關口電能表動態(tài)誤差實驗室測試方法*

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量中心，哈爾濱150070；2.北京化工大學信息科學與技術學院，北京100029）

0 引 言

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

目前，動態(tài)負荷對電能表計量誤差影響的研究已經(jīng)引起國內電能計量領域專家的高度重視。2003年，譚志強等人通過相關試驗和定量分析，提出應將電能表的響應速度作為表征電能表計量性能的重要指標［4］。2010年，鄭可、侯興哲等人通過電子式多功能關口電能表表性能評估的初步研究，提出了對關口電能表沖擊負荷下的特殊性能要求與試驗方法［5］。2010年，陸祖良等人提出了以正弦包絡、梯形包絡和相位角變化的正弦工頻電流信號作為電能表動態(tài)測量功能試驗的試驗信號［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)測量試驗的變幅值和變相角試驗信號的試驗方法［7］。2011年，鄭薦中、陸祖良等人對不同原理的電能表進行了動態(tài)特性實驗研究，對實驗設備在正弦包絡工頻信號和梯形包絡工頻信號下進行了不確定度評估測試［8］。2013年，王學偉等人建立了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，缺乏對關口電能表動態(tài)誤差深入、全面的研究，且在對關口電能表進行動態(tài)誤差測試時，需要在暫態(tài)、短時和長時等多種動態(tài)負荷模態(tài)下進行，才能全面反映動態(tài)負荷對電能表動態(tài)誤差的影響。

分析了動態(tài)負荷下影響電能表動態(tài)誤差的因素，提出了實驗室電能表動態(tài)誤差測試方法，建立了電能表動態(tài)誤差的測試系統(tǒng)，并對不同廠家關口電能表進行了動態(tài)誤差測試，給出測試結果。

1 動態(tài)負荷下影響電能表動態(tài)誤差的因素分析

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

（1）從電能表內部電能計量原理方面來看，對于電能計量專用芯片，針對不同的動態(tài)功率信號都會對計量誤差產(chǎn)生影響，有時會出現(xiàn)電能計量的超差，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)負荷運行工況方面來看，輸入電能表的電壓信號波形畸變、負荷有功功率受運行工況的影響，動態(tài)變化等特性與實驗室的穩(wěn)態(tài)測試信號條件大不相同，電能表無法快速、準確地測量功率與電能等參數(shù)；

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

2 關口電能表實驗室動態(tài)誤差測試實驗方法

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)負荷測試激勵信號，該信號通過將穩(wěn)態(tài)電流轉換為動態(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，導通期間所包含的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，關斷期間所包含的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)的構成

電能表動態(tài)誤差測試系統(tǒng)的結構如圖2所示。系統(tǒng)由計算機、功率源、標準電能表、HE5012電能表動態(tài)誤差測試裝置和被測電能表構成。計算機通過數(shù)據(jù)總線RS232和IEEE488與穩(wěn)態(tài)功率源和標準表進行數(shù)據(jù)傳輸，HE5012通過計算標準表和被測表給的脈沖來進行動態(tài)誤差的計算，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)結構圖Fig.2 Structure diagram of dynamic error test system

2.3 動態(tài)負荷模態(tài)

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

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

3 實驗室測試動態(tài)誤差計算方法

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 實驗室試驗與結果分析

在電能表的動態(tài)誤差特性測試實驗中，測試系統(tǒng)使用的設備與裝置，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)試驗測試，上述電能表在單向暫態(tài)動態(tài)負荷、短時動態(tài)負荷、長時動態(tài)負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果：

（1）在單向動態(tài)負荷模式下，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，遠超出電能表的允許誤差等級。

（2）在單向動態(tài)負荷模式下，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)負荷模式下，廠家二的三相四線費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 結束語

（1）分析了動態(tài)負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，提出了關口電能表實驗室動態(tài)誤差測試實驗方案；

（2）建立了實驗室電能表動態(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口電能表進行動態(tài)誤差測試，測試結果表明：在不同動態(tài)功率模式下，關口電能表動態(tài)誤差較大，超出其允許誤差等級，應引起電能計量部門重視；

（3）IEC最新標準對負載電流快速改變實驗中，要求電流通斷時間分別為10 s、5 s和0.5 s，總試驗持續(xù)時間為4 h。本文中采用的OOK動態(tài)測試信號實現(xiàn)了上述IEC標準對電流通斷時間的要求，并可達到試驗所要求的時間。同時，本文試驗中，功率因數(shù)的選擇為IEC標準的給出值，且OOK動態(tài)測試信號通斷狀態(tài)之間的轉換能夠在標稱頻率的一個周期內完成。綜上所述，本文所提出的試驗方法符合IEC最新標準中規(guī)定的實驗條件與要求；

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