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三相多功能表现状及未来发展方向
      2003年以来,也就是中国的城市和农村电网进行大规模改造、建设之后,电力系统对三相多功能表的需求量迅速增长, 2004年产量估计约70万台,以不足全国电能表总产量1%的份额,创造11%的电能表总产值。由此,国际、国内电表企业纷纷看好商机,抓紧新技术开发,不断推出三相多功能表的新产品,以满足电能表市场的应用需求。
      与传统的机械表相比,采用电子计量原理的三相多功能表,具有高精度、多参数测量、谐波功率电能计量等优势。从总体评价,三相多功能表还是稳态电力负荷计量产品,由于其应用领域扩大,电力系统对电表不断提出新的技术要求。现有的三相多功能表性能和品质,都不能完全适应电力系统的需求。因此,如何正确把握产品技术发展趋势,改进产品设计,将三相多功能表技术水准推向一个新的高度,无疑是电表行业和电力系统共同关注的课题。

一、引进的三相多功能电能表新技术

      引进的三相多功能表新技术,代表目前国际上电能表技术的最高水平:
1、高精度、长寿命计量
      准确度为0.1%的有功电能计量,超过IEC在线计量的最高准确度要求,其误差曲线的带宽为 /-0.05%;
      0.2 S级三相基波表,具有分相的2—50次谐波有功功率计量;
      0.2S级长寿命的电网关口表,具有电能质量计量模块。

2、高速率、实时测量
      交流采样速率为256点/周波,记录周期最短为10毫秒;
      电能质量计量:63次谐波、电压闪变、故障录波78微秒的瞬变,供电可靠性指标的记录为99.9999999%。

3、开放式、高速率通信技术应用
      开放式通信协议IEC62056-61/62/53/46/42,抄表、费率、负荷控制数据交换;
      互联网通信,自动发送E-mail报警信号、系统运行状态刷新、数据记录,通过以太网连接到某些国际知名的电量计费系统的关口表,Web服务器可直接读取电表各种实际数据、电能质量参数,无需任何专用软件。

4、三相电能计量专用芯片
      采用低频滤波法计量谐波无功功率的三相计量芯片,高位∑-△A/D,负荷动态范围1000:1,线性度0.1%,具有温度测量功能,片上接口可直接与微分电流互感器连接;
      精度优于0.1%的三相SOC单芯片,21位2阶∑-△A/D,32位可编程的电能量计算引擎,负荷动态范围2000 :1,片内集成:高速8051单片机、硬实时钟、LCD驱动电路、看门狗电路、定时器、多种存储器、多种通信接口等。

5、谐波功率电能计量标准
      在欧洲:三相0.01级标准表,具有谐波功率计量功能;建立起谐波有功功率、谐波视在功率的计量传递标准;
      在美国:电能表自动校准系统,在任意波形谐波总含量30%以下,计量准确度为 /-0.005%—0.05%;高精度三相标准表,在功率因数低于0.5(60—90),计量准确度为 /-0.02%/功率因数;电能功率标准源,提供七种非正弦信号的无功功率计算方法。
      需要指出:尽管IT产业新技术的应用,推动了进口电能表技术的快速发展,但是现在进口的在线电能表产品技术不规范,0.1级电能表、任意波形功率和电能计量、0—360计量等关注的问题正在探索,电能表误差稳定性、可靠性指标尚未量化,器件损坏、数据丢失、自检有误的情况时有发生,这些情况说明进口电能表技术走向成熟还有一个很长的过程。

二、国产三相多功能电能表新技术

      国产电子式三相多功能表技术开发起步较晚,近几年,注重吸收国际计量技术与管理经验,强化自主开发,取得了许多新的技术成果:

1、三相多功能表
      0.2S级有功功率计量,16位∑-△A/D,160M IPS的DSP,交流采样速率256点/周波,运行和备用两套费率时段,负荷曲线记录和容量为4M字节的存储器,宽电源电压范围,互感器合成误差补偿,变压器铜损、铁损计算;
      0.5S级三相基波有功表;
      采用三相SOC单芯片或三相有功、无功计量芯片的低端三相多功能表设计,从技术上适应电表量大、面广的市场需求;
      高压电能表,采用电子式传感器,悬浮式电源设计,有功电能计量准确度为0.5级,用于10千伏中压电网直接计量电能量。

