電能計量設備運行狀態控制研究

張 芹，夏水斌，許 健

(1.國網湖北省電力有限公司營銷服務中心(計量中心)，湖北 武漢 430080;2.國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引言

電能計量設備包括很多電力電子技術與半導體器件，涉及范圍廣泛，既有小容量的家用式設備又有超大容量的發電廠等。國內的電能計量設備按其所能服務的發電量共分為四種：第一種是計量105kW及以上發電機的發電量，主要應用于跨省電網之間的聯絡線；第二種是考量月平均用電量105kW及以上或變壓器容量為315 kVA及以上的高壓計費用戶，主要應用于發電廠用電[1]；第三種是計量月平均用電量105kWh以下或變壓器容量為315 kVA以下的高壓用戶和用電容量較大的低壓用戶[2]；第四類主要用于計量低壓用戶。

1 電能表的分類

傳統的電能表不僅笨重而且不夠精確，需要人工現場抄表，給電力工人增加了工作量，并且存在偷電、漏記的風險隱患。電能表隨著供電企業的出現而誕生，也隨著供電企業的發展而不斷進步，是社會擁有量較大的計量器具之一。其主要用于電力的貿易結算和電力生產技術經濟指標的考核。

電能表按工作原理可以分為兩類，其一是電氣機械式電能表，其二是電子(固態)式電能表。感應式電能表主要應用在交流電路中，由四部分組成。當交流電通過電能表時，鋁盤上會產生感應渦流。渦流與交流磁通產生作用力使鋁盤轉動。制動磁鐵與鋁盤產生制動力矩。制動力矩與轉動力矩達到穩定平衡時，鋁盤以勻速轉動。鋁盤轉動的圈數與消耗電能成正比，以此測得電能。

單相脈沖式電能表的光電轉換器主要由光電頭和光電轉換電路組成。其中，光電頭有穿透式和反射式兩種。兩種光電頭相同的部分包括光敏管、發光管、轉盤等。光電頭結構如圖1所示。

圖1 光電頭結構示意圖

一般情況下，采集和處理電信號是非常困難的，因此需要設計一種光電轉換電路。當較強的光照到光探頭時，探頭處于導通狀態，光電流增大，作用到射極耦合放大器上，使得輸出電壓為高電平；反之，輸出電壓為低電平[3-4]。

近些年發展起來的無線抄表技術主要考慮的因素有自動抄表、低功耗、雙向交互功能等。無線抄表技術的實現不僅節約了很多的人力、物力成本，而且提高了電能計量的時效性、準確性等，更能避免偷電、漏記的情況發生，對電能計量設備來說是質的提升。無線抄表功能模塊如圖2所示。

圖2 無線抄表功能模塊圖

電子式電能表結構與感應式電能表相似，由測量機構和輔助部件兩大部分組成。測量機構以電子電路為主，測量元件由ui乘法器、U/f轉換器和計數器構成。輔助部件與感應式電能表相同。其中，內部電路圖主要為光電轉換電路。

光電轉換電路如圖3所示。

圖3 光電轉換電路示意圖

圖3中：電功率P=ui，電能W=Pt。電子式電能表的關鍵部分是ui乘法器。其采用較多的是時分割乘法器。待測信號通過分壓器和互感器被縮小，之后輸入到時分割乘法器中相乘，就可得到一個與功率P成正比的模擬電壓U，再把U經U/f轉換器轉變為頻率。根據頻率計在Δt時間內的計數N，便可得到此段時間內的平均功率。而對于某一段時間內的電能測量，就變為此段時間內所轉換得到的累計電脈沖數[5-7]。電子電能表工作原理如圖4所示。

圖4 電子電能表工作原理框圖

2 電能計量方法

2.1 小波變換

對于線性負載或者沒有諧波源的負載而言，傳統的計量方法已經足夠滿足人們的需求，無需再增加特殊功能來計量電能。但對于現代電網而言，尤其是在電力電子技術高速發展的年代，非線性和不可控器件的數量猛增，需要一些與之前不同的算法來保證計量電能的準確性。

連續小波轉換式為：

(1)

