陸月朋

(淮南聯(lián)合大學(xué) 智能制造學(xué)院,安徽 淮南232038)

0 引 言

電能是國民經(jīng)濟和人民生活極為重要的能源,電氣化程度和管理現(xiàn)代化水平是衡量一個國家是否發(fā)達的重要標(biāo)志[1]。因此對電能計量系統(tǒng)的誤差進行研究并盡可能的降低誤差就顯得尤為重要。

相較于歐美發(fā)達國家,我國在測量方面的研究相對滯后。相較于前期的檢定裝置,多功能電子式檢定裝置功能更豐富,性能更優(yōu)越,更具智能化,具有很高的檢測精度與檢定效率[2]。2015年,我國自主研發(fā)使用的多表位檢定裝置能夠同時實現(xiàn)對多塊電能表的檢定,其精度能夠達到0.01級[3]。李蕊等從內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)、外部潮濕敏感、芯片封裝工藝等角度詳細分析了電子式電能表故障產(chǎn)生原因以及防范措施[4]。袁瑞銘等[5]、彭小娟等[6]分別采用OOK動態(tài)測試信號模型與蒙特卡洛法分析了數(shù)字式電能表的誤差特性,驗證影響因素與綜合誤差間的函數(shù)關(guān)系?；诖?以某地區(qū)電網(wǎng)為研究對象,對配電網(wǎng)電能計量系統(tǒng)的運行狀況予以評價,給出電能計量系統(tǒng)改進的應(yīng)對策略。

1 電能計量系統(tǒng)的主要組成及其接線

1.1 主要組成

電能計量系統(tǒng)主要組成部分包括電能表、互感器、二次回路、電能計量柜等[7]。測量用互感器主要功能是將高電壓、大電流轉(zhuǎn)換為低電壓、小電流,既擴大了電能表測量范圍,又有效地將人員、設(shè)備與高電壓、大電流隔離,保證安全。

1.2 接線方式

在實際運行中,電壓互感器的常見接線方式主要有V,v0,Y,y,其二次繞組在任何情況下嚴禁出現(xiàn)短路情況且需設(shè)置相應(yīng)的保護接地點。電流互感器的常見接線方式主要有V形、Y形,其二次繞組在任何情況下嚴禁出現(xiàn)開路情況且需設(shè)置相應(yīng)的接地點。電能計量系統(tǒng)的接線方式主要有單相接線、三相三線接線以及三相四線接線等。110k V及以上電網(wǎng)采用三相四線式進行電能計量。在380/220V系統(tǒng)中,必須采用三相四線式進行電能計量。

2 電能計量系統(tǒng)誤差分析

2.1 主要組成部分的誤差描述

2.1.1 電子式電能表誤差描述

電子式電能表的誤差主要來自于電壓/電流變換器誤差、乘法器與U/f變換器誤差以及響應(yīng)時間、測量重復(fù)性誤差等。實際應(yīng)用中,溫度誤差、U/f轉(zhuǎn)換的高頻脈沖信號脈沖量化誤差可以忽略不計。電子式電能表的基本誤差與附加誤差依靠定性分析與試驗數(shù)據(jù)對其進行誤差特性分析。

2.1.2 電流互感器誤差描述

通常,工程上常采用角差δi、比差?i描述電流互感器的誤差。其中,Κi表征電流互感器變流比如式(1),式(2)。

同理,工程上多采用角差δu,比差?U表述電壓互感器誤差。其中U1,U2,Κu分別表征電壓互感器的一次電壓、二次電壓、變壓比如式(3)。

2.2 電能計量系統(tǒng)綜合誤差

電能計量系統(tǒng)的綜合誤差主要包括電能表誤差、互感器合成誤差以及電壓互感器二次回路壓降造成的誤差。其中,互感器合成誤差主要指以不同接線方式與電能表相連后電流互感器、電壓互感器的比差、角差形成的誤差合成[8]。在工程中,電能計量系統(tǒng)綜合誤差主要有兩種方案,第一種是將電能表誤差、互感器合成誤差以及二次回路壓降誤差綜合考慮。第二種是將電壓互感器二次回路壓降誤差歸算到電壓互感器的誤差中,再求出互感器合成誤差,最后形成電能計量系統(tǒng)綜合誤差。選擇第一種方案,如式(4),γ,γa,γb,γc依次表示電能計量系統(tǒng)綜合誤差、電能表誤差、互感器合成誤差以及二次回路壓降誤差。

