配電網(wǎng)電能計(jì)量系統(tǒng)誤差分析及評(píng)價(jià)研究①

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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(gè)國(guó)家是否發(fā)達(dá)的重要標(biāo)志[1]。因此對(duì)電能計(jì)量系統(tǒng)的誤差進(jìn)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(dá)國(guó)家,我國(guó)在測(cè)量方面的研究相對(duì)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(cè)精度與檢定效率[2]。2015年,我國(guó)自主研發(fā)使用的多表位檢定裝置能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多塊電能表的檢定,其精度能夠達(dá)到0.01級(jí)[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(xì)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(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)模型與蒙特卡洛法分析了數(shù)字式電能表的誤差特性,驗(yàn)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(duì)象,對(duì)配電網(wǎng)電能計(jì)量系統(tǒng)的運(yùn)行狀況予以評(píng)價(jià),給出電能計(jì)量系統(tǒng)改進(jìn)的應(yīng)對(duì)策略。

1 電能計(jì)量系統(tǒng)的主要組成及其接線

1.1 主要組成

電能計(jì)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(jì)量柜等[7]。測(cè)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(kuò)大了電能表測(cè)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(shí)際運(yùn)行中,電壓互感器的常見(jiàn)接線方式主要有V,v0,Y,y,其二次繞組在任何情況下嚴(yán)禁出現(xiàn)短路情況且需設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)接地點(diǎn)。電流互感器的常見(jiàn)接線方式主要有V形、Y形,其二次繞組在任何情況下嚴(yán)禁出現(xiàn)開(kāi)路情況且需設(shè)置相應(yīng)的接地點(diǎn)。電能計(jì)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(jìn)行電能計(jì)量。在380/220V系統(tǒng)中,必須采用三相四線式進(jìn)行電能計(jì)量。

2 電能計(jì)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(lái)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(shí)間、測(cè)量重復(fù)性誤差等。實(shí)際應(yīng)用中,溫度誤差、U/f轉(zhuǎn)換的高頻脈沖信號(hào)脈沖量化誤差可以忽略不計(jì)。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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)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(jì)量系統(tǒng)綜合誤差

電能計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)量系統(tǒng)誤差分析

3.1 接線方式對(duì)電能計(jì)量的誤差分析

接線方式正常與否是影響電能計(jì)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(yuǎn)的位置,中間通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的導(dǎo)線實(shí)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(gè)壓降,即二次回路壓降,必將造成電能計(jì)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(diǎn)接地方式對(duì)電能計(jì)量的誤差分析

理想三相對(duì)稱(chēng)情況下與三相不對(duì)稱(chēng)情況下的電能計(jì)量誤差ΔP,如式(6)。

其相對(duì)誤差為式(7):

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)如式(8),

式(7)可以化簡(jiǎn)為如式(9):

式(6)-(9)中,θ表示U b與I0的夾角。I0表示中性點(diǎn)電流。P,P1分別表示三相不對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)有功功率、三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)有功功率。ΔP表示電能計(jì)量誤差。γ1表示相對(duì)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(fù)數(shù),少計(jì)量電能;(2)若θ∈(90°,270°),則cosθ＜0,那么,γ1＞0,誤差值為正數(shù),多計(jì)量電能;(3)若發(fā)生三線短路故障,I0=3I。如果cosθ=1,則γ1絕對(duì)值將達(dá)到最大,約為12.5%。綜上,中性點(diǎn)接地方式不同,對(duì)電能計(jì)量系統(tǒng)的誤差影響也不同。簡(jiǎn)言之,三相不對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)中性點(diǎn)直接接地方式對(duì)電能計(jì)量影響最大,帶來(lái)較大的計(jì)量誤差。

3.3 實(shí)例分析

(1)實(shí)例1:二次回路壓降帶來(lái)的電能計(jì)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(jìn)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(jìn)行連接,此外,還接有一只三相兩元件有功電能表。在實(shí)際運(yùn)行中,根據(jù)前述定義得到計(jì)算后的電能計(jì)量誤差,如表1。

表1 YQ站電壓互感器二次回路計(jì)量誤差數(shù)據(jù)

由表1可知,因?yàn)殡妷夯ジ衅鞫位芈窌?huì)產(chǎn)生較大的二次壓降,使得電能計(jì)量系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中存在少計(jì)量的情況(表1中計(jì)量誤差為負(fù)數(shù)),不僅為供電企業(yè)與用電戶(hù)之間的貿(mào)易結(jié)算帶來(lái)經(jīng)濟(jì)影響,還可能因?yàn)橛脩?hù)需要補(bǔ)交電費(fèi)而帶來(lái)一些不必要的糾紛。

