對有關電能計量若干問題的思考

趙偉,趙成,李世松,仝霞,劉堅,李雪城

(1.清華大學 電機工程與應用電子技術系,北京 100084; 2.國網北京市電力公司,北京 100161)

0 引 言

我國計量居民用電的單相電能表,以及計量一般工商業用電戶耗電量的單相和三相電能表,其準確度等級,從解放以來到現在,一直都被規定的是1.0級和2.0級,即其計量電能的允許誤差,始終被確定為不超過±2%即可,不管是過去很多年一直使用的感應式電能表,還是后來更新的電子式(靜止式、固態)電能表和數字化電能表,以及2009年發展智能電網以來,又經過多次更新換代,穩定性和準確性都明顯優于過去的智能電能表。當然,在很多負荷匯總集中供電端口處裝設的電能表(俗稱“關口表”)的準確度則要高一些,通常要求達到0.5級。

而對電力機車、軋鋼、礦山提升機、電解鋁、金屬鍛造等大型工業負荷,以及對供電電能質量要求較高的數據中心、數算中心、計算機房、控制指揮中心等,如何計量其耗用的電能,對它們的意義就十分重大,因為不同的電能計量原理和計量方法,不僅事關能否科學合理地計量電能,是否能確保供電的安全可靠,是否有助于預防和規避大型、貴重、關鍵用電設備的加速老化,而且意味著經濟上的巨大開銷或很大節支。

使用感應式電能表計量電能的早年,受限于當時各種用電負荷的用電特性均相對簡單,非線性較弱,基本呈純阻性或接近純阻帶弱感性的特征,以按照電壓、電流均為正弦波的原理制造的感應式電能表等電能計量裝置計量用電戶的耗電量,基本不存在原理性偏差。當然,以硬件實現電能計量原理的感應式電能表,在構成上有機械軸承、鋁制圓轉盤及金屬指針等,因存在機械摩損,長期運行后,其計量準確性會略有變化。

二十世紀六十年代至八十年代,模擬電子技術、數字電子技術相繼出現、快速發展并推廣應用,不僅帶動了幾乎所有電器設備、裝置及測量儀器儀表制造技術的進步和更新換代,包括能耗降低、準確度提升、小型化、操作方便,還極大地推動了工業生產制造、工序執行、過程控制的自動化及效率提高,并對供電電源提出了交流變直流、交流頻率和輸出幅值及相位可調等多樣化需求。在這一進程中,電能表也完成了由感應式向電子式、數字化的轉變。但與此同時,電能表又必須面對電力負荷側出現的整流逆變、電子開關、穩壓限幅、調頻移相、無功補償、電容投切等會致使電網電壓、電流,尤其是電流出現偏離理想正弦波的問題,即也稱用電負荷呈現出復雜多變的非線性特征,表現為會引發電網電壓、電流出現動態變化即過渡過程,以及過渡過程消失之后趨于穩定的周期非正弦狀態。

針對上述變化,鑒于電能計量是按時間累計電能量的過程,在可認為過渡過程在計量電能量總時長中占比很小的前提下,從簡單入手,人們常假定供電系統的運行基本都處于穩態,于是,通常僅針對供電系統達到穩態的情況來考慮如何計量電能。如此,非線性負荷條件下,對電網中任意支路、單元、器件上電壓、電流構建的數學模型,便均具有周期非正弦的特征,其相互間的區別,就在于表示成多個不同頻率正弦量組合形式后,各頻率成分的幅值、初相角,以及含有哪些頻率成分不同罷了。含有非線性負荷條件下,典型的電網電壓、電流中,工頻成分占比很大;而其他頻率成分中,主要是頻率為工頻頻率奇數倍的成分,且幅值一般是三次諧波成分的最大,呈諧波次數越高、相應頻率成分的幅值越小;而工頻頻率偶數倍的諧波成分通常極小,往往被忽略不計。與之相應地,就出現了不僅計量基波電能,同時還可以計量更高頻率成分即諧波電能的電能表。