3 某地區(qū)配電網(wǎng)電能計量系統(tǒng)誤差分析

3.1 接線方式對電能計量的誤差分析

接線方式正常與否是影響電能計量系統(tǒng)誤差的主要原因之一。電壓互感器通常安裝在距離電能表較遠的位置,中間通過長長的導(dǎo)線實現(xiàn)互聯(lián),使得在二次回路上的電能表與電壓互感器之間產(chǎn)生一個壓降,即二次回路壓降,必將造成電能計量存在誤差,如式(5),P1,P2表示折算后、折算前電壓互感器的有功功率。

3.2 中性點接地方式對電能計量的誤差分析

理想三相對稱情況下與三相不對稱情況下的電能計量誤差ΔP,如式(6)。

其相對誤差為式(7):

根據(jù)工程經(jīng)驗如式(8),

式(7)可以化簡為如式(9):

式(6)-(9)中,θ表示U b與I0的夾角。I0表示中性點電流。P,P1分別表示三相不對稱系統(tǒng)有功功率、三相對稱系統(tǒng)有功功率。ΔP表示電能計量誤差。γ1表示相對誤差,與I0的大小成正比。式(9)分析如下:

(1)若θ∈(-90°,90°),則cosθ＞0,那么,γ1＜0,誤差值為負數(shù),少計量電能;(2)若θ∈(90°,270°),則cosθ＜0,那么,γ1＞0,誤差值為正數(shù),多計量電能;(3)若發(fā)生三線短路故障,I0=3I。如果cosθ=1,則γ1絕對值將達到最大,約為12.5%。綜上,中性點接地方式不同,對電能計量系統(tǒng)的誤差影響也不同。簡言之,三相不對稱系統(tǒng)中性點直接接地方式對電能計量影響最大,帶來較大的計量誤差。

3.3 實例分析

(1)實例1:二次回路壓降帶來的電能計量誤差

以某地區(qū)YQ站為例,YQ站35k V側(cè)選用三只單相電壓互感器按照Y,y接線進行連接;10k V側(cè)選用兩只單相電壓互感器按照V,v接線進行連接,此外,還接有一只三相兩元件有功電能表。在實際運行中,根據(jù)前述定義得到計算后的電能計量誤差,如表1。

表1 YQ站電壓互感器二次回路計量誤差數(shù)據(jù)

由表1可知,因為電壓互感器二次回路會產(chǎn)生較大的二次壓降,使得電能計量系統(tǒng)在實際運行中存在少計量的情況(表1中計量誤差為負數(shù)),不僅為供電企業(yè)與用電戶之間的貿(mào)易結(jié)算帶來經(jīng)濟影響,還可能因為用戶需要補交電費而帶來一些不必要的糾紛。

(2)實例二:中性點接地方式帶來的電能計量誤差

某地區(qū)220k V,110k V電網(wǎng)多采用中性點直計量方式多采用三相四線式,極少數(shù)選用三相三線式。選取部分變電站的零序電流統(tǒng)計數(shù)據(jù)。為了體現(xiàn)零序電流互感器在電能計量中的優(yōu)點,同時選取部分傳統(tǒng)電流互感器做比較,結(jié)果如表2。

表2 某地區(qū)部分變電站電流互感器二次側(cè)電流統(tǒng)計數(shù)據(jù)表(部分)

由表2可知,零序電流占相電流的比值分布范圍約為0.3%～1.1%之間。相較于傳統(tǒng)電流互感器,零序電流互感器測量準確性和可靠性較高,結(jié)果較小。采用三相電流互感器的準確性較差,誤差計算結(jié)果相對較大。對選取的變電站按照二元件方式進行接地電流測量,其結(jié)果如表3所示。

表3 二元件方式下接地電流測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表(部分(cosφ=0.8))

結(jié)合表2,由表3可知:接地電流均超過了相電流的0.1%,最高者可達15%。表中反映的測量最大誤差值達到±4.05%。選取半年內(nèi)TN站的電能統(tǒng)計數(shù)據(jù),通過式(10)對其電能損耗比R進行評判,如式(10)。

式(10)中,P X,W,R分別表示電能損耗、理想計量電能以及電能損耗比。在零序電流影響下,TN變電站三臺主變的電能損耗比依次為:0.10962%,0.16177%,0.14897%。

