電能量計量管理系統缺失電量計算方法研究

李俊臣, 頡子光, 雷鳴

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院, 西安 710000; 2.國網陜西省電力公司電力調度控制中心, 西安 710100; 3.國網陜西省電力公司商洛供電公司, 陜西 商洛 726000)

0 引 言

電能計量裝置作為衡量發電計算用戶電能消耗量的重要裝置，其技術水平及準確性要求隨著大電網的發展在逐步地提升[1-3]。由于大功率設備在運行過程中所產生的沖擊負荷以及計量裝置自身故障種種原因會對智能電能表電能計量的準確性造成影響，而智能電能表作為電能計量系統的重要單元，電能計量的準確度直接影響了電力部門的收益, 關系到整個電網運行的經濟利益[4-6]。

國內外研究學者針對電能計量管理的相關問題展開了大量研究工作。文獻[7]通過分析傳統電能計量功率理論及其算法不足，結合數字信號處理技術，提出了一種適用于沖擊負荷電能計量的實用化算法；文獻[8-9]對沖擊負荷對電能計量的影響進行定量分析，以電能表的響應速度作為衡量電能表質量的重要指標，設計了一套實驗方案以解決電能計量糾紛問題。文獻[10]以醫院CT機沖擊負荷對智能電能表計量的動態誤差影響為例，對沖擊負荷對電網運行狀態的影響特性進行分析，建立了智能電能表的全系統模型以及電能測量仿真算法；文獻[11]基于現場調試的常見故障，分析了電量表計配置、通信斷線、電能表RS-485串口等造成電量采集裝置在安裝調試中出現大量通信故障的主要故障原因進行分析，提出了相應的改進調試方法；文獻[12]從電網運行工況的角度對電能計量裝置運行誤差的影響進行了分析和說明，提出了新型運行狀態評價方法，結合電能計量裝置的運行狀態以及各電氣參量的監測數據，對電能計量裝置運行狀態的準確性、可靠性進行綜合評價；文獻[13]通過電流互感器、電壓互感器等電力系統的二次設備實時采集設備的電流、電壓值，實時計算得到線路、變壓器的有功功率，再通過對有功功率的積分，就可以得到對應積分時段的電量，實時反應電網情況。

以上參考文獻對電能計量裝置的誤差和改進方法進行了大量研究工作，但鮮有文獻從根本上分析誤差來源以解決計量缺失問題。為此，文章基于電路理論，對不同類型電量計量裝置的工作原理及計算方法進行分析，從根本上找出造成電量計量缺失的原因，并給出相應的解決方法。

1 電能量計量管理系統

圖1為電能量計量管理系統的總體結構圖，其主要應用計量自動化技術以實現用電現場的電能表和遠程計算機主站系統之間的數據通信，是一種用電需求側綜合性的技術，集成了計算機軟硬件技術、現代數字通信技術、電力營銷技術和電能計量技術等技術，能實現實時信息采集與分析處理的功能。電能量計量管理系統的主要功能包括：數據采集與處理、電量數據的統計與計算、報表管理與信息發布以及系統接口。

(1)數據采集與處理。

由于變電站計量點數量較多，各計量點所采集的電能量信息量龐大、耗時長，人力成本較大且準確性和及時性較低，因此，應用計量自動化技術實現電能量信息的自動采集，以提升電能量數據抄讀的準確性、及時性及統一性，達到規范用電管理和減員增效的目標。

圖1 電能量計量管理系統的總體結構

(2)電量數據的統計與計算。

電量統計與計算是用電管理的是一項核心工作，所涉及的結算、統計的電量數據龐大而繁雜。應用計量自動化技術實現各類電量數據的統計，可采用時間段進行分類統計，使得電量信息的分析工作變得清晰明了；另外，應用計量自動化技術也便于電能損耗量的計算，電能損耗計算是用電管理的一項重要工作，通過電能損耗計算查找損耗原因，制定出降損的措施能夠大大降低供電企業的運營成本，提高效益，也可通過異常線損信息及時發現電網運行設備的異常情況，為電網穩定運行提供數據依據。