最初,非線性負荷的特征相對簡單時,諧波電能在總電能中的占比較小。因此,便有人提出僅計量基波電能的實施方案。于是就出現了在計量電能之前,先對形成電能的電壓、電流進行低通濾波處理,即先濾除掉基波以外的其他頻率成分后,再進行電能計量。早期的數字化電能表,尤其是計量居民用電或一般工商業用電戶耗用電能量的數字化電能表,大多就是采用這種原理制成的。

另一方面,最初采用的既計量基波電能也計量高次諧波電能的算法,是基于快速傅里葉變換的電能計量算法,因為對周期非正弦電網電壓、電流信號進行傅里葉變換后,就可很方便地實現對基波電能和各高次諧波電能的分別計量,或稱測算。

現階段,我國普遍實行的電能計量方法可分為全(波)電能計量和頻域電能計量(包括基波電能計量和諧波電能計量)方法。早期的電子式電能表采用最簡單的時域點積和電能計量算法,實現的是對全電能的計量。而隨著非線性負荷的不斷增多,造成電網電壓、電流中出現大量高次諧波成分。根據對電網電壓、電流相位關系的分析,諧波源即有些非線性荷,會向電網注入諧波電流,其方向與基波電流方向相反,所產生的諧波有功功率會抵消部分基波有功功率;而不產生諧波的線性負荷用電戶,會受到諧波的危害,在其上,諧波電流的方向會與基波電流的方向相同,故按全電能計量算法得到的有功功率會多于基波有功功率[1]。如此,全電能計量方式下,諧波源即非線性負荷產生諧波、污染電網的同時,它所計量到的有功電能反而要比它實際消耗的電能少,即會少計電費;而線性負荷用電戶不僅受到諧波的污染,卻還要多交電費。

為規避全電能計量方法存在的不合理性,又發展出了頻域電能計量方法,即,先設法將電網電壓、電流的基波和諧波參數測量準確,之后,再依據IEEE 1459標準中的相關定義去測算基波和各整數次諧波的電能[2]。目前,先進的智能電能表和電能計量中心主站,均已能分開實施基波電能和諧波電能的計量,進而分別進行計費。

近幾年,我國新能源發電發展迅猛,風力和光伏發電量快速增長,且預計到2050年,我國風力和光伏發電將占到總發電量的約64%[3]。但風力和光伏發電有別于燃煤、水力及核能等發電,具有明顯的隨機性、波動性和間歇性特征。伴隨著越來越大規模風力和光伏發電并網,以及越來越多電力電子化電器設備的使用,電網電壓、電流中除出現大量高次諧波外,還產生有越來越多的間諧波成分[1-3],即頻率與基波頻率之比不是整數的諧波成分。除與諧波一樣會導致電器設備或儀器過熱、使用壽命縮短等典型問題外,間諧波還會在電網中引發次同步振蕩或間歇性次同步振蕩、電壓波動和光閃爍,等等,造成電壓、電流失真嚴重,使電壓、電流測量和電能計量的準確性下降,進而降低控制和保護的性能。而這對于大型工業負荷以及對供電電能質量要求較高的數據中心、控制指揮中心等負荷耗用電能量的計量而言,就是需要給予高度關注并設法足夠準確計及的[2]。

間諧波的出現,對現有的功率理論提出挑戰。目前受到較廣泛認可的功率理論是IEEE工作組2010年頒布的IEEE 1459標準。該標準確立的是定義在頻域上的功率理論,所基于的前提假設,是在測量區間內,電網電壓、電流信號可被認為是穩態的周期信號;且規定采樣時間長度是被測電網電壓、電流信號的整數倍周期。依據IEEE 1459標準發展出的許多具體諧波功率及電能測算方法,均是先設法將電網電壓、電流信號的基波和諧波參數測準,再利用相關定義去測算各功率(電能)量值。然而,實際電網電壓、電流中存在的間諧波成分的頻率或周期是無法預先知道的[2-3]。而商品化的數字功率計和數字化電能表在設計上,一般都采取固定的采樣頻率和采樣點數對被測電壓、電流進行采樣,如此,就難以確保對電網電壓、電流信號中的間諧波成分做到整周期采樣。結果,按照IEEE 1459標準中確定的功率分解定義實施測算,就可能出現偏差,其與通用的有功電能、有功功率和有效值的定義均無法完全對應。即,利用現有功率理論的定義和數學模型,在對電壓、電流中含有間諧波的電網的電能傳輸和計量特性進行闡述時,已無法給出嚴謹、合理的解釋。

