电气计量（精选5篇）
电气计量 篇1
摘要：随着我国经济建设步伐的加快, 各个行业繁荣发展, 对于电能的消耗也不断的增加。在坚持科学发展观的大背景下, 进行节能降耗工作是十分必要的。因此, 应该采取相应的技术措施来减少对电能的消耗, 从而达到节能降耗的目的。本文结合作者自己的工作实际, 在线损、用电侧管、建筑节能等方面分析研究了各种损耗的成因并提出了一些具体改进措施, 希望能对节能降耗有所贡献。
关键词：电气计量,节能降耗,改进措施
1 电气计量中线损的分析研究
电气计量中将线损分为技术线损、理论线损、管理线损三种。其中, 根据实际的输、变、配电设施进行理论计算得出理论线损, 理论线损仅包括固定损失和变动损失, 除此之外的其他损失不在理论线损范围之内。至于现实的输、变、配电设施技术条件下产生的损失则称为技术线损, 管理因素造成的损失不在技术线损范围之内。最后, 计量设备误差引起的线损以和各种人为因素导致的线损称为管理线损。主要是指在生产经营环节中产生的电量流失。
1.1 技术线损影响因素及对策
1.1.1 配网结构及输配电设备影响
低压配电网随着城区开发面积不断扩张越来越大, 对供电台区的供电范围的规划的重要性也随之增加。居民生活水平提高了, 用电需求增加了, 用电负荷也增大了, 0.4k V线路过长、负荷过重, 已经不能满足用电负荷。在遵守安全规程的前提下可以考虑将10k V电源尽量引到负荷中心, 在负荷较小的时候可以适当扩大10k V配变的分布点分散范围, 负荷过重时也可以收缩分布范围。尽量缩小0.4k V的供电半径, 尽可能的避免迂回供电, 适当减少长距离低压供电现象, 尽量削减低压配电网的供电半径。目前, 高温超导体正在加紧研发之中, 用它制成的高温超导输电线所能传输的电能是普通铜质线材的3到5倍。这一技术如得到应用将明显降低输电过程中的技术线损。
导致技术线损的另一个重要原因是配电变压器的配置问题。如果对配电台区缺乏常态化的负荷测量, 对于各个台区的负荷程度及下一步可能出现的状况缺乏清晰的把握, 于负荷分配的合理化是不利的。这样, 合理的控制配电变压器的供电负荷, 保持台区的负荷率以75%为标准上下调整, 如此便能达到比较合理的状态。同时, 低压配电网的规划也不能忽视, 按照该区的负荷变化情况, 精确的选用配电变压器的容量。另外, 应按照政府规定配置低耗型的变压器。企业应根据自身条件, 充分考虑降低配电网的变损的重要性, 尽快将正在工作中的高损耗变压器换为低损耗变压器。处于增加布局合理性的考虑, 配电变压器尽量将其安装在负荷中心, 减少低压供电的距离。最大限度的提高配网的电压运行水平是降低线损的有效方式。
1.1.2 计量设备影响
电能计量对供电企业影响较大, 其准确性关系到售电量的高低, 同时也关系到线损的控制。合理配置计量装置能够有效降低线损, 比如合理规划互感器的使用, 电能表的位置以及控制二次接线等各个环节的误差。计量装置位置应尽量安装在供用电双方的产权分界处, 这不仅是为了方便管理而且是公平公正的计算线损的体现。在居民生活区, 应大力推广长寿命高精度电能表, 这不仅符合大众利益, 而且能保证用电计量的准确性。配置电流互感器应参考用户负荷程度, 根据负荷电流选择合适的变比, 同时兼顾计量要求及负荷额定电压。使其一次电流工作在额定电流的20%~120%范围内, 对老用户要根据实际负荷情况, 更换适当变比的互感器, 使实际负荷与互感器承受能力维持在相同水平上。计量用二次回路方面要采取措施减少PT二次压降。可以考虑专用二次回路的应用。也可以在适当的时机使用专用计量PT, 也可以减少二次线的长度, 适当增大二次线截面等, 无论如何PT压降必须维持在合理可控的范围之内。计量装置主要采取两种安装方式, 即集中装表和户分散装表, 同时处于防窃电的考虑, 在装表时以表箱集中装表为宜。户分散装表安装时应力求安全方便, 并注意防窃电。此外, 还应加强巡视, 规范定期校验工作, 保证计量装置的正常运行。
1.2 管理线损影响因素及对策
1.2.1 抄、核、收质量影响