(3)報表管理與信息發布。

實現電能量數據報表的自動生成和發布，為電網穩定安全運行狀態和電網建設或改造提供數據依據。在系統提供詳實數據的基礎上，通過應用專用和通用的電子制表功能，按照應用的需要，將采集到的數據進行分類統，并計生成相應的報表，如：原始數據報表、電量分析比對報表、線損平衡報表、母線平衡報表、變損分析報表、電壓合格率報表、失壓記錄報表、報警信息報表等。

(4)系統接口。

實現系統接口與MIS系統連接，使得變電站關口表電量數據、負荷數據、線損報表、倍率參數等相關計量數據可通過WEB發布在MIS系統查閱瀏覽。

2 電能量計算的基本原理

通過將一次線路、互感器、二次電路以及電能表按照電路理論進行邏輯接線，實現對用電線路的電能計量。由于用電客戶電路種類的不同，其相應的電能計量裝置的接線方式各異，按照不同的接線方式將電能計量裝置分為單相式、三相三線式以及三相四線式三類[14]。

(1)單相式。

對于220 V的單相低壓用電用戶，主要采用單相有功電能表。若用電用戶的負荷較大，超過電能表量程時，則需經過電流互感器，再使用單相電能表對用戶的用電量進行測算。圖2為單相式有功電能表的接線示意圖。

圖2 單相式電能表接線圖

單相有功電能表計算有功功率的方程式為：

P=U相I相cosφ

(1)

式中U相為單相電路的相電壓；I相為單相電路的相電流；φ為相電壓和相電流之間的夾角。

(2)三相三線式。

對于中性點絕緣系統，主要采用三相三線式有功電能表。如圖3所示，為三相三線式有功電能表的接線示意圖。圖3中，兩個電壓互感器采用Yy接線方式，一次側分別接A相、B相和B相、C相，二次側接線的b相需接地，保證接入電能表的兩個電壓對稱，測量得到二次側的線電壓Uab和Ucb；電流互感器為分相四線式接法，高壓側接在A相和C相上，低壓側接線均需一點接地，測量得到二次側負荷相電流Ia和Ic。

圖3 三相三線式電能表接線圖

三相三線式有功電能表計算有功功率的方程式為：

P=UabIacos(φa+30°)+UcbIccos(30°-φc)

(2)

當三相電路平衡對稱時，則有：

(3)

式中U線為三相電路的線電壓；I線為三相電路的線電流；φ為相電壓和相電流之間的夾角。

(3)三相四線式。

對于中性點有效接地的系統，主要采用三相四線式有功電能表。如圖4所示，為三相四線式有功電能表的接線示意圖。圖4中，三個電壓互感器采用Yy接線方式，一次側分別接A-N相、B-N相和C-N相，二次側接線的中性點需接地，測量得到二次側的相電壓Ua、Ub和Uc；兩個電流互感器為分相六線接法，高壓側分別接在A相、B相和C相上，低壓側接線均需一點接地，測量得到二次側負荷相電流Ia、Ib和Ic。

圖4 三相四線電能表接線圖

三相四線式有功電能表計算有功功率的方程式為：

P=UaIacosφa+UbIbcosφb+UcIccosφc

(4)

假定三相電路對稱平衡，則三相四線有功電能表計算有功功率的方程式為：

P=3U相I相cosφ

(5)

式中U相為三相電路的相電壓；I相為三相電路的相電流；φ為相電壓和相電流之間的夾角。

3 電能量計量缺失

3.1 電量缺失的主要原因分析

造成用電量缺失的原因大體可分為三種，即：計量裝置故障、計量回路故障以及竊電。其中，竊電是人為因素所造成的，因此，文章僅對計量裝置故障和計量回路故障造成的用電量缺失情況進行分析。