再有,人們對間諧波問題的關注,也隨著認識的逐漸深入而不斷進步。最初,人們將總電能看成是由基波電能和整數次諧波電能所構成,后來增加計及間諧波電能,即認為總電能是由基波電壓與基波電流構成的基波電能、同頻率的整數次諧波電壓與整數次諧波電流形成的諧波電能,以及同頻率的間諧波電壓與間諧波電流形成的間諧波電能所組成,簡稱包含基波+諧波+間諧波電能等共三類電能。但實際中,在電能計量和測算方法實現上,從采樣環節就暴露出問題,因為供電系統工頻電壓的實際頻率,因受到負荷隨機變化等多方面因素影響存在波動,有些情況下該波動很小,但在有些場合條件下還不太小,于是,按理想工頻50 Hz設計的對電網電壓、電流信號進行整周期采樣并實現電能計量的軟件算法,在實際實現中存在測算偏差[4-5];且對間諧波電壓、電流成分的數字化提取,原本就做不到整周期采樣[2-3]。因此實際情況是,除上述三類電能外,至少還存在如下4種電能成分,即：1)由基波電壓或電流與整數次諧波電流或電壓形成的電能;2)由基波電壓或電流與間諧波電流或電壓形成的電能;3)由諧波電壓或電流與間諧波電流或電壓形成的電能;4)由不同頻率的間諧波電壓與間諧波電流形成的電能。有學者根據更深入的理論研究和分析,把由不同頻率的間諧波電壓與間諧波電流形成的電能成分劃歸到前述的間諧波分電能中,并將另外3種電能成分,即基波與整數次諧波、基波與間諧波、諧波與間諧波等形成的電能成分歸入另一類,稱其為“其他電能”。于是,總電能就細化為由基波電能+諧波電能+間諧波電能+其他電能等四類分電能所組成。

而對單、三相標準電能表或單、三相智能電能表檢定裝置而言,對它們的需求與對一般民用電能表或計量一般工商業用電戶耗電量的單、三相電能表就很不一樣,不僅是其測量準確度至少要高出兩個等級,而且對其具體性能的要求,也一直隨著應用需求和技術進步的變化在不斷提高。例如,之前的標準電能表和電能表檢定裝置(包括標準功率信號源)具有檢定基波-21次諧波的能力,而最新版的國家標準規定,標準電能表和電能表檢定裝置就應具有檢定基波-41次諧波成分的能力;可準確檢定構成電能的最小電流量程要下探到0.3 mA;應兼容支持全電能計量和諧波電能計量方式;除基本功能的試驗測試外,要增加諧波影響量的測試,以及方波、尖頂波、脈沖群觸發波、高次諧波掃頻、諧波電能計量、動態負荷電流快速改變等檢定及試驗測試;且計量準確度要達到0.05級甚至0.02級。

綜上可見,如果從理論研究、數學建模、更精準計量電能角度出發,旨在將總電能到底是由哪些具體分電能組成的,它們各自在總電能中占比具體有多大,各自對電能計量、供電電能質量的影響程度到底如何等進行周密分辨和測算的話,所構建的電能計量測算模型相對于僅測算基波電能而言,無疑就要復雜很多[4-5]。不同的用電負荷,對供電電能質量的要求有所差異。而按用電戶對供電電能質量的需求(低功率因數下,或平均功率或瞬態功率因數下計量電能;普遍增加單獨計量諧波電能功能;應單獨計及間諧波電能;要響應動態變化,等等)去研發相應的電能表,只要管理跟進、愿做出變化,這是完全可以做到的。而用于計量居民或一般工商業用戶耗用電能的電能表,若仍維持其準確度為1級或2級不變的話,那就仍可采用比較簡化的電能測算模型[4,6-7]。結論很明確,也就是本節的命題,即一般性、特殊場景以及標準性電能計量所關注的問題存在明顯差異,甚至是截然不同的;而對電能表的研發和生產,在電能計量理論和方法研究豐富成果的支撐下[6-7],完全可以為更好地滿足不同應用需求而更新和變化。

