陸以彪，陳碧希，李鵬，康德功

（1.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司計(jì)量中心，哈爾濱150070；2.北京化工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100029）

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)的應(yīng)用，電力負(fù)荷與電源表現(xiàn)出越來越強(qiáng)的動態(tài)特性，如大功率交流電弧爐高鐵牽引機(jī)車、中頻感應(yīng)加熱爐、電動汽車充電站負(fù)荷等，以及風(fēng)能、太陽能發(fā)電站等，這些負(fù)荷和電源的電流和功率波動變化，導(dǎo)致電能消耗的動態(tài)波動，功率波動嚴(yán)重影響了電能表的計(jì)量性能，導(dǎo)致動態(tài)負(fù)荷電力用戶的電能計(jì)量出現(xiàn)超差，影響公正合理的電能計(jì)費(fèi)，使供電方的經(jīng)濟(jì)利益受到損失［1-3］，因此，研究電能表動態(tài)特性測試方法，對提高電網(wǎng)中電能的準(zhǔn)確計(jì)量具有重要意義。

目前，動態(tài)負(fù)荷對電能表計(jì)量誤差影響的研究已經(jīng)引起國內(nèi)電能計(jì)量領(lǐng)域?qū)＜业母叨戎匾暋?003年，譚志強(qiáng)等人通過相關(guān)試驗(yàn)和定量分析，提出應(yīng)將電能表的響應(yīng)速度作為表征電能表計(jì)量性能的重要指標(biāo)［4］。2010年，鄭可、侯興哲等人通過電子式多功能關(guān)口電能表表性能評估的初步研究，提出了對關(guān)口電能表沖擊負(fù)荷下的特殊性能要求與試驗(yàn)方法［5］。2010年，陸祖良等人提出了以正弦包絡(luò)、梯形包絡(luò)和相位角變化的正弦工頻電流信號作為電能表動態(tài)測量功能試驗(yàn)的試驗(yàn)信號［6］。2010年，趙偉等人提出FPGA硬件開發(fā)平臺仿真產(chǎn)生用于電能表動態(tài)測量試驗(yàn)的變幅值和變相角試驗(yàn)信號的試驗(yàn)方法［7］。2011年，鄭薦中、陸祖良等人對不同原理的電能表進(jìn)行了動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備在正弦包絡(luò)工頻信號和梯形包絡(luò)工頻信號下進(jìn)行了不確定度評估測試［8］。2013年，王學(xué)偉等人建立了OOK動態(tài)測試激勵信號模型和電能表動態(tài)誤差測試系統(tǒng)，并提出了一種動態(tài)電能量值溯源方法［9-11］。上述對電能表動態(tài)誤差的研究中，缺乏對關(guān)口電能表動態(tài)誤差深入、全面的研究，且在對關(guān)口電能表進(jìn)行動態(tài)誤差測試時，需要在暫態(tài)、短時和長時等多種動態(tài)負(fù)荷模態(tài)下進(jìn)行，才能全面反映動態(tài)負(fù)荷對電能表動態(tài)誤差的影響。

分析了動態(tài)負(fù)荷下影響電能表動態(tài)誤差的因素，提出了實(shí)驗(yàn)室電能表動態(tài)誤差測試方法，建立了電能表動態(tài)誤差的測試系統(tǒng)，并對不同廠家關(guān)口電能表進(jìn)行了動態(tài)誤差測試，給出測試結(jié)果。

1 動態(tài)負(fù)荷下影響電能表動態(tài)誤差的因素分析

動態(tài)計(jì)量與時間變化緊密相關(guān)，是對變量瞬時值或隨時間變化值的計(jì)量，具有時空性、隨機(jī)性、相關(guān)性、動態(tài)性等基本特點(diǎn)，電能表的動態(tài)計(jì)量性能，是由內(nèi)部元件的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)性能共同決定的，由于當(dāng)前的電能表都是基于穩(wěn)態(tài)功率工作原理設(shè)計(jì)的電能表，面對智能電網(wǎng)中的動態(tài)負(fù)荷功率，影響電能表準(zhǔn)確計(jì)量的因素主要有以下幾點(diǎn)：

（1）從電能表內(nèi)部電能計(jì)量原理方面來看，對于電能計(jì)量專用芯片，針對不同的動態(tài)功率信號都會對計(jì)量誤差產(chǎn)生影響，有時會出現(xiàn)電能計(jì)量的超差，如：采樣的信號經(jīng)過PGA放大，放大倍數(shù)改變時，電能表響應(yīng)慢，不可避免地使測量電能的動態(tài)誤差明顯增大；