式中：b為時間平移參數；a為時間軸尺度伸縮參數。

小波變換的實質是對信號進行分解，對產生非平衡效果的無功功率進行拆分，使得感性負載和容性負載相互獨立計算。這種算法使非線性負載存在的電路計量有了突飛猛進的發展。現代電網非線性負載形式多種多樣，如不可控整流設備、工業機械設備、冶金機械設備(即軋鋼機、感應爐和電弧爐等)、電解化工設備等。基于小波變換建立的Wiener泛函可以在很大程度上解決由諧波給電網信號造成的偏差問題。通過數學建模分析結果可知，利用三階Wiener泛函模擬輸出函數與實際輸出數值幾乎一致。這也說明了小波變換在非線性負載電能計量算法方面有著舉足輕重的作用[8-9]。若系統的輸出為多個(即F、G、S)，U(t)為輸入信號，X(t)為輸出信號，則由復合非線性系統傳遞函數理論，二階Wiener泛函模擬輸出如圖5所示。

圖5 二階Wiener泛函模擬輸出

2.2 傅里葉變換

傅里葉變換的本質指的是任何周期函數的曲線，都可以由不同振幅、不同相位的正弦波疊加組成。傅里葉變換的本質決定了它在數字信號處理方面的重要性，可以用于分析一些在特定的時間域內很難被確定的信號。

傅里葉變換基本式為：

(2)

式中：an和bn為實頻率分量的振幅；L為函數的周期。

傅里葉變換主要解決當電網中存在諧波時電能計量設備無法準確計量的問題，有離散傅里葉變換(discrete Fourier transform，DFT)、快速傅里葉變換(fast Fourier fransform，FFT)和連續傅里葉變換(continuous Fourier transform，CFT)。DFT可以將信號從時域變換到頻域。在這種情況下，時域和頻域都是離散的，通過DFT可以求出一個信號由哪些正弦波疊加而成。所得的結果就是這些正弦波的幅度和相位。

把DFT應用到電能計量設備算法中，在處理諧波時會遇到一些問題，比如在采樣時收到的頻率信號過大或者太低會產生頻率混疊現象，以及頻譜泄漏和柵欄效應等。頻譜是有限、不連續的頻率點，如果實際中的點落在了間斷區就會出現頻譜泄漏。柵欄效應就如通過柵欄向外看，總有一部分有用的點被擋到，損失了一部分實際點。這種有效的頻率點無法被采集到的現象即柵欄效應[10]。

CFT可以把一個復雜的算法函數分解成一組連續的頻譜率。如果需要分析非周期性的變換函數，則可以把它的周期看成無窮大。也可以說，具有無窮大周期的周期函數，頻譜間隙趨向于無限小，離散函數變成連續點，便可分析非周期性的傅里葉函數。

3 電能表的狀態監測及評估

電能計量裝置在線監測與狀態評估系統整體功能如圖6所示。

圖6 電能計量裝置在線監測與狀態評估系統整體功能圖

電能表的在線監測功能和狀態評估解決方案是一套非常完善的電能計量設備系統。傳統的電能計量設備靠遠程抄表的方式統計計量數據，只能傳輸電能表內部的數據，而無法對自身的狀態進行評估，比如對誤差的修正等。

電力計量設備在線監測與狀態評估系統的主要功能模塊分別是基礎信息、在線監測、在線校驗、告警管理、狀態評估和系統管理[11]。

3.1 狀態監測的需求分析

狀態監測需要記錄有關電量的各種實時信息(如常見的電壓、電流、功率、相角、頻率等瞬時電能指標)，自動讀取并存儲這些信息，監測回路中的各種數據，對其進行記錄、計算、分析、鑒別等。

在電能計量過程中，實現公平交易是非常重要的，對公平交易產生影響的不僅是諧波帶來的沖擊，還有運行過程中產生的誤差。自動監測偏差并進行自動修復是電能表必須具備的功能之一。此功能可以根據電能表誤差限值和誤差值顯示報警數據，自動保存各項測試結果，方便后期查看、下載[12]。

3.2 技術需求分析

使用標準表法對電能表進行誤差測試的糾正方法可以分為兩種，分別是自動在線監測和遠程遙控。兩種方法方便了工作人員在使用電能表時的操作控制。同時，后臺監控系統管理軟件可自動對電能表誤差監測數據進行統計、生成報表；具備圖形分析功能，使得對電能表誤差的分析、對比更加直觀。