1 新需求呼喚基于大數據構建電能表檢驗新方法

電能表是國家實施強制管理的計量器具。按已有法規,各電壓等級電網裝設的電能計量裝置(包括電能表),都要按規定的檢定周期對其進行校驗,例如對10 kV電壓等級的高壓電能計量裝置,每兩年要到現場校驗一次;而民用2.0級單相電能表的檢定周期一般不超過8年。對使用量巨大的民用電能表,由于從運行現場拆回、實驗室檢定、配送、再赴現場安裝等的工作量非常大,故實際中實行的是“強制檢定、限期使用、到期輪換”,即到期后,舊表就直接拆下報廢而更換新表。但該做法存在明顯缺陷,一方面,對檢定周期當中計量性能變差或出現故障的電能表缺乏有效監管;另一方面,隨著電能表生產制造水平不斷提升,很高比例的智能電能表在線運行雖已到限期,但仍計量準確、運行正常,若實行上述做法將它們統統淘汰,不僅造成資源浪費,還會產生大量電子垃圾[8]。

針對于此,2014年起,由浙江省電力公司牽頭,在多個省級電網公司啟動了智能電能表狀態檢驗試點工作,即通過對計量生產調度平臺積累的智能電能表質量數據信息以及用電信息采集系統在線獲取的電能表運行大數據進行仔細甄別、特征提取和多屬性深度挖掘[8-9],并結合電能計量相對誤差加權平均優化、有效消除隨機誤差影響,以及借助智能電能表故障檢測裝置、移動故障診斷工具等,構建了智能電能表計量性能異常遠程診斷模型,建設了智能電能表運行誤差監測平臺[10],實現了智能電能表計量性能、超差、超量程、時鐘錯、綜合倍率錯、接線錯、疑似竊電等異常的遠程在線監測和診斷,建立了智能電能表故障數據庫,形成了整表、分故障模式、多應力影響等若干種在運智能電能表剩余壽命預判模型及算法,完成了對智能電能表計量性能和運行狀態的遠程測算和評估,彌補和完善了在運智能電能表計量準確性和使用壽命監管能力,實現了故障統計分析、預警和對成批次在運電能表剩余壽命的科學合理預測。經權威計量機構試驗驗證,上述智能電能表狀態檢驗研究成果的遠程校準誤差與實際誤差的不確定度小于2%,滿足工程應用需求,在超差閾值3%條件下能做到無漏檢,有效降低了在運智能電能表故障風險和運維成本,為確定批次智能電能表延期更換形成了新型檢驗方法。而且,通過在線精準定位計量失準的智能電能表,能及時發現其計量異常,配合以及時處置更換,不僅可降低異常智能電能表所在臺區線損,還可結合現場核查去精準遏制違法竊電行為,切實提升臺區能耗精細化管理水平。

目前在浙江省,智能電能表狀態評價工作已常態化開展,已經對全省近2 900萬只單相、三相在運智能電能表實施了有效監測。他們的大量試驗研究結果證明了,有相當高比例的到期限智能電能表的計量和運行性能仍很正常,完全可以延期使用。在四川省,也已采用大數據分析與傳統校驗方法相結合方式,實現對智能電能表的在線監測與失準更換,近兩年已延期使用智能電能表133.67萬只。而若延期2年后,其中較高比例的智能電能表仍計量準確、運行狀態良好,即還可繼續使用的話,那將產生十分可觀的經濟和社會效益。

