排灌供電系統(tǒng)中低壓三相四線(xiàn)智能電能表計(jì)量性能分析

耿建坡,王永輝,馬紅明,馮 波,任 鵬

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021)

排灌供電系統(tǒng)中低壓三相四線(xiàn)智能電能表計(jì)量性能分析

耿建坡,王永輝,馬紅明,馮 波,任 鵬

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021)

針對(duì)農(nóng)村排灌機(jī)井供電方式特殊,需要使用低壓三相四線(xiàn)智能電能表的問(wèn)題,分析了不同接線(xiàn)方式下低壓三相四線(xiàn)電能表的計(jì)量性能,包括電能表N線(xiàn)懸空、N線(xiàn)就地接大地引線(xiàn)等情況下的計(jì)量原理,以及不同接線(xiàn)方式下對(duì)稱(chēng)負(fù)荷時(shí)電能表電壓斷相時(shí)的電量錯(cuò)誤情況。

排灌供電;低壓三相四線(xiàn)電能表;三相三線(xiàn)供電;N線(xiàn)接線(xiàn)方式;電壓斷相

智能電能表已經(jīng)在電網(wǎng)應(yīng)用了幾年,為智能電網(wǎng)的發(fā)展以及用電管理模式轉(zhuǎn)變起到了積極的推動(dòng)作用。為了解決在應(yīng)用過(guò)程中暴露出的若干問(wèn)題,以及對(duì)智能電能表提出的新技術(shù)和管理要求,進(jìn)一步規(guī)范電能表的型式、功能、技術(shù)性能及驗(yàn)收試驗(yàn)等相關(guān)要求,滿(mǎn)足電能信息采集和智能電網(wǎng)建設(shè)的需要,2013年修訂了智能電能表技術(shù)規(guī)范系列標(biāo)準(zhǔn),統(tǒng)一電能表的型式、結(jié)構(gòu),明確了電能表的種類(lèi)及其功能配置要求,為國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)電能表集中招標(biāo)提供技術(shù)支撐。

1 排灌供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中計(jì)量存在的問(wèn)題

按照Q/GDW 1827-2013《三相智能電能表技術(shù)規(guī)范》中對(duì)直接接入式三相表的參比電壓規(guī)定為3×220/380 V[1],且在附錄A的表A1智能電能表電壓電流規(guī)格對(duì)照表中對(duì)直接接入式三相電能表也只有電壓規(guī)格為3×220/380 V一種三相四線(xiàn)接線(xiàn)方式。國(guó)家電網(wǎng)公司系統(tǒng)電能表集中招標(biāo)管理工作中是嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范中的規(guī)格列出物料的,無(wú)法購(gòu)買(mǎi)現(xiàn)場(chǎng)需要的低壓三相三線(xiàn)380 V智能電能表,另外電能表生產(chǎn)廠家也是嚴(yán)格按照Q/GDW1827-2013中規(guī)定的規(guī)格設(shè)計(jì)生產(chǎn)電能表,沒(méi)有生產(chǎn)低壓三相三線(xiàn)380 V智能電能表。

在農(nóng)村排灌機(jī)井供電線(xiàn)路上,由于主要負(fù)荷為電動(dòng)機(jī),基本工作于三相對(duì)稱(chēng)情況,因此多數(shù)地方采用了三相三線(xiàn)制供電,即只使用UVW三根電源線(xiàn),按照傳統(tǒng)的計(jì)量模式需要使用三相三線(xiàn)380 V直接接入的電能表進(jìn)行計(jì)量。這是因?yàn)闆](méi)有N線(xiàn)供電而造成的電能表無(wú)法正確接入三相四線(xiàn)3×220/380 V智能電能表,因此需要研究三相四線(xiàn)3×220/380 V智能電能表在無(wú)N線(xiàn)情況下的計(jì)量性能,以解決排灌機(jī)井電動(dòng)機(jī)用電計(jì)量問(wèn)題。