3.3 系統結構設計

電能計量設備系統的設計主要涉及狀態監測、狀態評估以及后臺顯示界面的一些功能，以保證整個裝置精確、實時、高效及安全地運行。

整個系統結構分為主站層、站控層、間隔層和過程層。主站層包括結果表示層、計量服務層以及基礎服務層。結果表示層主要是為用戶提供數字化的訪問窗口，使用戶更容易看到想要的統計數據；計量服務層主要是為用戶提供電能計量數據、信息監測、狀態評估、誤差糾正、故障報警等業務；基礎服務層主要是為電能計量設備監測與狀態評估系統提供基礎服務業務，如任務調度服務、報表分析服務、系統安全服務、基礎資源管理服務、評估服務(評估算法、評估決策分析)、系統接口服務等，通過采集及數據分析梳理，完成服務層所需的信息采集。

一套完善的系統結構對電能計量設備而言是非常重要的，因為電能計量設備所要服務的范圍很大，并且現場情況復雜多樣，同時又要求具有很高的精度。任何一個微小的錯誤都會影響電網環節的公平性，并會導致設備損壞從而帶來經濟損失等。

3.4 裝置狀態評估

電能計量設備的不間斷運行是常態化的，如需保證電能計量設備的準確性，則需要對電能計量設備運行狀態作整體評估。評估時，不僅要考慮各種一般情況，還要考慮一些特殊的情況。如果某一個元器件出現嚴重異常的情況，得出的計量裝置整體的運行狀態就會產生很大的偏差。只有在所有部件都沒有出現異常的情況下，才能根據各自的權重值進行整體運行狀態的綜合評估。

眾多電力行業計量裝置的專家學者經過無數次的研究驗證，并結合實際工程應用中收集到的歷史運行故障分析數據，總結了各元器件的故障占比率，形成了一套模塊評估權重的系數。

計量裝置結果評估的內容主要包括四個方面：G為電能表評估、P為電壓互感器評估、C為電流互感器評估、H為二次回路評估。經過一系列調查、研究，各模塊狀態評分比重如表1所示。

表1 各模塊狀態評分比重表

電能計量設備整體狀態評估評分計算式為：

(3)

4 電能計量設備的應用

電力行業是國計民生的重要支柱。如今的生活已離不開電能，而有用到電的地方就必須有電能計量設備。電能計量設備在電力行業的發展過程中起到了巨大的作用。因此，做好電能計量設備的技術實施、工程應用等工作，使其能夠進一步保證電能計量的準確性以及促進電力行業的發展是非常重要的。

根據電能計量設備狀態評估在實際中的應用，本文選擇了四地的電能計量設備進行評估。各地供電單位狀態監測結果如圖7所示。

圖7 各地供電單位狀態監測結果

隨著我國國民經濟的快速發展，截止到2019年初，電力使用覆蓋率將近100%。如此龐大的用戶數量，就如何平衡發、輸、變、配、用電之間的關系，保證每一階段的交易具有準確性、公平性、簡便性等，迫切需要一套完善的電能計量設備。傳統的電能計量設備已經不能滿足現代如此多的電網諧波和非線性負載加入的情況的要求。電力半導體器件的研制對我國科技的發展有至關重要的作用，特別是在一些科技核心領域。但這些發展帶來的非線性負載及諧波對電網質量產生一定的影響，造成一些用戶的經濟損失。吸收諧波的用戶需要繳納比本身消耗電能更多的費用。這種現象違背了市場公平交易的原則。正因為如此，才需要研發更多精密的算法、更加精準的計量裝置。

根據策略輸出狀態，對圖7的測試結果進行抽樣驗證。測試結果表明，處于穩定狀態的電能表所占的比例為82%，預警所占的比例為0.61%。該驗證結果與監測結果相差較小，說明本文所述方法具有一定的參考價值。

5 結論

我國電力行業近年來發展迅速。預計到2035年，全社會用電量將達到11.7萬億千瓦時。因此，電力行業發展空間巨大。電力系統的日益發展，推動著電能計量設備的研究熱潮。同時，電能計量設備的算法，如傅里葉變換、小波變換、神經網絡算法等日漸趨于成熟，增加了電能計量設備的時效性、準確性、簡便性。各種各樣的電能表也相繼得到研發。這些電能表形式種類各異，可以滿足不同場合、不同負荷形式的電能表使用需求，在滿足電力行業發展需求的同時，也能促進電力行業的發展。目前，我國的經濟形勢正處于高速發展階段，電力行業尤其突出，電化學儲能行業的迅速崛起，更進一步地平衡、穩定了我國的電網運行狀態。電力行業的穩定、高速發展離不開電能計量設備，未來的電能計量設備一定會更加精確、更加高效。