依據浙江以及其他多個省市基于遠程在線監測與大數據分析開展智能電能表狀態評價與更換研究工作取得的成功經驗,國家市場監管總局2020年第42號公告明確提出,對民用智能電能表,可在安裝前首次強制檢定、到期輪換基礎上,通過采用“互聯網+數據監測”與監督抽檢相結合方式,并配之以完善的監管機制和制度,積極穩妥地推進依據狀態更換或延期使用。以國家市場監管總局上述公告為指導原則,目前全國已有27個省級電力公司開展電能表狀態評價與更換試點工作。

運用在線監測、大數據分析等方法對智能電能表的計量性能和運行狀態進行評價,實現對智能電能表由定期現場檢驗向遠程在線實時監測及診斷轉變,從而科學合理地確定在運智能電能表的計量性能和使用壽命,實行按狀態更換或延期使用,在確保電能計量準確合理基礎上,切實減少資源浪費[10]。不難預測,基于遠程在線監測與大數據分析的智能電能表狀態評價與更換工作的全面實施,不僅是電能表現場校驗方法的革新,還會產生巨大的經濟效益和社會效益。

實際上,智能電能表的設計、制造技術已十分成熟[7],在運智能電能表的運行穩定性和準確性都是不錯的,如此,規模、數量龐大的在運智能電能表計量準確度的平均值,也應該具有十分穩定的特征,即它與實物標準電能表的準確度指標之間,可能存在偏差,而該偏差既可能很小,也可已經測量、比較得到,相當于一個系統誤差,且還足夠穩定。鑒于此,在基于大數據對在運電能表的計量性能實施現場校驗方面,就可以將規模、數量龐大的在運智能電能表計量準確度的平均值,當作一個虛擬的電能計量標準來使用。而且,如此的概念和構想,也可推廣拓展到對其他電能計量設備,如電壓互感器(PT、CVT)、電流互感器,以及充電樁電能計量功能單元等的現場校驗當中去。

2 動態電能計量不是新問題但面臨新挑戰

近兩年,有些電網企業和所屬科研單位,啟動了不少有關動態電能計量關鍵技術研究或設備研發的課題,開展了相關研究。而翻閱他們撰寫的中期報告或結題報告等注意到,所提出的用于計量動態電能的電壓、電流數學模型,竟僅僅是周期非正弦的表達式,即其中所有不同頻率成分的頻率、幅值及初相角等都不是隨時間變化的;所研發出的服務于動態電能計量的標準功率源,也僅僅是帶功率輸出并只能提供若干種典型周期非正弦波形的信號源;而為驗證所開發的動態電能計量用現場錄波儀器性能而安排的諧波試驗項目,仍都是依據穩態試驗項目內容及其參數指標、檔位等設立的,即竟然是要在施加含有高次諧波的穩態電壓、電流條件下,去進行對測量儀器或裝置動態性能的測試。很顯然,按照如此思路完成的課題成果中所形成或利用的電能計量算法,只可能是穩態電能計量算法。產生這些問題的原因,可能是截至目前還沒有動態電能計量特性測試的標準和規范;再者,仍有人將正弦穩態變化、周期非正弦穩態變化誤認為就是動態變化,并且缺乏對動態負荷特性、動態電能計量方法、動態特性測試方法及其研究進展的了解和認識。

其實,電網中電壓、電流及功率的動態變化,即電網從一個穩定狀態變化到另一個穩定狀態之間的過渡過程,自有電網以來就一直存在。這種動態的變化,最早主要是由電力負荷按需求執行動作、做出改變等引發的,就像前邊曾提到的,電力負荷側的整流逆變、開關動作、穩壓限幅、調頻移相、無功補償、電容投切,等等,均會使電網電壓、電流,尤其是電流偏離理想正弦波,會引發動態變化即過渡過程。最初,非線性負荷占比較少,其非線性特性相對簡單,且使電網電壓、電流出現動態變化的時間占比也較低,故當初人們曾做簡化,假定電網運行基本處于穩態,便僅對穩態計量電能。如此,對含有非線性動態負荷電網的電壓、電流構建模型,就簡化為僅具有周期非正弦的特征;且對準確度要求不高的,就濾除高次諧波、僅計量基波電能;而對需求稍高的,則不僅計量基波電能,還增加計量諧波電能。

