淺論電子式多功能關(guān)口電能表性能評估方法初探

    論文摘要：針對目前國內(nèi)對關(guān)口電能表技術(shù)要求和測試方法上存在的不足，從關(guān)口電能計(jì)量的特殊性出發(fā)，提出了關(guān)口電能表性能要求綱要，在廣泛收集IEC標(biāo)準(zhǔn)、進(jìn)口電能表技術(shù)指標(biāo)以及現(xiàn)場常見運(yùn)行問題的基礎(chǔ)上提出了關(guān)口電能表性能評估方法。該方法的提出對于鑒別多功能電能表性能質(zhì)量差異具有一定的參考價(jià)值。

    論文關(guān)鍵詞：關(guān)口；多功能電能表；性能評估

　　0引言
　　自二十世紀(jì)九十年代起，進(jìn)口0．2S級(jí)式多功能電能表主導(dǎo)電網(wǎng)關(guān)口高端計(jì)量，而高端電能表巨大的價(jià)格差異使公司在電能表選型、采購方面面臨重大難題。如何有效鑒別高端電能表質(zhì)量差異、把握選型尺度、建立公平的電能表選型機(jī)制，讓國產(chǎn)高端電能表進(jìn)入關(guān)口計(jì)量主導(dǎo)地位，是電網(wǎng)計(jì)量應(yīng)用部門和電表行業(yè)的一個(gè)期望。
　　關(guān)口電能計(jì)量具有電量大、負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化范圍寬、相位改變頻繁、電磁干擾嚴(yán)酷和可靠性要求高等特點(diǎn)。鑒于關(guān)口計(jì)量的特殊性，并不是所有的0．2S級(jí)多功能電能表都可用作關(guān)口計(jì)量，在國際上，關(guān)口電能表稱為GT&D表(Generation Transmission& Distribution Application)而業(yè)用戶計(jì)費(fèi)的多功能電能表稱為C&I表(Commercial & Industrial Application)。
　　目前，關(guān)口多功能表缺乏統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)提出的多功能電能表特殊要求又具有局限性，高端多功能電能表的性能質(zhì)量差異如何鑒別，是當(dāng)前電力公司需迫切解決的問題。
　　從2007年起，國家電網(wǎng)公司電能計(jì)量器具性能評估實(shí)驗(yàn)室(以下簡稱實(shí)驗(yàn)室)開展了電網(wǎng)關(guān)口電能表性能評估方法研究，在儀表型式試驗(yàn)方法和法定計(jì)量檢定規(guī)程的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)論證、推出關(guān)口電能表性能要求，從多方位的視角，引入電能表?xiàng)l件改變和算法解析等新技術(shù)，探索關(guān)口電能表性能評估方法，以期建立起安全、合理、公正的關(guān)口電能表選型機(jī)制和國產(chǎn)高品質(zhì)關(guān)口電能表設(shè)計(jì)開發(fā)測試平臺(tái)。
　　本文將概要敘述關(guān)口電能表性能要求、性能評估方法、介紹部分儀表準(zhǔn)確度評估實(shí)例的初步測試結(jié)果。
　
　　1關(guān)口電能表性能要求
　　從廣義上講，儀表“性能”是產(chǎn)品質(zhì)量特性的重要組成部分，是指儀表本身具有滿足明確或隱含需要的能力特征和特性的總和。
　　關(guān)口電能表l生能要求按其由來分為兩類：
　　第一類，基本性能要求：由IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法制計(jì)量檢定規(guī)程提出的性能要求。
　　此類要求在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中均有詳述，本文不再重復(fù)。