用电营销工作离不开抄表收费这个环节, 该环节工作质量关系到供电企业的经济效益, 也会直接影响线损率的统计和考核。近年来, 农网改造、“一户一表”工作取得重大进展, 不断健全和完善的管理体系为用电营销提供了扎实的基础, 抄表到户、销售到户、服务到户、收费到户已经基本落实。但同时, 抄表收费的工作量随着服务精细化程度的提高也增加了很多, 对抄表到位率、准确率的要求也比以前提高了很多, 而且大用户月末抄表比率、电费差错率等工作更是不容忽视。基于这种整体环境的变化, 和新形势的形成, 抄核收工作应该按照更高的要求, 采取更好的管理模式, 取得更大的成绩。抄核收工作人员, 尤其是抄表员的工作责任心和职业道德必须过硬。细化考核措施, 杜绝电量跑冒滴漏现象。目前, 抄核收过程中已经在应用GPRS自动抄表系统、营销MIS系统等新技术, 这有效缓解了人员工作强度, 人为误差也大大降低, 但在资料错误、数据错误、计量故障等问题的及时发现和处理上产生了一些新问题新情况。这就要求工作人员应以高度的责任心对待工作, 严格按照程序进行核算, 并且对异常数据及时的进行分析, 防止漏计、错算电量电费。
1.2.2 电能计量影响
电能计量装置若要充分发挥应有的作用, 除了正确配置外, 还要辅以严格的管理措施保证计量设备稳定准确运行。平时要注意电能表的轮换、校验工作, 应切实将各种计划执行到位, 提高轮换和现场校验的效率, 电能表运行周期不应过长, 否则电能计量容易出现失误;计量装置安装时, 对施工质量要严格要求, 杜绝错误接线。加强计量装置的故障处理, 以细致、认真、负责的工作态度预防计量表计和CT烧坏、表计卡盘、PT断相等缺陷和故障的出现。值得一提的是, 电检、抄表、计量人员工作责任心非常重要, 增强责任心, 既要有高效的考核奖惩制度, 还要有必要的职业培训和职业教育。计量故障出现后, 要以有力的证据追补电量电费。对因轮换、整改、故障处理等拆回的计量表计, 要以严格的复核制度把关, 审查核积存的电量, 堵塞漏洞避免电量的流失。用好手中的监督权, 做好计量标准管理和校验工作。加大投入保证校验标准和装置的准确度以及校验水平。同时还要做到公平、公正, 统筹兼顾供电企业和用电客户的利益。
1.2.3 反窃电影响
窃电行为是采取各种非法手段侵占电能的行为, 给供电企业带来电量流失影响经济效益, 导致配电线损率的上升。近年来, 随着市场经济改革步伐的加快, 个体承包经营者的用电量逐渐增多, 利益驱动下窃电日益猖獗, 窃电手段也朝着隐蔽性、技术型方向发展, 在有的线路、配电台区, 甚至成为构成线损率的最大顽疾。这给大反窃电工作提出了更高的要求, 应当尽快成立用电稽查大队, 并充分发挥其作用, 增强反窃电工作的专业性, 有计划有重点地进行用电稽查。对用电大户进行不定期的监督检查, 在线损较高的线路、台区应实施重点排查。重视反窃电工作的整体性, 加大新技术的投入和新方法应用, 从各个方面推进反窃电工作的开展, 例如, 严格控制实施用户计量箱柜, 必要时可采取加锁加封的方式严密监护;借助负荷管理系统和GPRS自动抄表等技术对用电设备进行适时监测, 对于用电异常应及时追踪。另外, 还应大力投入先进现场测试仪器, 有效防止和打击窃电。加强稽查工作管理力度, 考核检查率、查处率, 坚决抵制社会不良风气, 加大对窃电户的查处力度, 必要时以法律手段维护企业利益, 打击窃电。同时, 内部工作环节不容忽视, 如内部用电合理与否、内外勾结窃电现象、抽查抄表质量是否准确等。
1.2.4 配网运行管理影响
有效降低配电网电能损耗还要看配网运行管理水平。配网运行管理包括配网运行方式, 制定计划, 及时开展负荷实测, 通过测试结果了解配网运行状态和参数。及时转移过重的负荷、平衡三相负载调整运行方式。不但要做好每个台变、每条线路, 而且要总全局出发, 做好整个配电网的负荷调整工作。平时需加强对配网的管理, 加强巡视, 强化对于故障和缺陷的应变能力, 同时, 应逐步替换高能耗设备, 以降低损耗。科学安排、合理规划设备的检修。一般而言, 供电网正常运行时的接线方式是最安全、最合理的接线方式, 如果处于设备检修的需要, 要改变正常的接线方式会降低运行质量, 同时也会增加线损。因此, 检修前必须制定缜密的计划, 科学规划检修时间, 尽量实行联合检修和带电作业, 这样对于降低配网检修时的损耗有利。