3.1.1 計量裝置故障

基于計量裝置的內部電路圖能夠看出，引起計量裝置故障的原因主要來源于電壓、電流互感器以及電能表故障等[15]。

(1)電壓互感器故障。如雷擊造成的過電壓，使得電壓互感器燒毀故障而未燒斷其一次熔管，進而造成電能計量裝置缺相，無法正常計量電量[16]；

(2)電流互感器故障。當電流互感器的變比選擇不恰當時，會造成在長期高負荷運行狀態下的電流過大，燒毀電流互感器內部構件，使得電能表缺相，進而造成電能計量量的缺失；

(3)電能表故障。電能表長期處于風吹日曬的露天工作環境下，電能表的內部部件容易發生損壞，導致其無法正常工作。

3.1.2 計量回路故障

計量回路故障通常是因為計量裝置的內部接線錯誤而導致的。目前所廣泛使用的三相三線式和三相四線式電能計量裝置，需要經過相應的電壓/電流互感器后再與電能表連接，其內部接線較多，容易出現接線錯誤的情況，常見的計量回路故障主要包括：低壓側接線點處松動、接線點處斷開造成斷路、互感器極性接反、低壓側與高壓側相序不一致等[17]。

如圖5所示，為電壓互感器一次側A相熔管熔斷導致斷線故障。

圖5 A相熔管熔斷的斷線故障

由式(2)可知此時三相三線有功電能表所計有功功率為：

P=UcbIccos(30°-φc)

(6)

假設三相電路平衡對稱，則有：

(7)

與式(3)進行對比可知，對于電壓互感器高壓側的斷線故障，若負荷呈現為感性，則有功電能表的實測結果會超過用電量實際值的1/2；若負荷呈現為容性，則有功電能表的測算結果要小于用電量實際值的1/2。

3.2 缺失電量的常見計算方法

3.2.1 公式法計算

將缺失電量定義為[18]：用電用戶用電量的實際值W理論與故障工況下用電量的測量值W實際之差，即：ΔW=W理論-W實際。

當計量裝置故障時，將電能計量裝置正常運行時測量得到的有功功率記做P理論，將電能計量裝置故障時測量得到的有功功率記做P實際。

對于三相三線制系統，電量計量裝置測量得到二次側的線電壓Uab和Ucb、負荷相電流Ia和Ic以及A相和C相電壓與相電流間的相位差，基于式(2)計算得到相應的電能。假設當B相出現故障時，傳統公式法不考慮B相電壓在故障持續期間殘壓對電量計量的影響，此時：

P實際=UaIacos(φa+30°)+UcIccos(30°-φc)

(8)

對于三相四線制系統，電量計量裝置測量得到二次側的相電壓Ua、Ub和Uc、負荷相電流Ia、Ib和Ic以及A、B、C三相相電壓與相電流間的相位差，基于公式(4)計算得到相應的電能。假設當B相出現故障時，傳統公式法不考慮B相電壓在故障持續期間殘壓對電量計量的影響，此時：

P實際=UaIacosφa+UcIccosφc

(9)

將二者的比值記做修正系數k，即：k=P理論/P實際。由此，得到缺失用電電量的計算式為：

ΔW=kW實際-W實際

(10)

基于式(10)，分析用電用戶實際用電量與計量裝置故障下用電量測量值之間的關系[19]，得到k在不同取值下的電量計量特性如下：

(1)當k>1時，說明電能計量裝置測量得到的用電量測量值要小于用戶的實際用電量；

(2)當k=1時，說明電能計量裝置測量得到的用電量測量值等于用戶的實際用電量；

(3)當0

(4)當k<0時，說明電能計量裝置測量到的用電量測量值為負值，電能計量裝置反轉；

(5)當k=∞時，說明電能計量裝置完全失靈，無法獲取用電量測量值，此時應采取估算法對電能缺失量進行估計。

3.2.2 基于計量自動化技術的缺失電量計算

基于公式法計算由互感器或是二次回路故障引起電量缺失的前提是假定負荷是三相對稱的，但在實際情況下，用戶三相負荷不一定是三相對稱平衡的，此時，采用式(10)進行缺失量的計算會出現一定的誤差[20]。此外，當電壓互感器及低壓側發生故障時，公式法未能考慮到電壓互感器熔管熔斷期間殘壓影響，僅將故障相電壓記作0進行處理，如式(8)和式(9)所示，也會對結果的準確性造成影響。因此，需要在獲取大量準確的電能量數據的基礎上，對傳統的公式法進行修正，取各相電壓、相電流、線電壓在整個故障持續期間的平均值來對電量進行計算，即采用基于計量自動化技術的公式法計算缺失電量。