　　第二類，特殊性能要求：采用最新、最嚴(yán)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由進(jìn)口0．2S級(jí)關(guān)口電能表技術(shù)條件中，提煉出高于儀表參考標(biāo)準(zhǔn)或這些參考標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定的性能要求；由電網(wǎng)對關(guān)口計(jì)量的需求和電力負(fù)荷、運(yùn)行改變提出的性能要求；經(jīng)剖析國產(chǎn)0．2s級(jí)多功能表運(yùn)行質(zhì)量問題，需改進(jìn)、擴(kuò)展的型式試驗(yàn)的性能要求。
　　1．1特殊性能要求(第一部分)
　　表示關(guān)口電能表適應(yīng)關(guān)口計(jì)量的特殊性，需要具備的高水準(zhǔn)：
　　(1)功率計(jì)量具有高準(zhǔn)確度
　　有功計(jì)量0．2S級(jí)，實(shí)際控制誤差±0．1％，主表與副表誤差最大相差4-0．05％；
　　無功計(jì)量0．5S級(jí)，實(shí)際控制誤差±0．2％；
　　視在計(jì)量1．0S級(jí)，實(shí)際控制誤差4-0．2％。
　　(2)有功／無功計(jì)量誤差曲線平坦且分布合理
　　負(fù)荷電流范圍0．0021～．1mn(即動(dòng)態(tài)范圍1：2000)；計(jì)量線性度誤差為儀表準(zhǔn)確度等級(jí)的1／10。
　　(3)0 ~360度范圍內(nèi)有功／無功計(jì)量準(zhǔn)確，增加臨界相位角計(jì)量準(zhǔn)確度考核：
　　有功計(jì)量904±0．5。、2704±0．5�？己耍�
　　無功計(jì)量04±0．5。、180±0．5�？己恕�
　　(4)計(jì)量誤差的重復(fù)性、穩(wěn)定性
　　從預(yù)熱后到1h工作期間的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，從預(yù)熱后到工作8h、24h的計(jì)量誤差改變量考核。
　　(5)批量儀表之間的誤差最大相差±0.06％。
　　(6)無功計(jì)量原理要保證在實(shí)際諧波負(fù)荷下無功計(jì)量正確。
　　(7)整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的誤差改變量考核。
　　(8)由其它影響量引起的誤差改變極限，要比IEC等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求有較大幅度的壓縮；電磁兼容的試驗(yàn)等級(jí)，要比IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)提高；增加電磁干擾下的計(jì)量準(zhǔn)確度和工作穩(wěn)定性考核。
　　(9)耐受高、低差10倍及以上的沖擊負(fù)荷試驗(yàn)。
　　(10)儀表常數(shù)要保證0.01／a．連續(xù)工作期間的最大需量測量準(zhǔn)確。
　　(11)要求
　　具有多種通信方式，可以同時(shí)獨(dú)立工作；同一總線上的通信接口，工作狀態(tài)互不影響；支持國際、國內(nèi)常用通信協(xié)議。
　　(12)負(fù)荷曲線的存貯容量：以1分鐘為時(shí)間間隔，能存貯l5天以上的各類電能量及電參數(shù)數(shù)據(jù)。
　　(13)具有遠(yuǎn)程報(bào)警監(jiān)控功能。
　　1．2特殊性能要求(第二部分)
　　表示關(guān)口電能表適應(yīng)現(xiàn)代計(jì)量需求，需要具備的前沿計(jì)量功能：
　　(1)電能質(zhì)量監(jiān)測；
　　(2)諧波電能計(jì)量與諧波瞬時(shí)功率因數(shù)、諧波平均功率因數(shù)計(jì)算；
　　(3)動(dòng)態(tài)負(fù)荷下最大需量測量準(zhǔn)確；：
　　(4)具有電壓、頻率、相位、溫度改變的自校正能力；
　　(5)高速率、實(shí)時(shí)測量與記錄。