实现节能电器设备, 首先考虑的电气设备的位置布局, 将需要冷却设备应该更好的空气流通, 最大限度地减少机械通风设备, 减少建筑物的能源消耗。变压器室和设备室, 将有大量的热量, 应当指出, 这些环境的通风和尝试, 以确保检疫措施和需要配置的空调机房, 以减少不必要的温度消费。减少损失的变电站节能的关键, 因为变压器是主要的耗能设备。最大限度地引入自然光, 特别是, 检查人员, 设备的运输, 楼梯间和走廊应最大限度地利用自然采光。所有的灯光用在所有的发光二极管。选择逆变器的风扇和空调设备, 智能产品, 配置自动启动, 根据环境条件, 并自动关闭, 仅在设备运行或事故处理的开始时间, 以达到节约能源。温度和湿度控制器, 温度和湿度未满足的业务需求, 然后自动将开关柜的加热器。
2 用电侧管理技术的应用研究
电力需求侧管理对于电能的节约也起着不可忽视的作用。在电力需求侧管理上, 先进技术的应用, 能够提高电能的使用效率, 节省电能资源的消耗。
2.1 改变用户用电方式
改变用户用电方式包括削峰、填谷和移峰填谷三种负荷整形管理技术。以特定的方式, 按照电力系统的负荷特性, 削减、转移或增加用户高峰负荷期的电力需求至电网负荷低谷期的用电。通过调整电力需求的时间差, 减少每天或用电高峰季节的电网峰荷, 使系统安全合理的运行。并且此举在电力生产、运行管理等方面都起着极为重要的作用。例如, 在终端用户中实施蓄冷蓄热技术, 在用电低峰时蓄冷蓄热, 高峰到来时在使用这些储备的电能资源, 如此便能较好的避开负荷高峰。
2.2 提高终端用电效率
提高终端用电效率主要包括实行节电运行、选用高效用电设备、实现余能余热回收、采用能源替代、作业合理调度、应用高效节电材料、改变消费行为等。推广高效节能的家用电器, 如电视冰箱等;倡导低碳生活, 降低各种电器待机能耗, 实施能效标准和标识, 规范节能产品市场。引用电大户采用无功补偿、变频调速和高效变压器、智能控制技术、电动机等节电控制技术和产品, 这对于电网的削峰填谷、用能结构的改善、电网运行方式的优化、终端电能利用率的提高环境代价的降低大有好处。
2.3 围护结构节能技术
围护结构节能技术指通过增强建筑物围护结构的合理性使其具有一个理想的热工性能, 增强隔绝效果, 以达到夏季保冷冬季保热的作用, 通过维护结构把建筑物室内温度控制在合理的范围之内, 减少以辅助设备 (如采暖、制冷设备) 维持舒适室温的负荷, 最终达到节能目的。建筑物的围护结构节能技术分为屋面节能技术、墙体节能技术、窗户节能技术、遮阳系统、生态绿化等。
3 电气设备节能
做到电气设备方面的节能, 首先考虑电气设备位置的布局, 应尽量将需要散热的设备放在空气流通比较好的地方, 最大限度地减少通过机械为设备通风散热, 降低建筑物内的能耗。变压器室等设备房间会产生大量热量, 应注意这些环境的通风, 并尽量保证它们与需要配置空调的设备房间的隔离措施, 以减少不必要的温度消耗。变电站节能的力度很大程度上要看变压器的损耗, 因为电力损耗主要在变压器上, 为此, 应最大程度的减少变压器损耗。此外, 无论是变电站机房, 还是其他用电区域, 应最大限度的引入自然光, 尤其是人员巡视所经地区、设备运输的楼梯间和走廊更应减少照明实施。贴别需要照明光源的地方也应全部采用发光二极管。工作所需的风机及空调设备应尽量选取带有变频器的, 即采用智能化产品, 可按照实际需要自动启动和自动关闭, 即仅在人工设定的特殊时期才自行启动, 其他时间则按照设定要求不启动, 这样便可以避免不必要的浪费。
4 结论
随着我国经济的快速发展, 各个行业的电气化水平不断提高, 一方面极大的促进了我国经济的繁荣和发展, 另一方面又加重了我国电能供应的严峻形势。因此应该做好电能节约工作, 通过各种技术措施以及管理措施来提高电能的使用效率, 达到节能减排的目的, 为我国经济的可持续发展做出贡献。
参考文献
[1]侯治国.论居民用电节能问题[J].现代经济信息, 2010.