但隨著更精準控制、更快速操作、更大量自動檢驗、更智能靈活決策等在幾乎所有工業生產制造領域的實施,以及越來越多的高比例新能源發電并網,致使現行電網中發生的動態變化,已遠比上述可做簡化處理的情況要復雜得多,已鮮明地表現出具有大波動、快時變、強隨機且持續不斷的特征[2-3,5]。稍加具體分析,是因為構成電力負荷的元器件種類日益多樣,大功率動態負荷以及具有強非線性端口特性的電力電子器件占比越來越高,結果致使不僅有開關開斷造成電網拓撲結構變化,或理想電源的投切,或電力負荷參數的突變,或大功率動態負荷快速、隨機、突然吸收或釋放功率,而且供電電源也本征地表現出波動性(電動汽車快速充電)、隨機性變化(風力和太陽能發電)等[11-13]。而可再生能源發電輸出功率的波動,就會導致電源電壓產生波動,進而致使網端電壓出現波動。發生在電網中越來越復雜、時長占比越來越高的快速動態變化、隨機波動以及突升和突降等,無疑會致使電能表計量電能的動態誤差增大甚至嚴重超差,導致電能計量不準確[2-3]。在這方面,文獻[14]開展了大量的試驗研究,2013年,對國內3家電能表廠商生產的三相四線電能表,在功率因數為1.0條件下,分別進行了多個典型的動態誤差測試試驗,結果發現,僅有一家的被試電能表的動態測量誤差未超標,而另兩家的被試電能表的動態測量誤差甚至高達30.81%。2016年,文獻[15]又選取國內外3個廠家生產的三相四線電能表,在不同功率因數、單向和雙向功率條件下進行了動態誤差測試試驗,結果發現,單向功率動態負荷模式下,國外廠家生產的被試電能表的動態誤差處在其標稱誤差0.2%范圍內,而國產的2種電能表則對不同測試模態表現出0～75%的較大誤差波動,遠超出了其標稱的誤差范圍;而在雙向功率動態負荷模式下,國外產電能表和一款國內產電能表的動態誤差均在其標稱誤差0.2%范圍內,而另一款國內廠家生產的電能表的動態誤差則已明顯超出其標稱的誤差范圍。

其實,對動態電能計量問題的研究,國內外已開展多年,并已取得了較多理論研究成果[2-3,11-16]。在國內,有代表性的一種研究思路,就是對典型大功率動態負荷的沖擊和隨機波動等特性基于統計分析進行建模,進而找出其影響電能計量準確性的內在特征[14-16]。另一種更常見、追求實時測算動態電能的研究思路,則是通過分析動態電壓、電流信號的時-頻域特性,并設法規避或有效削弱數字化采樣和有限時長計算帶來的誤差,直接構建頻域或時-頻域動態電能計量算法[2-3];而且在諧波測量算法動態性能測試方面,IEEE和IEC均已確立有諧波電壓電流幅值存在階躍變化、幅值和相位存在低頻調制變化、頻率存在斜坡變化等的測試規范[4],將它們用于動態電能計量測算方法性能的測試與評估是合理可行的。

現行電網電壓、電流及功率具有大波動、快時變、強隨機并且持續不斷的復雜特性,可絕非是僅以周期非正弦模型就能準確刻畫和本質表征的[2-3,14]。對該問題的研究和探索,從物理機理、計量模型、軟件算法、標準源和標準儀表、現場錄波儀器,到試驗測試方法及校驗裝置,等等,還有很多工作要做,是近年來電能計量技術研究領域面臨的挑戰之一。