　　2關(guān)口電能表性能評估方法
　　關(guān)口電能表性能評估，是指采用現(xiàn)有參考標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)探索的測試方法，全面鑒別儀表性能的特征與差異。
　　與關(guān)口電能表性能要求分類相應(yīng)，儀表的性能評估項(xiàng)目也分為基本性能評估項(xiàng)目和特殊性能評估項(xiàng)目兩類。
　　2．1基本性能評估項(xiàng)目
　　主要采用IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和法制計(jì)量檢定規(guī)程提出的方法進(jìn)行測試，考核儀表性能(質(zhì)量)是否合格，其主要問題是不能全面、正確地反映關(guān)口電能表的特征和現(xiàn)代式電能表的技術(shù)發(fā)展，具體包括：
　　(1)重有功、輕無功、缺乏視在電能計(jì)量的準(zhǔn)確度測試；
　　(2)測試的負(fù)荷、功率因數(shù)改變范圍小，難以完全滿足實(shí)際應(yīng)用要求；
　　(3)缺乏非正弦、動(dòng)態(tài)負(fù)荷、快速測量等新技術(shù)；
　　(4)、電能質(zhì)量、事件記錄只有功能展示，沒有正確的考核方法等。
　　2．2特殊性能評估項(xiàng)目
　　通過測試項(xiàng)目拓展，增加臨界測試、開展算法剖析、提高測試嚴(yán)酷等級(jí)、模擬改變、引入測試新技術(shù)等技術(shù)手段，全面考核儀表的性能特征與差異，以及對條件改變的適應(yīng)能力。
　　關(guān)口電能表特殊性能評估項(xiàng)目共計(jì)47項(xiàng)，主要包括功率測量原理的鑒別，準(zhǔn)確度評估，電氣性能試驗(yàn)，通信性能測試和型式試驗(yàn)項(xiàng)目的改進(jìn)、擴(kuò)展等。實(shí)驗(yàn)室通過反復(fù)測試、驗(yàn)證，從中確定具有較強(qiáng)鑒別能力的特殊性能評估重點(diǎn)項(xiàng)目l0項(xiàng)：
　　(1)在正弦和非正弦波形下，有功和無功功率測量原理鑒別；
　　(2)從電能定義出發(fā)，在負(fù)載電流、電壓、相位、頻率、積算周期的全口徑范圍內(nèi)的計(jì)量誤差曲線繪制；
　　(3)0～360度有功、無功計(jì)量誤差一致性測試；
　　(4)電壓回路臨界電壓測試；
　　(5)諧波負(fù)荷下有功、無功電能計(jì)量差異鑒別；
　　(6)極低負(fù)荷和低功率因數(shù)下有功功率、無功功率準(zhǔn)確度測量；
　　(7)三相電壓不平衡對無功計(jì)量的影響測試；
　　(8)沖擊負(fù)荷試驗(yàn)；
　　(9)在實(shí)用、極限通信條件下，通信、數(shù)據(jù)保存、計(jì)量工作情況考核；　
　　(10)多種要求下電能表脈沖常數(shù)驗(yàn)算。
　　總體來看，關(guān)口性能評估測試技術(shù)橫跨多個(gè)領(lǐng)域，其特征在于：采用最新、最嚴(yán)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；誤差曲線、臨界測試、沖擊負(fù)荷試驗(yàn)、計(jì)量原理鑒別、諧波反應(yīng)能力等成為測試項(xiàng)目的亮點(diǎn)；引入快速測量、計(jì)量原理鑒別等新技術(shù)；由于政出多門，有爭議的項(xiàng)目占一定比例；性能評估給出的結(jié)論是一個(gè)“分級(jí)評估結(jié)果”，而不是合格與不合格的結(jié)論。