[2]翟方杰.常见配电线路损耗及应对措施[J].科技信息, 2012.
[3]陈玉坤.电力节能降耗采取的技术措施探析[J].中国新技术新产品, 2012.
[4]尚金成.电力节能减排的理论体系与技术支撑体系[J].电力系统自动化, 2009.
电气计量 篇2
关键词：计量；测试技术；电气工程；用电特点；电能表
中图分类号：P258文献标识码：A文章编号：1009-2374（2014）23-0046-02
在电气化技术普及与广泛应用的新时代里，电气工程遇到的难题也在逐渐增多，出现了诸多影响电能计量可靠性与准确性的问题与因素。在电力事业中，电能计量发挥着杠杆的重要作用，其可靠准确性直接关系到社会经济各生产部门的经济与社会效益。随着社会各界用电的不断增大，电能计量在其中发挥的作用也在日益凸显，因此需要不断发展与完善电能计量与测验技术，提升其稳定性，为社会经济的发展打下良好的基础。
1电气工程的用电特点
电气工程电力运行系统通常会有强弱点之分，电能计量与测量技术是其中的关键。由于电力系统中存在着部分电气设备会给电力系统本身造成较大的冲击，且设备的运行过程也基本是不规律的，这就会在特殊时段出现设备集中使用而带来的电网负荷过重情况。这时系统中的各电气设备、计量以及测试设备的运行状态都会出现较大波动或出现负荷过大的情况，因此电气工程中，电力负荷出现极不平衡的状况，尤其是在电气工程中较为大型的智能控制与变频设备在应用中对电能计量造成了一定干扰，所以在电力现代化不断发展的背景下电气工程对电量计量的要求也在不断提高。因此，电气设备运行不均衡与干扰较多就是电气工程用电的特点，这也给电量计量与测试提出了极大的压力与挑战，特别是在其可靠性与准确性上的要求更是提出了更大的挑战。
2电能计量的方法分析
2.1常规计量办法
当前，我国电气工程中使用的电量计量方法一般为两种，一种是利用电压进行测量，另一种是利用电流互感器来对电量进行计量。以这两种方法实现对弱点侧与110kV侧的电量计量。实际情况如下：（1）对110kV侧进行计量时，通常采用的是三相四线有功电能表来实现电量计量工作。由于电气工程使用的110kV交直流供电，在依据电量计量设备的管理规章的规定，110kV侧是中性点有效接地的系统。在这种设计情况下，能够有效减少由于不均衡电荷而造成的电能表出现计量误差。电量计量工作中某个时段使用的电量是依据抄表之差计算得来的。（2）弱点侧的计量主要对变电器的弱点测进行的电量计量，这也是针对电力用户终端而进行的电能计量。电气工程中通常的终端分为电气设备与电机，供电主要面对的是办公、空调系统、电梯以及居民等。在这一电量计量中需要克服各电气设备的干扰，比如设备出现的谐波。这种干扰会影响到电量计量与测试，需要电量计量计算时采取合适的办法，这是因为不管是在电流计量方式还是电压中，电量计量都是以电流的正弦波为依据，所以就会出现谐波，进而对电量计量造成干扰。
2.2计量表在运行中受到的影响
首先，电能表造成的影响。电能表主要是由电磁结构构成，其计量误差主要是由于线圈产生的力矩，其力矩大小会影响到电能表计量能力，而线圈功率决定了力矩的大小与起到的作用。电能表受到谐波功率的影响主要是由于电表盘力矩因谐波而改变了方向与大小，这也就是造成电能表出现误差的主要因素。根据相关研究显示，由于受到高次谐波影响，电能表的运转速度会偏慢，这也就出现了不同程度的计量偏差。