對于三相三線制系統，有：

(11)

對于三相四線制系統，則有：

式(11)、式(12)中的各電氣參量均取值為在整個故障持續期間的平均值。

4 案例分析

以某供電局某一客戶某日發生的三相四線制高壓計量裝置電能缺失量案例為例，采用基于計量自動化技術的公式計算法進行計算，再與傳統公式法進行對比。已知故障持續期間電壓失壓時的相關數據如圖6及表1所示。表1中，T1為電量計量裝置故障起始時刻，Tn為電量計量裝置故障恢復時刻，T1-Tn=8.28天。

圖6 故障期間電氣參量的變化特性

表1 故障期間的電能量數據

基于表1和圖6來看，對于三相電壓中的B相，其電壓測量值由正常工況時的61 V逐步降低為0 V。而B相的有功功率也從正常工況時0.013 2 kW逐步降低為0 kW，這是典型的B相熔管熔斷造成的斷線故障，會引起用戶用電量計量的缺失。

采用傳統公式法計算用電缺失量，傳統公式法假定三相負荷對稱平衡，計算修正系數k：

(13)

求解得到修正系數k為1.5。已知用戶計量裝置的倍率為48 000，則可求得用戶的實際用電量為344 640 kW·h。基于式(10)，求解得到缺失電量為172 320 kW·h，則用戶的實際用電量516 960 kW·h。進一步地得到故障期間的平均日電量為: 62 435kW·h/天。

選取該用戶在故障發生前至故障恢復這段時期的日用電量數據，檢驗缺失電量計算的正確性，如圖7所示，計算得到該用戶在當月故障發生前的正常平均日用電量為52 047 kW·h/天。

圖7 日用電量數據

可見，傳統公式法計算結果與實際用電量差別較大。基于計量自動化技術對用戶的用電缺失電量進行計算。從表1的功率因數和三相電流值來看，該用戶的功率因數基本穩定為0.98，電流值存在細微差異，說明三相負荷處于不平衡工況。綜合考慮殘壓的影響，計算得到故障期間A、B、C三相電壓的平均值為： 60 V、 35.17 V、 60 V，A、B、C三相電流的平均值為0.217 A、0.216 A、0.217 A，功率因素的平均值為0.98，計算修正系數k為：

(14)

可得k=1.25，計算出故障期間用戶的實際用電量為：(1489.89-1482.71)×48000=344 640 kW·h。 基于式(10)，計算出缺失電量為：1.25×344640-344640=86160 kW·h，則用戶的實際用電量為430 800 kW·h。進一步地，得到故障期間的平均日電量為：430800÷8.28=52 029 kW·h/天，與圖7的計算數據十分接近。

對比傳統公式法的計算結果和基于計量自動化技術的公式法計算結果可知，由于傳統公式法缺乏考慮殘壓對計算的影響，并且假定故障期間三相負荷對稱的條件無法正確還原用戶的實際用電情況，因而存在較大的誤差，不能正確計算出用電缺失量。

5 結束語

文章基于電路理論對不同類型電能計量裝置的計量原理進行分析，深入探究了造成電能量計量缺失的原因以及缺失量的計算方法。通過將傳統缺失電量計算方法和計量自動化技術相結合，提出了基于計量自動化技術的缺失電量公式計算法，實現了對電能缺失量的準確計量，該方法對減少企業經濟損失，提升電力營銷服務水平具有重要的指導意義。