3 應該將超諧波電能計量提上日程

超諧波是一個較新的研究方向,對它的關注,主要是因為近年來,電力負荷的電力電子化進程不斷加快,越來越多電力負荷的用電特性呈現出斷崖式跳變、尖峰脈沖不斷、弱慣性啟停、持續單調上升或下降、隨機波動等多樣化非線性動態變化的特征。由IGBT、IGCT等電力電子器件制成的新型電器設備向電網注入或發射的2 kHz～150 kHz頻率范圍的高次諧波成分,就被稱為超諧波[17]。超諧波在供電系統引發新的電磁干擾問題,正受到電氣工程領域多個國際組織和一線工程技術人員越來越多的關注。歐洲多國以及我國的試驗研究發現,超諧波干擾會造成有些電器設備運行出現異常甚至損毀;使電力線通信受到干擾甚至中斷;在它作為激勵源所在的電氣回路或鄰近電氣回路中引發諧振;致使某些電器設備出現非人為控制的起停,等等,如此,必然會致使硬軟件均未做出相應調整的電能表的電能計量準確性明顯降低[18]。

國外一些專家學者,以及相關國際組織針對超諧波已開展了不少研究工作。如德國和瑞典等國多家科研機構以及大學,對電網信號中超諧波的傳播特性、作用機理等,通過物理試驗和建模仿真開展了相關研究;一些國際會議,如國際供電會議CIRED等,也針對超諧波專門設置并舉辦了專題學術論壇;歐洲電工標準化委員會CENELEC已發布了有關超諧波引發電磁干擾問題的研究報告《Study report on electromagnetic interference between electrical equipment/systems in the frequency range below 150 kHz》;國際電工委員會IEC、電氣電子工程師學會IEEE等國際標準化組織,也已針對超諧波成立了專門工作組,啟動研究并制定超諧波的發射限制、兼容水平、抗擾度以及測試方法等相關國際標準。特別是IEC國際電工委員會委托英國國家物理實驗室NPL牽頭,正在就多國學者研究提出的不同超諧波測算方法的適用性能等進行仿真驗證,旨在為修訂IEC 61000-4-30標準提供更為科學有效的超諧波測算方法參考[17-20]。

國內針對超諧波問題也開展了一些研究工作,并已取得了可喜成果。在國內,《電網諧波問題的新發展—談超級諧波》的研究報告最早提到了超諧波。隨后,文獻[20-21]也針對超諧波問題發表了綜述性文章,并通過開展博士學位論文課題研究,提出了多種高分辨率超諧波測算方法,研究成果發表在國際期刊和國際會議上,并應邀參加了英國國家物理實驗室NPL組織的超諧波標準測算方法國際對比實驗測試。近期,國內又有天津大學等高校研究超諧波問題的最新文章發表,體現著我國在超諧波領域的理論研究和測算方法建立等工作的不斷深入。

而隨著電力電子化電器設備,如光伏逆變器、無線充電、電動汽車充電樁的普及和推廣應用,以及更多分布式新能源發電并入電網等,由超諧波引發的高頻電磁干擾、電能表計量失準降等問題無疑將更加嚴重。針對于此,就要求人們給予關注和加強研究,深入探索并回答超高次諧波干擾下,應該怎樣計量相應的電能消耗才更科學合理。即在電能計量上,在怎樣的準確度要求下,可以考慮不計及超諧波的影響;而在怎樣的供電質量需求下,必須設法借助實時補償等抑制措施和采用新的測算方法,才能保證電能計量裝置能足夠準確地測算用戶消耗的電能。

4 不宜將電能計量裝置與電能表簡單劃等號

對電能計量裝置,不能簡單地理解為就是一塊電能表;而且對電能表,也不宜隨便將其表述為電能計量裝置。但令人遺憾的是,現在在一些文章、項目結題報告、中期檢查報告、技術研究報告的正文或匯報用PPT中,會經常見到將這兩個詞亂用、混用的情況,例如,原本就是一個有關民用單相智能電能表技術研發的報告,其中卻不時地將單相智能電能表一詞用電能計量裝置一詞來替代。實際中,視所處供電系統中具體位置的不同,電能計量裝置所包含的傳統意義上的電器設備和儀表是不同的,比如在高壓電能計量點處安裝的電能計量裝置,不僅有電能表,還必須要有負責將高電壓、大電流變換成電能表能夠接受的低電壓、小電流的電壓互感器和電流互感器。在數字化變電站,為獲得全站內同步的電壓、電流數據,以為電能計量、控制、保護及狀態監測等功能的實現提供基礎,在電子式互感器與二次設備之間,還要裝設合并單元,即在數字化變電站內,合并單元也是電能計量裝置不可或缺的組成部分。近些年出現且在有些地方已有使用的高壓電能表,其實質,不是省去電壓互感器和電流互感器,而是通過采用新的設計和技術實現方式,已將傳統意義上分立的電壓互感器、電流互感器與電能表集成制造為一體式的。而通常在電力負荷跟前裝設的電能計量裝置,比如在居民用戶處,在工廠企業的車間和辦公樓內等場所,由于供電電壓已由變壓器降低至三相的380V和單相的220V,故用于計量這些場合耗用電能量的電能計量裝置,就只有電能表。