其次，对电子式计量表的影响。电气设备产生的谐波会影响到全电子式电能表的计量。该类型的电能表主要是通过交流采样来读取相位角度与电压电流信号，然后通过计算机芯片将读取的信号数据进行处理，这样就可以得到对电量的计量，然后再将测试的数据转化成具体的显示单元或储存单元。在这种情况下，电量计量出现误差的因素不是计算机芯片，而是受到采集与读取信息的准确性的影响。与机械式电能表相比，谐波对全电子式电能表造成的影响相对较小。换句话说，在相同的条件下，使用电子式电能表进行电量计量的精度较高，且还能通过利用芯片的处理能力来对计量误差进行修正，所以在利用这一电能表进行电量计量时。可以通过合理设计电子电路来提升计量的抗干扰性能与精确度。在电气工程中使用电子式电表进行计量，而测试使用的电表通常采用的是A/D采样原理，而且其操作功能也较容易实现，但其抗谐波干扰的能力较弱，因此在具体应用中还需要利用计量测试调试，提升其抗干扰效果。
3计量与测试技术在电气工程中的应用
在电气工程使用电子式计量表时，需要利用计量测试技术对其调试，解决谐波干扰造成的计量误差。该技术通过人为方式对电子式计量表进行试验测试，并对其进行经济性等综合评价，逐渐形成一个科学合理的电量计量系统，其满足电力用户的需求。在其设计中通常运用A/D形式采样。A表进行采样得到的数据，可以通过单片机进行计算处理得到电能量。而A/D电能表是分时间、分段对电能量进行计量。该方法比较适用于静态功率环境下，但对电气设备的谐波的抗干扰能力相对较低。而在实际生活中，设备出现谐波的量较大，对谐波抵抗能力的强弱直接关系到电量计量的精确程度。很显然，简单A/D模式根本无法适用于上述情况，于是出现了改进型的T型表。这种电能表采用了A/D采样与“时分隔乘法器”相结合的方式，对功率采用时分隔方式进行连续测试，克服功率不平衡与谐波干扰造成的计量失误情况的出现，实现电量计量的可靠性与精准性。之后利用A/D采样，记录无功电能与其他电力参数数据，保障有功电能测试的准确性，并且实现了多功能的扩展，但相应的计量测试成本也会相应增加。
在对电能计量表改进完成并使用后，对其进行的经济性评价，得到的评级结果更加完善与准确，实际值与理论值之间的差值也更小；在使用全电子式计量表后，实际上降低了成本，提升了智能化水平；利用最终测试技术充分体现出改进型T型表的计量测试精准性远高于A表，所以应在电气工程中进行大范围推广与应用。从控制与调整电能的角度来看，使用高性能的计量表虽然会提升成本，但却能獲得更大的经济与社会效益。
4总结
随着社会各界对电能计量精准性提出更高要求时，电气工程也在技术的推动下向着更加先进、高效的方向发展，其中智能化与自动化技术也逐渐地渗透并应用于电气工程之中，而其中的计量技术在智能化与自动化系统中发挥着巨大的作用，推动着智能化与自动化技术的发展与完善。
计量与测试技术是保证电气工程稳定发展的保障技术与基础条件，因此，相关部门与工作人员必须从具体实际出发，结合多元化技术，逐步提升检测与测验的精准性，从而获得更高的经济与社会效益，拓宽电气工程发展空间，推动电气工程的高效发展。
参考文献
[1]高健．电气工程中计量与测试技术的应用[J]．科技风，2011，12（8）．
[2]张志涛．计量与测试技术在电气工程中的应用[J]．电子科技，2010，23（12）．
[3]庄严，王焕琦．计量测试技术的发展[J]．现代测量与实验室管理，2002，12（6）．
电气计量 篇3
1 对电气化铁路的用电特点分析
电气化铁路用电是一种冲击性负荷用电。机车的往返,对某一牵引站的冲击力较大。一般而言,为了减少电力机车牵引网单相供电的不平衡度,会采取均载措施。而由于各区段行车密度不尽相同,也就会使得各区段的机车本身的负荷不同,因而造成负荷的不平衡度相差较大。因此,电气化铁路的用电负荷有着非线性、三相负荷严重不平衡和电谐波分量大且次数多等特点,因此电气化铁路的电能计量就尤为重要了[1]。
2 电能计量分析
(1)电能计量方法[2]。
电气化铁路目前常采用的计量方式,主要是通过电压和电流互感器在牵引变电所的110 kV侧或27.5 kV侧进行计量测试。