2、谐波功率、电能计量
      三相谐波表,有功功率计量0.2S级,无功功率计量0.5S级,高准确度的基波和谐波有功电能计量,采用实时积分法计算总有功电能,通过FFT算法,提供基波、谐波电能量和谐波功率方向;
      冲击负荷电能计量理论与算法,应用广义功率理论,定义任意波形的单相电路和三相电路的功率,应用正弦电路功率理论、传统非正弦电路功率理论和广义功率理论进行冲击负荷的有功、无功、视在、畸变、三相不对称功率电能的计算;
      基于IIR型Hilbert数字滤波法的谐波无功功率的测量,Hilbert数字滤波器具有优越的频率响应特性,数值计算简单,经计算的谐波无功功率,与仿真实验结果只差0.02%;
      谐波有功功率潮流分析方法,经研究指出:FFT理论具有局限性,实际的电力负荷,除基波和整数倍频成份外,尚有间谐波存在,需要开发电能表新的算法。

3、三相电能计量专用芯片 
      具有基波/谐波电能计量的三相多功能计量芯片,16位∑-△A/D、24位DSP,负荷动态范围1000:1,线性度0.1%,测量带宽21次谐波,集成温度传感器;
      采用Hilbert数字滤波器计量谐波无功功率的三相计量芯片;
      采用数字并行算法和降低晶振频率技术的低功耗三相有功功率计量芯片。

4、基于GPRS通信网的用电需求侧管理系统及其终端
      该系统具有远程抄表、用电异常信息报警、电能质量检测、线损分析、无功电压管理和电力负荷控制管理等功能,系统指标为:并发数据量不小5万采集点,一次采通率不小于95%,二次采通率不小于99.5%,遥测合格率大于98%,对时精度小于100毫秒。

5、关口表远程校准系统
      该系统由多路关口表的测量、校准回路和计算机通信网络构成,就是将高精度三相标准表置于变电站内环境条件符合要求的场所,被测电流的变换是通过计量电流互感器的二次回路接入0.02级、5/0.5A的中间互感器,标准表和关口表的三相接线方式和有功、无功计量方式是通过工控机指令切换,关口表的实时误差通过专用信道送至系统主站,整个系统误差为0.1%。

6、电能质量和电能计量标准
      准确度为0.02%的数字式三相标准表,四象限测量,多种无功功率计量方式,谐波和基波有功功率计量,50次谐波分析,三相不对称测量;
      电力系统的正弦无功功率计量标准,它以电流比较仪技术为基础,通过基本电学参量溯源,正弦无功 功率计量的扩展不确定度为7510-6;
      电力系统的电能质量计量标准,包括:谐波电压、电流测量,谐波次数从直流和2—100次整数倍谐波,任意次间谐波,谐波电压扩展不确定度为0.02%,谐波电流扩展不确定度为0.04%;闪变,常用的指标是短时间闪变Pst(10min)和长时间闪变Plt(2h),该标准装置的扩展不确定度为0.5%;频率: 1Hz-21MHz,该装置扩展不确定度为210-10;相位,该标准装置扩展不确定度为0.02;
      产品技术规范,鉴于国际上尚未有三相多功能表的统一标准,中国电工仪器仪表标准化技术委员会组织起草国家标准《多功能电能表 特殊要求》,现正进入审定阶段。制定该标准的目的,是为制造商和使用电能的用户提供一个产品技术规范,并使其体现产品订货技术规范的大部分内容,多功能表的通用要求,将参照中国相关国家标准的的内容。
      综上所述,经过十几年的发展,中国的三相多功能表门类比较齐全,中、低端电表技术开发水平较高,特别是冲击负荷电能计量理论与算法、谐波无功功率计量、具有谐波功率计量的三相专用芯片、高压电能表、GPRS通信技术应用、电能远程校准等技术项目具有创新意义。但是也应该看到,高端电表技术没有完全过关,电网关口计量仍以进口电表为主导产品,这是一个值得深思的问题。

三、未来三相多功能电能表技术的走向

      正视现状,展望未来,需要超前预测电表应用领域和技术要求的不断变化,才能正确把握今后产品技术的走向。

      1、应用领域的拓展:近几年,中国的社会用电量迅速增长,全国联网,特高压电网建设,百万千瓦级发电机并网,家居网络化进程,电网经营管理改进和计量新技术应用等要素,推进电表应用领域的扩展,主要是:
      从用电计量计费扩大到配电变压器、变电站的经济管理和用电需求侧管理的计量;
      从用户计费扩大到发电厂上网电量、跨省电网联络线交换电量的计费;
      从315千伏安及以上的大工业用户计费扩大到100千伏安及以上的商业、非工业、普通工业户的计费,以上电表应用领域的扩大,引起计量点总量估计由60万个扩大到400万个,电表应用需求量前景看好。