（2）從外部動態(tài)負(fù)荷運(yùn)行工況方面來看，輸入電能表的電壓信號波形畸變、負(fù)荷有功功率受運(yùn)行工況的影響，動態(tài)變化等特性與實(shí)驗(yàn)室的穩(wěn)態(tài)測試信號條件大不相同，電能表無法快速、準(zhǔn)確地測量功率與電能等參數(shù)；

（3）動態(tài)負(fù)荷信號如果超出電能表各工作量限，放大器切換不及時，跟不上沖擊負(fù)荷的變化速度，也會使被測結(jié)果的相位、幅值等產(chǎn)生較大偏差。

2 關(guān)口電能表實(shí)驗(yàn)室動態(tài)誤差測試實(shí)驗(yàn)方法

2.1 動態(tài)測試激勵信號模型

為了測試電能表表的動態(tài)誤差，本文采用OOK（On-Off-Key）動態(tài)負(fù)荷測試激勵信號，該信號通過將穩(wěn)態(tài)電流轉(zhuǎn)換為動態(tài)電流信號的方法，輸入被試電能表，被試電能表輸入的電壓為穩(wěn)態(tài)電壓，輸入的OOK動態(tài)電流用加矩形窗的正弦信號表示：

式中an＝1（電流信號通）或0（電流信號斷）；g（t-nT）為矩形窗函數(shù)；Urms和Irms分別為電壓和電流有效值。則在OOK動態(tài)激勵方式下，輸入電能表的動態(tài)負(fù)荷瞬時功率p（t）為：

圖1給出了周期方波（矩形窗）控制產(chǎn)生的OOK動態(tài)測試電流信號波形圖。

圖1 OOK控制產(chǎn)生的動態(tài)負(fù)荷電流信號波形圖Fig.1 Waveform diagram of dynamic load current signal controlled by OOK

TA為通周期數(shù)，它表示一個OOK通斷控制周期內(nèi)，導(dǎo)通期間所包含的50 Hz正弦電流信號的整周期個數(shù)，TB為斷周期數(shù)，它表示一個OOK通斷控制周期內(nèi)，關(guān)斷期間所包含的50 Hz正弦電流信號的整周期個數(shù)。

2.2 動態(tài)誤差測試系統(tǒng)的構(gòu)成

電能表動態(tài)誤差測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表、HE5012電能表動態(tài)誤差測試裝置和被測電能表構(gòu)成。計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)總線RS232和IEEE488與穩(wěn)態(tài)功率源和標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，HE5012通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)表和被測表給的脈沖來進(jìn)行動態(tài)誤差的計(jì)算，被測表1和表2通過串聯(lián)的方式連接。

圖2 動態(tài)誤差測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of dynamic error test system

2.3 動態(tài)負(fù)荷模態(tài)

本文通過分析實(shí)際用電動態(tài)負(fù)荷特性，為了達(dá)到充分評估被測電能表在動態(tài)負(fù)荷下的動態(tài)誤差特性的目的，定義了五種動態(tài)負(fù)荷電能類型：暫態(tài)游程模式動態(tài)負(fù)荷、毫秒級短時游程動態(tài)負(fù)荷、秒級長時游程動態(tài)負(fù)荷、分鐘級慢波動動態(tài)負(fù)荷和小時級緩慢波動動態(tài)負(fù)荷。這五種類型的動態(tài)負(fù)荷電能反映了不同用電負(fù)荷電能的消耗方式，有利于全面測試評估電能表動態(tài)誤差特性。五種動態(tài)負(fù)荷電能類型的具體定義如表1所示。

表1 動態(tài)負(fù)荷電能的五種類型Tab.1 Five types of dynamic load electricity

3 實(shí)驗(yàn)室測試動態(tài)誤差計(jì)算方法

根據(jù)電能量的物理定義，動態(tài)電能的參考量值可由如下積分運(yùn)算給出：

式中τ為電能的累積時間。在OOK動態(tài)誤差測試信號激勵下，被測電能表的理論電能值為：

式中τ＝TAM，TA為一個OOK通斷控制周期內(nèi)通周期個數(shù)，M為OOK通斷控制周期數(shù)。

Ex為被測電能表實(shí)際測到的電能值，則被測電能表動態(tài)電能測量誤差為：

4 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與結(jié)果分析

在電能表的動態(tài)誤差特性測試實(shí)驗(yàn)中，測試系統(tǒng)使用的設(shè)備與裝置，以及被測電能表型號如表2和表3所示。

表2 電能表動態(tài)誤差測試系統(tǒng)設(shè)備與裝置Tab.2 Device of dynamic error test system of electric energy meter