1)110 kV侧计量方法。
这种计量方式一般用三相四线有功电能表进行计量。这是由于电气化铁路牵引变电所是由110 kV交流直接供电,根据电能计量装置管理规程的要求,110 kV侧应当是中性点的有效接地系统。在这种情况下,可以减少因不平衡负荷引起的电能表的误差。其具体算式如式(1)所示。
月用电量=(本月抄表数-上月抄表数)×倍率 (1)
2)27.5 kV侧计量方式。
这种方式是在牵引变电所变压器低压27.5 kV侧用两只单相电能表计量有功电能,将电流线分别接于A相和B相,将电压线圈接于UAC和UBC。其具体算式如式(2)所示。
月实际用电量=(月抄表数-上月抄表数)×倍率+变压器损耗 (2)
目前,在一些新的电气化铁路牵引站中,较多使用全电子电能表三相四线线制的计量方式,这可以大大减少整套装置的误差,还可精确地计量出正反有功和无功电能,运行稳定,受环境因素影响较小。
(2)电能表在计量受到的影响。
1)电能表一般采用电磁式结构。
其计量误差主要是由电能表里的线圈产生的力矩大小决定的,而力矩是由作用在线圈的功率决定的。谐波功率对电能表盘产生的力矩随着谐波功率的大小和方向变化,这也就是电能表误差的重要原因。研究表明,受高次谐波的影响,电能表的转速比没有谐波时慢,因此这就存在着不同程度的少计电量。
2)谐波对全电子式电能表计量的影响。
全电子电能表是利用交流采样读取电压电流以及相位角度等信号,再经过计算机芯片来计算,将测得的数据转换成存储单元和显示单元。这里的误差显然不在计算机的芯片上,而是取决于交流采样信号的精准度,所以要尽量避免采样时谐波引起的误差。相比机械式的电能表,全电子电能表受谐波的影响较小。同等条件下,全电子式电能表比机械式电能表具有精确度高、抗干扰性好、功能较多等优点。在电气化铁路牵引站中,测试用的电能表一般采用“A/D”采样原理全电子式电能表,此表功能较多且易操作。但其抗谐波干扰能力并不理想,因此需要借用先进的计量测试技术,以下将详解。
3 计量与测试技术在电能测量的应用
鉴于对多个电气化铁路牵引站进行的试验,采用三相四线计量式全电子电能表,计量电能是可行的。以下是将通过电子计量与测试对电能进行准确的计量,再结合其经济效益分析这种计量方式是否合理科学[3]。
(1)分析采用的电能表。
A表采用“A/D”采样的数据,经过MCU单片机芯片计算出电能量。“A/D”电能表是对电能量进行分段时间进行的,较适用于静态功率场合,对电气化铁路的谐波抵抗较低。电气化铁路测试现场往往信号变化较多,信号与噪声不便加以区别,因此就有可能影响电气化铁路电能量的真实准确性,但使用“A/D”采样可以实现多功能化,且成本较低。
T表是采用“时分隔乘法器”与“A/D”采样两种方法相结合。时分隔乘法器是对功率进行连续的测试,可以解决在谐波及不平衡负荷影响的情形下电能的计量。再采用“A/D”采样,对应无功电能和其他电参数,这样就保障了有功电能的测试准确性,而且实现了多功能要求,但其成本较高。
(2)在多个电气化铁路牵引站,用以上两个电能表测试所得的试验数据分析结果,如表1~表3所示。
如表1所示,测试期间,T表比A表多计
(108.863-0.495)-(899.286 4-793.464 4)=+2.546 Wh (3)
两只表有功电量误差
+2.546/(899.286 4-793.464 4)=+2.406% (4)
如表2所示,T表比A表多计有功电量
29.451-28.7526=0.698 4 Wh (5)
两表有功电量误差
0.698 4/28.752 6=2.429% (6)
如表3所示,T表比A表多计有功电量为
54.470-53.495 9=0.974 Wh (7)
有功电量误差