      2、技术要求的更新:随着电表应用范围扩大,电力系统提出许多具有专业特点的计量要求
      传统计费电表的通用要求,有功、无功电能计量,最大需量计量,费率时段,单方向、双方向和不完整的四象限计量,多参数测量,多种计时要求,多种通信方式,自检、报警,停电抄表,失压、断相、停电、失流、三相不对称、编程预置、需量复位等事件记录;
      新提出的通用要求,运行和备用两套费率时段,0-360计量,具有时标的视在电能计量,最小需量计量,Qh计量,温度误差自动补偿,谐波电压、电流总含量和谐波污染程度测量,防窃电基础技术,同时,计费电表要准确可靠,功能简单、实用;
      关口表的特殊要求,最高准确度提高到0.1级,电表稳定性和可靠性指标要量化,低负荷计量,需量周期、费率时段的同步和主、副表实时比对,电表远程校准等;
      大工业户计量的特殊要求,谐波、冲击负荷计量,功率越限报警,主变压器损耗计量,互感器合成误差补偿,电能质量计量等;
      中等容量户计量的特殊要求,大电流计量,半波通过电流互感器计量,三相不平衡、不对称计量;
      变电站进线、出线计量的特殊要求,主变压器损耗计量,变电站的有功、无功、视在电能平衡计量,无功功率控制信号输出,用户线路的特殊要求,参照大工业户计量的特殊要求内容;
配电变压器计量的特殊要求,停电采集,三相不平衡、不对称测量,中性线电流测量,变压器油温测量,变压器损耗计量和有功、无功、视在电能平衡,电力线路损耗电量的核实, 等;
      用电需求侧管理系统终端的特殊要求,功率越限报警和主动上报,电力负荷开关投切信号输出等。
      同时,为整顿与抑制目前出现的对三相多功能表功能要求过多,技术条件出台无序的情况,建议电力系统按不同应用领域制订统一的技术规范。

      注:谐波污染程度,暂定义为:非基波视在功率/基波视在功率

3、产品技术的发展趋向
      三相多功能表技术要跟踪应用需求的不断变化,也就明示了今后产品技术的发展趋向:
      电表多门类:由单一的计费产品发展到关口计量、配电变压器计量、变电站计量、大工业户计量、中等容量户计量、用电需求侧管理系统及终端6类产品,分别制订产品技术规范;
      关口电能表,要发展高精度、高稳定性、高可靠性、快速测量、0-360计量、多通信方式和协议,经国际、国内同类电表的比较,提出量化指标和测试方法;
      计费用三相多功能表要计量准确、简单可靠、讲求实用,逐步发展三相SOC单芯片,开发具有谐波电压、电流总含量和谐波污染程度的测量技术,研究温度、电压、频率、相位改变的自适应计量;
      谐波有功、无功、视在功率电能计量实用化产品,改进谐波下的功率因数计算方法,推进电能质量市场建立与发展,也为提高冶炼企业、电气化铁路的计量准确度做准备;
      早期三相多功能表需要更新换代,要通过调查研究,提出新一代电表技术规范;
基于GPRS通信网的用电需求侧管理系统及终端,要改进实时性和安全性技术,从长远看,即使将来电力不紧张,用于配电变压器计量与抄表、居民用电远程抄表,其发展前景也很好;
      电力网损耗计量与防窃电基础技术,包括:电量具有时标,电量波动分析软件,电量异常报警与主动上报,变压器、电力线路损耗计量,电力系统节点、母线和电力线路的电量平衡计量;
      全国联网、省网的总电量计量、计算和电能量数据组网,要提到议事日程;
      加强国内电能质量和电能计量标准建设,包括:基波、谐波功率电能计量标准的建设,进口急需而国内缺门的国际新型计量标准设备,满足在线电表新产品计量溯源的要求;。

      最后是研究制订三相多功能表质量评价标准与测试方法,提高在电网上运行电表的整体技术品质。

                                                                        河北德普 研发中心

                                                                        2012年8月16日

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