阐述电能计量技术的若干问题

摘要：本文阐述各种电能计量，阐述了电能计量的各种性能。根据供电系统的现状和发展需求，分析下电能计量在各种状况下的工作原理。

关键词：电能计量 技术

中图分类号：R363.1+24 文献标识码：A

1.前言

电网迅速扩大和新类型用户(如城市，城际轨道交通，汽车充电站……)的出现，电能计量面临更严重的用电非线性和随机性。电力市场改革，开展用电需求侧的管理，使得电能计量管理手段日趋多样，要求计量系统的智能化越来越高。考虑到电能计量的准确性，现时的电能表在适用范围上各异，且对谐波信号、非稳态畸变信号等复杂信号条件下的电能计量技术尚未成熟。

2.基波电能的计量状况

基波电能的计量主要有感应式电能表、机电式电能表、电子式电能表和智能电能表。

感应式电能表主要结构由驱动元件、转动元件、制动元件、轴承、计度器、调整装置、防潜动装置、表盖、底座和端纽盒等组成。它结构简单耐用，工作可靠，价格低廉，便于批量生产，便于维修。目前感应式电能表还在普遍使用，属主流电表之一。但感应式电能表准确度较低，适应频率范围窄，功能单一，不便于自动化管理。

机电式电能表是随着电子技术、电子元件的发展及电力市场对电能计量、运营管理需求的不断提高而出现的一代产品。有脉冲电能表、复费率电能表和预付费电能表等。这些电能表还是沿用了感应式电能表的测量机构，其数据处理机构则由电子电路或简单微处理元件控制系统实现。这类电能表基本解决了自动抄表、收费等问题。但机电式电能表与感应式电能表一样，受其准确度低和频率适应范围窄的限制而无法进一步发展。

长寿命和对运行环境不敏感是感应电能表突出的优点。发达国家的产品中,有的采用高质量的双宝石轴承，乃至磁悬浮轴承结构，大大地提高了电能仪表计量精确度和转动元件的寿命。

电子式电能表是适应工业现代化和电能计量管理现代化飞速发展的需要而产生的。它不再使用感应式的机械运动测量机构，而由乘法器完成对电功率的测量。其基本结构包括：输入级、乘法器、P/f变换器(Potential/frequency，电位/频率变换器。又称V/F变换器，即电压/频率变换器)、计数显示、控制电路和直流电源部分。电子式电能表准确度高，其中一些还可在很宽的电压、电流和频率范围内使用。微电子技术和信息技术的高速发展，大规模集成电路等的采用，使电子式电能表的使用寿命、准确度和稳定性等技术指标显著改善，功能更广泛。但电子式电能表对环境、谐波等环境因素较敏感，价格较贵. 电子式电能表的特点和发展趋势：①精度长时间不变，不受安装、运输影响等；②宽量程、宽功率因数、灵敏度精确度高和防潜可靠；③可实现集中抄表、多费率、预付费和防窃电等功能；④可预留计量容量扩展功能，保护前期投资。

智能电能表除计量有功(无功)外，还具有分时、测量需量等两种以上的功能。并能显示、存储和输出数据功能。一般由测量单元和数据处理单元组成。数据处理单元一般由单片机实现，外扩和软件功能强大。近代的智能电能表还带有E/O光电RS232通信接口，能实现网络通信。典型的基波电能计量方法对比见表1。

3.谐波电能的计量状况

随着电网中非线性负载日益增多，供电系统中谐波电压和电流成分不断增加，导致电压、电流波形发生较大的畸变。谐波影响电能表的准确计量。目前，对谐波的计量主要有以下几种思路：①采用综合功率的方式，基于基波型电能表计量包括基波功率、谐波功率在内的综合实际功率；②采取检测、分离的手段分别计量；③专用的谐波表进行计量。

感应式电能表是在工频附近很窄的频带范围内设计的，只能计量基波电能和一定频率范围内的谐波电能。随着高次谐波的增加，频响特性曲线衰减严重，因此感应式电能表不能准确反映谐波的总电能，使计量总电能存在较大的误差.

电子式电能表的频响曲线则比较平坦，可近似地认为没有衰减。所以电子式电能表具有较宽的频率响应范围。当电网电压和电流都发生畸变时，有可能较准确地测量基波和谐波的功率。但目前国内采用的是全能量的计量方式(即基波和谐波的综合功率)，使谐波环境下的电能计量不合理：线性用户受谐波危害，反而被多计量了电能；非线性用户发出谐波，污染了电网，却因为输出谐波而少计量了电能。

采用谐波与基波分离的办法，对谐波电能进行分别单独计量，是一种较为合理的方法。目前有基于FFT变换(Fast fourier transform，快速傅里叶变换)的频域分解测量法、虚拟仪器与数据采集板相结合的方法、在线寻零迭代法和不同频带的滤波器进行分离等实现方

法。谐波表是谐波环境下电能合理计量的专用仪表(，)为核心，通过高速，它能分别准确计量基波电能及谐波电能并判断谐波潮流方向。谐波表以数字信号处理器并基于FFT算法对电压、电流进行频域分解，实时积分计算电能。谐波表提供基波电能、谐波电能，通过谐波电能的方向区分用户是谐波源用户，还是非谐波源用户,但不能计量冲击信号等非稳态畸变信号条件下的电能。各种谐波电能的计量方法见表2.

4.非稳态畸变电能信号的计量状况

可以用功率分解测量方法，准确地计量非稳态畸变信号条件下的电能。它能够精确地识别功率的频域分布及各个频率上功率潮流，进行基波功率、畸变功率的准确测量。近十几年来，非稳态畸变波形下功率的分解测量问题一直是国内外研究的热点。

1)FFT方法是一种按频率点进行信号分解的方法。当谐波源的谐波成分变化较大时，功率、电流等信号的频谱是窄带连续的谱。若采用FFT方法进行电压电流的频域分解测量，理论上必会极大地增加频率点的数量，计算量太大，使该方法无法满足实时测量的要求。傅里叶变换对于高频信号频谱的变化反应不灵敏，只适于分析所有特征大致相同的信号，而不适合分析多尺度信号的过渡过程或突变过程。虽然傅里叶变换能较详细地描绘信号的频域特 性，但无法表述信号的时频局域性质，即不具备反映时频局部化功能。

2)小波变换具有多分辨率分析的特点，而且在时频领域一样具有表征信号局部特征的能力，是一种时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。它能够对不同的频率成分采用逐渐变细的采样步长，以聚焦到信号的任意细节。特别是对瞬时性的暂态信号进行准确可靠的分析测量。因此，小波变换是分析非稳态信号，或具有奇异性突变信号最有效的方法。但小波变换法的研究目前处于初始阶段，还有许多问题有待解决。到目前为止，小波变换的分频特性在很大程度上依赖于小波基数的选取，利用现有的小波函数均无法实现谐波的准确测量。在技术层面上，实时性问题，也是比较复杂的小波算法所同样面临的问题。

5.结语

随着国家电力系统体制的改革，供用电不断科学化和市场化，对科学合理的电能计量管理更加迫切。电能计量的模块化、网络化及系统化成为计量的技术发展趋势。总的来看，我国电能计量技术正在向着低功耗、谐波计量、负荷监控、高精度和多功能等方向发展。随着经济的高速发展，电能技术也会有一个质的飞跃。