(2)實(shí)例二:中性點(diǎn)接地方式帶來(lái)的電能計(jì)量誤差

某地區(qū)220k V,110k V電網(wǎng)多采用中性點(diǎn)直計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)。為了體現(xiàn)零序電流互感器在電能計(jì)量中的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)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(jì)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(cè)量準(zhǔn)確性和可靠性較高,結(jié)果較小。采用三相電流互感器的準(zhǔn)確性較差,誤差計(jì)算結(jié)果相對(duì)較大。對(duì)選取的變電站按照二元件方式進(jìn)行接地電流測(cè)量,其結(jié)果如表3所示。

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

結(jié)合表2,由表3可知:接地電流均超過(guò)了相電流的0.1%,最高者可達(dá)15%。表中反映的測(cè)量最大誤差值達(dá)到±4.05%。選取半年內(nèi)TN站的電能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),通過(guò)式(10)對(duì)其電能損耗比R進(jìn)行評(píng)判,如式(10)。

式(10)中,P X,W,R分別表示電能損耗、理想計(jì)量電能以及電能損耗比。在零序電流影響下,TN變電站三臺(tái)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(jì)量系統(tǒng)檢定研究

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

同理,被測(cè)量均值的標(biāo)準(zhǔn)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(cè)序列,u(x)為被測(cè)信號(hào)序列標(biāo)準(zhǔn)差,u()為被測(cè)信號(hào)序列的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。相較于A類(lèi)評(píng)定,B類(lèi)評(píng)定根據(jù)來(lái)源信息的不同,依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)或概率分布評(píng)判不確定度。自由度v表征標(biāo)準(zhǔn)不確定度的精確程度,即自由度越高,被測(cè)值的不確定度越精準(zhǔn)。

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

忽略被測(cè)量非線性因素以及相關(guān)系數(shù),合成標(biāo)準(zhǔn)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(cè)量檢定評(píng)價(jià)

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(cè)量誤差、檢定表測(cè)量誤差、檢定表電能測(cè)量誤差以及被測(cè)表修約誤差。選擇B類(lèi)評(píng)定方式。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得到:

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

4.2 電流互感器測(cè)量檢定評(píng)價(jià)

設(shè)有(1)被測(cè)電流互感器等級(jí)為0.05級(jí),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(jí),一次側(cè)電流量程0.1～5000A,二次側(cè)電流為5A。(3)其它測(cè)試環(huán)境參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)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(cè)電流互感器比差、被測(cè)電流互感器角差、檢定表測(cè)量的電流互感器比差、檢定表測(cè)量的電流互感器角差。因此有如下情況:比差擴(kuò)展不確定度為U?(95%)=0.23×0.0067%=0.013%;角差擴(kuò)展不確定度為Uδ(95%)=2.01×0.26=0.52。由檢定電流互感器測(cè)量的被測(cè)電流互感器滿足規(guī)程要求。

因此,根據(jù)電能計(jì)量誤差案例分析結(jié)果以及基于不確定度的檢定評(píng)價(jià)結(jié)果,可以初步得到該地區(qū)電能計(jì)量系統(tǒng)誤差降低的應(yīng)對(duì)策略:(1)提高電能計(jì)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(jì)量誤差。(4)降低電壓互感器二次回路壓降帶來(lái)的計(jì)量誤差。

5 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)代化電能計(jì)量系統(tǒng)不僅能夠計(jì)量電量,還可以實(shí)時(shí)采集電能表數(shù)據(jù)以及電能計(jì)量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù),有利于電能損耗的判斷,滿足逐步實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量誤差降低到最小的目標(biāo)。指明了電能計(jì)量系統(tǒng)的主要組成、常見(jiàn)接線方式以及影響電能計(jì)量精度的誤差因素,得到電能計(jì)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(diǎn)接地方式對(duì)配電網(wǎng)電能計(jì)量系統(tǒng)可能產(chǎn)生的計(jì)量誤差,通過(guò)實(shí)例說(shuō)明該地區(qū)配電網(wǎng)電能計(jì)量誤差的實(shí)際情況。最后,選用不確定度理論對(duì)電能計(jì)量系統(tǒng)的電子式電能表、電流互感器的檢定情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。檢定計(jì)算表明不確定度理論能夠較好的實(shí)現(xiàn)檢定功能評(píng)估。根據(jù)電能計(jì)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(duì)策略。