電能表“代數和”的計算方式由于存在“相抵”的缺陷，已不能滿足日益多樣化的用電需求，直接導致分布式電源(光伏)計量結算錯誤、線損計算錯誤，增加了錯接線、電量追補、不安全運行的發現難度。

電磁式三相電能表受硬件結構限制，無法按“正反分計”的方式計量。但電子式電能表，特別是智能電能表，已對每相數據單獨采樣，只是最后由計量芯片按代數和方式匯總，其每相數據已單獨計算并存儲，由實例電能表(表1)抄出的情況也可看出，月結算日的指數是有分相存儲的。這種情況下，只需修改電能表軟件就可實現“正反分計”。

建議三相電能表總指數計算方式應修改為“正反分計”——每相的正向納入電能表總的正向、每相的反向納入電能表總的反向，即采用“正歸正計、反歸反計”的分開計算方式，使計量更真實、更準確。同時電能表內也應存儲每相相應的日凍結數據，用采系統也進行相應的日采集。