表3 被測電能表選取型號Tab.3 Model selection of the tested electric energy meter

經(jīng)試驗(yàn)測試，上述電能表在單向暫態(tài)動態(tài)負(fù)荷、短時動態(tài)負(fù)荷、長時動態(tài)負(fù)荷四種情況下的動態(tài)誤差如表4所示，廠家二的三相四線費(fèi)控智能電能表和廠家四的三相四線智能電能表雙向功率動態(tài)誤差如表5所示。

表4 單向3種動態(tài)負(fù)荷模式下安裝式電能表的動態(tài)誤差范圍Tab.4 Dynamic margin of three kinds of installation single direction electric energy meter in negative mode

表5 雙向動態(tài)負(fù)荷模式下安裝式電能表的動態(tài)誤差范圍Tab.5 Dynamic margin of three kinds of installation both directions electric energy meter in negative mode

通過對表4與表5的測試數(shù)據(jù)分析，可以給出以下測試結(jié)果：

（1）在單向動態(tài)負(fù)荷模式下，對于三相四線電能表，在暫態(tài)、短時和長時動態(tài)功率模式下，廠家一電能表動態(tài)誤差最大值為-5.31%，廠家二、廠家三和廠家四電能表動態(tài)誤差最大值分別為-60.32%、-69.29%和-76.79%，動態(tài)誤差波動較大，遠(yuǎn)超出電能表的允許誤差等級。

（2）在單向動態(tài)負(fù)荷模式下，對于三相三線電能表，在暫態(tài)動態(tài)功率模式下，四個廠家電能表動態(tài)誤差最大值分別為 -5.76%、4.39%、-5.76%和 -8.64%；在短時和長時動態(tài)功率模式下，廠家一、廠家二和廠家三電能表動態(tài)誤差最大值分別為-41.77%、-22.04%和-41.77%，動態(tài)誤差波動較大，遠(yuǎn)超出電能表的允許誤差等級；在短時和長時動態(tài)功率模式下，廠家四電能表動態(tài)誤差最大值為-1.84%。

（3）在雙向動態(tài)負(fù)荷模式下，廠家二的三相四線費(fèi)控智能電能表和廠家四的三相四線智能電能表動態(tài)誤差最大值分別為-26.19%和-42.8%，動態(tài)誤差波動較大，超出電能表的允許誤差等級。

5 結(jié)束語

（1）分析了動態(tài)負(fù)荷條件下影響電能表動態(tài)誤差的因素；基于OOK動態(tài)誤差測試信號模型，提出了關(guān)口電能表實(shí)驗(yàn)室動態(tài)誤差測試實(shí)驗(yàn)方案；

（2）建立了實(shí)驗(yàn)室電能表動態(tài)誤差測試系統(tǒng)，并利用該系統(tǒng)對四個廠家不同型號的關(guān)口電能表進(jìn)行動態(tài)誤差測試，測試結(jié)果表明：在不同動態(tài)功率模式下，關(guān)口電能表動態(tài)誤差較大，超出其允許誤差等級，應(yīng)引起電能計(jì)量部門重視；

（3）IEC最新標(biāo)準(zhǔn)對負(fù)載電流快速改變實(shí)驗(yàn)中，要求電流通斷時間分別為10 s、5 s和0.5 s，總試驗(yàn)持續(xù)時間為4 h。本文中采用的OOK動態(tài)測試信號實(shí)現(xiàn)了上述IEC標(biāo)準(zhǔn)對電流通斷時間的要求，并可達(dá)到試驗(yàn)所要求的時間。同時，本文試驗(yàn)中，功率因數(shù)的選擇為IEC標(biāo)準(zhǔn)的給出值，且OOK動態(tài)測試信號通斷狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換能夠在標(biāo)稱頻率的一個周期內(nèi)完成。綜上所述，本文所提出的試驗(yàn)方法符合IEC最新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)條件與要求；

（4）未來將對更多不同廠家型號的電能表進(jìn)行動態(tài)誤差測試，并在此基礎(chǔ)上研究電能表動態(tài)特性。