　　3儀表特殊性能評估實(shí)例
　　3．1儀表特殊性能測試方法
　　受篇幅限制，下面給出了0—360度有功計(jì)量誤差一致性測試、沖擊負(fù)荷試驗(yàn)、諧波負(fù)荷下無功電能計(jì)量差異鑒別三項(xiàng)特殊性能測試方法。試驗(yàn)樣品均為目前國內(nèi)系統(tǒng)使用的主流0．2s級(jí)關(guān)口電能表，包括5個(gè)進(jìn)口品牌和4個(gè)國產(chǎn)品牌。
　　(1)0～360度有功計(jì)量誤差一致性測試本試驗(yàn)項(xiàng)目針對5個(gè)進(jìn)口品牌（A～E)的電能表進(jìn)行，測試結(jié)果如圖1所示。

　　(2)沖擊負(fù)荷試驗(yàn)
　　本試驗(yàn)項(xiàng)目針對5個(gè)進(jìn)口品牌(A～E)和4個(gè)國產(chǎn)品牌(F～I(xiàn))的0．2S級(jí)關(guān)口電能表進(jìn)行，沖擊負(fù)荷試驗(yàn)的試驗(yàn)原理如圖2所示。

　　其中表B和表C為同一品牌的被試電能表，表A為標(biāo)準(zhǔn)表，通過程控開關(guān)實(shí)現(xiàn)沖擊負(fù)荷（以2秒為沖擊時(shí)間間隔)功能。試驗(yàn)過程中對表A施加5A恒定電流，通過開關(guān)閉合、斷開，實(shí)現(xiàn)了對表B施加2倍沖擊負(fù)荷（2．5～5A)，表c施加的沖擊負(fù)荷為0 2．5A。
　　沖擊負(fù)荷下的計(jì)量誤差按以下公式計(jì)算：

　　式中為電能表A所計(jì)的有功電能；E2為電能表B所計(jì)的有功電能；Ec為電能表c所計(jì)的有功電能。需說明的是，該誤差為兩只被試電能表對沖擊負(fù)荷的合成計(jì)量誤差，在上面的試驗(yàn)結(jié)束后，可將表B、表c互換并再次試驗(yàn)，以兩次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作'，為計(jì)算沖擊負(fù)荷計(jì)量誤差的依據(jù)。
　　沖擊負(fù)荷試驗(yàn)測試結(jié)果如表1所示。

　　(3)諧波負(fù)荷下無功計(jì)量差異鑒別試驗(yàn)時(shí)諧波電壓、電流按表2施加
對所有被試電能表同時(shí)施加相同的諧波負(fù)荷，通過走字試驗(yàn)比對不同品牌的電能表在同·諧波負(fù)荷下的無功電能計(jì)量差異。
　　本試驗(yàn)項(xiàng)目針對5個(gè)進(jìn)口品牌（A～E)和4個(gè)國產(chǎn)品牌(F～I(xiàn))的0．2S級(jí)關(guān)口電能表進(jìn)行，測試結(jié)果如表3所示。

　　3．2儀表特殊性能單項(xiàng)測試結(jié)果評估

　　(1)0～360度，有功計(jì)量誤差一致性
　　首先評估電能表在0～360度范圍內(nèi)計(jì)量準(zhǔn)確度性能，以誤差分布范圍為評估依據(jù)；其次，考核電能表誤差分布的對稱性，對同一負(fù)荷性質(zhì)(感性或容性)下的正反向功率潮流下的誤差大小應(yīng)接近、正負(fù)號(hào)一致。按此原則，可給出不同品牌的關(guān)口電能表在該項(xiàng)目上的評估排序如表4所示。

    (2)沖擊負(fù)荷下計(jì)量準(zhǔn)確度．

    根據(jù)測試結(jié)果(表1)可以看出，在沖擊負(fù)荷下品牌F和品牌I的電能表將少計(jì)電量，由此可得出結(jié)論：品牌F和品牌I的電能表在沖擊負(fù)荷計(jì)量準(zhǔn)確度上弱于其余品牌。
  　(3)諧波負(fù)荷下無功計(jì)量差異鑒別
　　從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，國產(chǎn)表與進(jìn)口表之間、進(jìn)口表不同品牌之間在諧波負(fù)荷下的無功計(jì)量均存在一定差異，而目前國際上對諧波負(fù)荷下的無功計(jì)量準(zhǔn)確度量傳尚存在爭議，在這種情況下建議采用一致性原則對其進(jìn)行評估，即對同一關(guān)口計(jì)量點(diǎn)，多只電能表之間的諧波無功計(jì)量應(yīng)保持一致。

　　4結(jié)束語
　　本文從關(guān)口電能計(jì)量的特殊性出發(fā)，提出了關(guān)口電能表性能要求綱要，進(jìn)而探索了關(guān)口電能表陛能評估方法。經(jīng)測試證明，從電能定義出發(fā)的計(jì)量準(zhǔn)確度的多方位評估，對區(qū)分關(guān)口電能表性能差異很有效。由于篇幅有限，其它已有成果的特殊性能評估項(xiàng)目不再一一列舉，前沿計(jì)量功能的評估技術(shù)正在進(jìn)行后續(xù)研究。
　　現(xiàn)代電網(wǎng)的諧波計(jì)量、電能質(zhì)量測量、電網(wǎng)電能量與損耗量平衡計(jì)算等計(jì)量應(yīng)用技術(shù)發(fā)展對關(guān)口電能表提出越來越高的要求，儀表性能要求和評估技術(shù)需要適應(yīng)現(xiàn)場運(yùn)行不斷改變的實(shí)際情況。作為第一步，面向式多功能關(guān)口電能表推出新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是十分迫切的課題。

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