4 基于不確定度的電能計量系統(tǒng)檢定研究

測量不確定度表征被測量值或者是被測量賦予值分散性合理程度的物理量,與測量結(jié)果息息相關(guān)。按標(biāo)準不確定度數(shù)值評定方案,可以分為A類評定與B類評定。A類評定將多次測量結(jié)果求均值,并按照式(12)得到被測值的標(biāo)準差,即被測值不確定度,如式(11)。

同理,被測量均值的標(biāo)準不確定度如式(12)。

式(11),(12)中,n表示樣本數(shù)量,x k表示被測序列,u(x)為被測信號序列標(biāo)準差,u()為被測信號序列的標(biāo)準不確定度。相較于A類評定,B類評定根據(jù)來源信息的不同,依據(jù)工程經(jīng)驗或概率分布評判不確定度。自由度v表征標(biāo)準不確定度的精確程度,即自由度越高,被測值的不確定度越精準。

在工程經(jīng)驗中,在其它條件具備時,根據(jù)式(13)得到自由度值。

忽略被測量非線性因素以及相關(guān)系數(shù),合成標(biāo)準不確定度u c(y)如式(14)。

其中,Ci=δy/δxi表示靈敏度系數(shù)。

4.1 電子式電能表測量檢定評價

基于不確定度的電子式電能表檢定數(shù)學(xué)模型定義為:

式(15)中,Yx0,Yx,Yb,Yj分別表示電表測量誤差、檢定表測量誤差、檢定表電能測量誤差以及被測表修約誤差。選擇B類評定方式。

經(jīng)過計算得到:

(1)當(dāng)cosψ=0.5時,Y x0=0.24%,U≈0.13%,K=2。(2)當(dāng)cosψ=1時,Y x0=0.35%,U≈0.09%,K=2。表示當(dāng)置信概率為0.95時,被測表的測量誤差落在區(qū)間(YP±U),即:(1)當(dāng)cosψ=0.5時,Y x0∈(0.37～0.11);(2)當(dāng)cosψ=1時,Y x0∈(0.44～0.26)。表示被測表的誤差主要來自于電能計量裝置誤差。

4.2 電流互感器測量檢定評價

設(shè)有(1)被測電流互感器等級為0.05級,一次側(cè)電流量程0.1～5000A,二次側(cè)電流為5A。(2)電流互感器檢定裝置為0.01級,一次側(cè)電流量程0.1～5000A,二次側(cè)電流為5A。(3)其它測試環(huán)境參數(shù)符合標(biāo)準規(guī)定?；诓淮_定度的電流互感器檢定數(shù)學(xué)模型定義為:

式(16)中,?x,δx,?p,δp分別表示被測電流互感器比差、被測電流互感器角差、檢定表測量的電流互感器比差、檢定表測量的電流互感器角差。因此有如下情況:比差擴展不確定度為U?(95%)=0.23×0.0067%=0.013%;角差擴展不確定度為Uδ(95%)=2.01×0.26=0.52。由檢定電流互感器測量的被測電流互感器滿足規(guī)程要求。

因此,根據(jù)電能計量誤差案例分析結(jié)果以及基于不確定度的檢定評價結(jié)果,可以初步得到該地區(qū)電能計量系統(tǒng)誤差降低的應(yīng)對策略:(1)提高電能計量裝置整體精度。(2)選用適合的電流互感器。(3)選用合理接線方式避免零序電流的計量誤差。(4)降低電壓互感器二次回路壓降帶來的計量誤差。

5 結(jié) 語

現(xiàn)代化電能計量系統(tǒng)不僅能夠計量電量,還可以實時采集電能表數(shù)據(jù)以及電能計量設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù),有利于電能損耗的判斷,滿足逐步實現(xiàn)電能計量誤差降低到最小的目標(biāo)。指明了電能計量系統(tǒng)的主要組成、常見接線方式以及影響電能計量精度的誤差因素,得到電能計量綜合誤差。結(jié)合某地區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀,分析了供電線路接線方式、中性點接地方式對配電網(wǎng)電能計量系統(tǒng)可能產(chǎn)生的計量誤差,通過實例說明該地區(qū)配電網(wǎng)電能計量誤差的實際情況。最后,選用不確定度理論對電能計量系統(tǒng)的電子式電能表、電流互感器的檢定情況進行評價。檢定計算表明不確定度理論能夠較好的實現(xiàn)檢定功能評估。根據(jù)電能計量誤差分析結(jié)果以及檢定結(jié)果,初步給出了誤差降低的應(yīng)對策略。