5 測量準確度不同于測量精度

盡管好像誰都不會將表征包括功率表、電能表等各種電工儀器儀表測量或計量性能的準確度(等)級的表示法用錯,但很多人在寫文章,在做報告、匯報工作時,不僅口頭上,而且在紙質版的材料或PPT上,還總是將“測量準確度”寫成或說成是“測量精度”,或者是將這兩個術語混用,即反映出,不少人可能主觀上認為,這兩個術語的物理含義是相同的。但顯然,這種認識和理解是不對的。

其實,在測量理論中,“測量準確度”與“測量精度”是兩個不同的概念。“測量準確度”,是指被測對象的測得值與其真值(實際值)之間的接近程度。而“測量精度”也稱“測量精密度”,則是指在測量條件不變的情況下,以一種測量方法獲得的一個被測對象的多次測量結果量值之間相互接近的程度。即,“測量準確度”對應于對被測對象的僅一次測量,而 “測量精度”,則對應著對同一被測對象的多次測量。可以通過如下闡述系統誤差、隨機(偶然)誤差與疏失(粗大)誤差的圖例,來認識并體會“測量準確度”與“測量精度”(測量精密度)的本質區別。圖1展示出三個打過的靶子,未擊中靶心的情況可當作有誤差看待;彈落點到靶心的距離,便代表誤差的大小。圖1(a)所示,多個彈落點都密集在靶心及其附近(除左下角和右上角的共3個彈落點外),但每一顆子彈落在這個區域的哪一點是隨機的、無規律的,這意味著只存在隨機誤差而無系統誤差。而靶子左下角和右上角那3個明顯遠離靶心的彈落點,則代表著存在疏失誤差。在圖1(b)所示靶子上,多個彈落點都密集地落在偏離靶心的某處,這表明存在明顯的系統誤差;當然,同時還存在隨機誤差。而從“測量準確度”與“測量精度”來衡量,圖1(a)所示靶子左下角和右上角那3個彈落點,意味著測量準確度和測量精度都不高;圖1(b)說明,測量精度雖然高,但測量準確度不高;而圖1(c)所示靶子則表明,測量準確度較高,而測量精度不高。而若將圖1(a)靶子左下角和右上角那3個明顯遠離靶心的彈落點去除不予考慮,就表明不僅測量準確度高,測量精度也高,這種情況也稱測量精確度高。

圖1 誤差類別、精度、準確度和精確度等概念的圖示解釋

在從事計量科學研究或計量檢定實際工作中,往往采取多次重復測量的做法。而一般性測量,包括電能計量、功率測量、電壓和電流測量等,實際實施的大多是一次性測量。因此對一般電工測量、電能計量質量的評價,就應該用“測量準確度”來表征和闡述,而不應該使用術語“測量精度”或“測量精密度”。

6 結束語

文章依據從事電能計量相關問題研究過程中,由所遇問題、所見文章和研究報告等引發的思考,就不同需求、場景下電能計量所關注問題會截然不同,現實需求呼喚基于大數據構建電能表檢驗新方法;動態電能計量研究面臨新挑戰;應該關注超諧波電能計量;不宜將電能計量裝置與電能表簡單劃等號;測量準確度不同于測量精度等問題,基于求證和較全面的分析,闡述了自己的觀點和認識,希望能對相關研究工作的更深入開展,以及更清楚理解相關測量方法及概念起到積極作用。