2 低壓三相四線(xiàn)電能表的計(jì)量性能分析

2.1 三相四線(xiàn)電能表內(nèi)部計(jì)量原理

一般三相四線(xiàn)智能電能表主要由電壓輸入回路、電流輸入回路、電能計(jì)量專(zhuān)用芯片、計(jì)量管理微處理器MCU和通信接口等部分組成,如圖1所示。

圖1 智能電能表計(jì)量原理示意

智能電能表正常接線(xiàn)需要給電能表提供三相電壓信號(hào)和三相電流信號(hào),而在排灌供電系統(tǒng)中使用UVW三相三線(xiàn)制供電,線(xiàn)路可以正常提供三個(gè)相電流信號(hào),但不能提供三個(gè)相電壓信號(hào)。因此影響低壓三相四線(xiàn)智能電能表計(jì)量性能主要因素是電能表的電壓輸入接線(xiàn)方式,目前絕大多數(shù)電能表內(nèi)部電壓回路是接成U、V、W、N完全星形,每相使用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓后送入電能計(jì)量芯片,其等效電路如圖2所示。

圖2 電能表電壓輸入回路等效電路

2.2 三相四線(xiàn)電能表不接N線(xiàn)計(jì)量性能分析

在農(nóng)村排灌機(jī)井供電方式為三相三線(xiàn)制,只提供U、V、W3根電源線(xiàn),如果使用三相四線(xiàn)直接接入式電能表進(jìn)行計(jì)量,供電線(xiàn)路電源三相(U、V、W)分別接電能表的三相電流輸入端子,電能表三相電流輸出端子引出線(xiàn)接三相三線(xiàn)負(fù)荷,接線(xiàn)如圖3所示。

圖3 三相四線(xiàn)直接接入式電能表特殊接線(xiàn)

如果使用三相四線(xiàn)經(jīng)電流互感器接入式低壓電能表進(jìn)行計(jì)量,當(dāng)安裝有三相電流互感器的線(xiàn)路將三相電流互感器的二次回路直接接入電能表相應(yīng)相別,電壓從供電線(xiàn)路三相直接接到電能表相應(yīng)相別即可。而對(duì)于舊計(jì)量裝置中可能只有U、W兩相電流互感器時(shí)應(yīng)按圖4所示接線(xiàn),其中電能表的端子3和9相連后接入6端子,電能表端子4出線(xiàn)與U、W兩相電流互感器的尾端并聯(lián)線(xiàn)連接在一起,保證電能表的三相電流關(guān)系有Iv= -(Iu+Iw),與一次供電的三相三線(xiàn)負(fù)荷電流關(guān)系一致[2]。

圖4 三相三線(xiàn)經(jīng)電流接入式接線(xiàn)

與常規(guī)接線(xiàn)特殊的地方是三相四線(xiàn)電能表的N線(xiàn)懸空不接任何線(xiàn)。

在上述接線(xiàn)情況下電能表電流測(cè)量過(guò)程不受任何影響,而電能表電壓測(cè)量由于沒(méi)有N線(xiàn)接入,需要根據(jù)內(nèi)部設(shè)計(jì)電路分析電能表電能計(jì)量模型的測(cè)量結(jié)果。圖5所示為三相四線(xiàn)電能表計(jì)量三相三線(xiàn)負(fù)荷時(shí)電壓回路的等效電路。

圖5 三相四線(xiàn)電能表計(jì)量三相三線(xiàn)負(fù)荷時(shí)電壓回路的等效電路

此時(shí)三相三線(xiàn)負(fù)荷等效為中性點(diǎn)為②的星形負(fù)荷,電能表三相電壓回路形成中性點(diǎn)為①的星形電路。對(duì)于直接進(jìn)入式電能表的三相電流Iu、Iv和Iw和負(fù)荷的三相電流完全相同,而三相三線(xiàn)負(fù)荷使得三相電流有下列關(guān)系:

則三相負(fù)荷消耗的功率為

而三相電能表測(cè)量的功率為

由上式(2)和(3)兩式可知P電能表=P負(fù)荷,說(shuō)明三相四線(xiàn)電能表在這種接線(xiàn)時(shí),完全可以準(zhǔn)確計(jì)量三相三線(xiàn)負(fù)荷的電能。

應(yīng)注意此種接線(xiàn)方式下智能電能表中測(cè)試的三相電壓值沒(méi)有實(shí)際意義,并不是負(fù)荷的三相實(shí)際相電壓值。

2.3 三相四線(xiàn)電能表N線(xiàn)接大地計(jì)量性能分析

農(nóng)村排灌機(jī)井供電方式為三相三線(xiàn)制,一般變壓器低壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地,因此在接地良好時(shí),大地也可作為N線(xiàn)使用。當(dāng)在機(jī)井處裝表時(shí),對(duì)于三相四線(xiàn)電能表可用接地良好的地線(xiàn)接入電能表N線(xiàn),忽略大地電阻則圖5中節(jié)點(diǎn)①的電壓為參考點(diǎn),電位為零。電能表測(cè)量的功率為:

由(2)和(4)兩式可知P電能表=P負(fù)荷,說(shuō)明三相四線(xiàn)電能表在這種接線(xiàn)時(shí),完全可以準(zhǔn)確計(jì)量三相三線(xiàn)負(fù)荷的電能。

3 智能電能表不同接線(xiàn)在電壓斷相時(shí)電量差錯(cuò)計(jì)算

農(nóng)村排灌機(jī)井供電負(fù)荷一般為電動(dòng)機(jī),其最顯著的特點(diǎn)就是三相負(fù)荷為對(duì)稱(chēng)負(fù)荷,在三相電源對(duì)稱(chēng)供電時(shí),電能表測(cè)量的三相電壓對(duì)稱(chēng),三相線(xiàn)電壓U線(xiàn)為相電壓U相的倍,三相電流I相幅值相等,各相負(fù)荷的功率因數(shù)相同為cosφ。

農(nóng)村排灌供電系統(tǒng)中當(dāng)電能表有接線(xiàn)故障時(shí),對(duì)于三相四線(xiàn)電能表不同接線(xiàn)方式測(cè)試結(jié)果會(huì)有所不同,現(xiàn)分析如下。

3.1 三相四線(xiàn)電能表不接N線(xiàn)時(shí)斷相故障分析

在三相三線(xiàn)負(fù)荷正常供電情況下,當(dāng)電能表發(fā)生電壓斷相時(shí),例如W相斷相時(shí),只有U、V相電壓供電,電能表中性點(diǎn)電位①為Uuv線(xiàn)電壓的中點(diǎn),U相電壓為Uuv,U相電流為Iu, V元電壓為-Uuv,V元電流為Iv,W元電壓為零,向量圖如圖6所示。

圖6 電能表三相電壓電流向量圖

對(duì)于排灌負(fù)荷三相對(duì)稱(chēng),設(shè)三相線(xiàn)電壓為U線(xiàn),相電壓為U相,有,三相電流I相幅值相等,三相負(fù)荷的功率因數(shù)相同為cosφ。

由電能表向量圖可得計(jì)量的總功率為

分析可知其他兩相斷相時(shí)情況相同,則此種接線(xiàn)方式下電壓斷相發(fā)生時(shí),電能表計(jì)量電能是負(fù)荷實(shí)際電能的0.5倍。

3.2 三相四線(xiàn)電能表N線(xiàn)接地線(xiàn)時(shí)斷相故障分析

圖7 電能表三相電壓電流向量

在電能表N線(xiàn)接入接地線(xiàn)情況下,三相對(duì)稱(chēng)排灌負(fù)荷電壓電流對(duì)稱(chēng)相等,當(dāng)一相電壓斷相時(shí),該相電壓為零,功率等于零,如圖7所示。其他兩相工作情況正常,電能表計(jì)量的總功率為:

則此種接線(xiàn)方式下電壓斷相發(fā)生時(shí),電能表計(jì)量電能是負(fù)荷實(shí)際電能的倍。

4 排灌用低壓三相四線(xiàn)智能電能表通信問(wèn)題分析

目前排灌計(jì)量計(jì)量電能表一般安裝在機(jī)井處,而抄表集中器安裝在變壓器低壓側(cè),從電能表到集中器需要有通信手段,常用的通訊有低壓載波、微功率無(wú)線(xiàn)和GPRS無(wú)線(xiàn)等技術(shù)[2]。

對(duì)于低壓載波模塊電能表,現(xiàn)有的通信模塊是在各相電壓與N線(xiàn)之間傳輸載波信號(hào)。當(dāng)三相四線(xiàn)電能表的N線(xiàn)懸空不接任何線(xiàn)時(shí),電能表的載波信號(hào)將不能加載到電力線(xiàn),因此現(xiàn)有三相表載波模塊不能完成遠(yuǎn)程通信,需要對(duì)載波模塊進(jìn)行改造。當(dāng)采用電能表N線(xiàn)接入接地線(xiàn)方式計(jì)量時(shí),當(dāng)變壓器中性點(diǎn)接地時(shí)載波信號(hào)可通過(guò)各相電壓線(xiàn)與地線(xiàn)之間傳輸載波信號(hào),完成遠(yuǎn)程通信,但每個(gè)機(jī)井均需要引出接地電阻較小的接地線(xiàn)。

對(duì)于微功率無(wú)線(xiàn)模塊電能表,智能電能表的電源在不同計(jì)量方式下都能正常工作,均能向通信模塊提供正常的12 V直流電源,電能表通過(guò)通訊模塊能夠正常完成遠(yuǎn)程通訊工作。如果機(jī)井位置距離變壓器較遠(yuǎn),應(yīng)該在線(xiàn)路合適的地方增加電源適合380 V的微功率無(wú)線(xiàn)中繼器。

另一種技術(shù)是智能電能表直接采用無(wú)線(xiàn)移動(dòng)GPRS通信模塊,電能表均能向通信模塊提供正常的12 V直流電源,只要機(jī)井處的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信信號(hào)滿(mǎn)足要求,電能表通過(guò)通信模塊能夠正常完成遠(yuǎn)程通訊工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)農(nóng)村排灌機(jī)井的特殊供電方式,以及目前國(guó)家電網(wǎng)公司智能電能表技術(shù)規(guī)范和國(guó)家電網(wǎng)公司物資采購(gòu)規(guī)范要求,無(wú)法供應(yīng)低壓三相三線(xiàn)電能表,而需要使用低壓三相四線(xiàn)智能電能表,分析了不同接線(xiàn)方式下低壓三相四線(xiàn)電能表的計(jì)量性能,能夠正確計(jì)量排灌機(jī)井的電能量。

[1] Q/1827-2013,國(guó)家電網(wǎng)公司.三相智能電能表技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 陳向群.電能計(jì)量技能考核培訓(xùn)教材[M].北京:中國(guó)電力出版社,2003.

本文責(zé)任編輯:靳書(shū)海

Analysis of Measurement Performance for Low-Voltage Three-Phase Four-wire Smart Meter in Irrigation Power Supply

Geng Jianpo,Wang Yonghui,Ma Hongming,Feng Bo,Ren Peng
(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

To the special power supply of the rural irrigation wells,State Grid new smart meter specifications have no standard for voltage three-phase three-wire meter,need to use low-voltage three-phase four-wire smart meter instead.This paper analyzes measurement performance for low-voltage three-phase four-wire smart meter in different wiring,including measurement principle for N lines of the meter suspended,N lines connected to the earth ground and other circumstances,also analyzes the condition of power error for voltage phase failure when the symmetric load in different wiring.

irrigation power supply;low-voltage three-phase four-wire smart meter;three-phase three-wire supply;wiring of N line;voltage phase failure

TMP33

B

1001-9898(2016)04-0004-03

2016-06-15

耿建坡(1962-),男,高級(jí)工程師,主要從事電力電測(cè)計(jì)量等工作。