0.974 1/53.495 9=1.821% (8)
综上试验结果可以看出,T表比A 表平均多计量出有功电能量约2%,所以采用时分隔乘法器与“A/D”采样电表,更具准确性、可靠性。
(3)经济效益分析。
采用三相四线制计量方式的电气化铁路牵引站,相比以前的计量方式,具有下面优点:
1)计量结果更接近理论值和实际值。
2)采用全电子电能表,即减少了误差又节约了成本。
3)实验结果表明,T表的计量测试结果比A表更具优越性,因此可将此技术推广到其他具有谐波干扰的计量点,可有效地改善计量点的准确性,并能取得一定的经济效益。
4 计量与测试技术在电气工程应用发展前景
目前计量测试技术在电气工程当中的应用,主要是提高测量的准确度、扩大测量的范围、发展多参数式的测量技术等。电气工程的发展与物理理论的交叉面越来越广,也就使得与测定物理参数的关系更加密切。而计量学研究的领域随着科学的发展,早已突破了物理学的范畴,并在技术开发中发挥较大作用,因此,常规的计量方式有待进一步提高。文中采用的电气化铁路牵引站用全电子电能表的三相四线计量方式,通过电子计算得到精确的有功电量,为电气化铁路牵引站提供更好的服务保障。因此计量与测试技术,要在电气工程中要得到广泛应用,还需要与电子信息技术相结合[4]。
(1)计量测试是电子信息技术形成中是必须进行的工作。
目前国际公认的电子电气类参量已向多参量或综合参量发展,并在自动化设备、智能仪器等方面起着重要作用,而这些都依赖于计量测试技术的解决。
(2)计量与测试技术是电气电子信息产品质量的保障。
在生产电子信息产品中,首先要测试和筛选元配件,再测试电路板、整合后测试其性能,售后还要进行故障测试,这些都是实现标准化产品需要依赖于计量来保证。
(3)在自动化系统中,计量测试设备是前提。
只有对传感器准确地测试,再反馈结果,才能确定其系统的稳定性,其作用是明显的。
计量与测试作为电气工程技术的基础和保障,只有不断向大动态、多功能、高可靠性、高准确度、高实时性等方面发展,才能更进一步在电气工程中得到广泛应用,从而推进电气化的发展。
参考文献
[1]冷崇林.电气化铁路负荷特点及电能计量方式的探讨[J].电力标准化与计量,1997(1):7-8.
[2]李景禄.实用电力接地技术[M].北京:中国电力出版社,2001.
[3]赵继文.电子信息技术与计量测试技术[J].电测与仪表,1991(12):20-23.
电气计量 篇4
电气化铁路负荷的谐波,负序以及冲击性电压电流的大量存在,对电能计量系统精度提出了更高的要求,文中正是以电气化铁路为研究背景对电子式电能表的计量精度进行了初步研究分析。
1 电力系统的计量方式
用于电能计量的电表类型主要有:电磁式电能表和电子式电能表。目前电磁式电能表已经逐渐被数字式电能表取代。
电子式电能表根据其乘法器的类型又可分为模拟乘法器电能表(包括热电转换器电能表、时分割乘法器电能表、霍尔效应乘法器电能表、跨导型乘法器电能表)和数字乘法器电能表。电子式电能表采用模拟乘法器的基本结构如图1所示。
模拟乘法器电能表的工作过程大致为:将被测量的电网电压和电流经过相应的电压互感器和电流互感器转换成小电压信号,送入模拟乘法器,从乘法器输出的电压信号经过V/F转换器转换成与其成正比的脉冲数字量,最后送入到计数电路和驱动电路完成功率的测量,其中模拟乘法器是整个电子式电能表的核心部件,也是电能表产生误差的主要来源,目前三角波比较型时分割乘法器是模拟乘法器中使用最广泛的一种,其结构组成如图2所示,图中Uu、Ui为经过转换后的小电压信号。
三角波比较型时分割乘法器基本原理为:将输入相乘的两个小电压信号量以一定的时间间隔Δt进行分割,由于Δt很小,以至于在此Δt内输入电压即使是交流量也可以看作是直流,即输出Uo比例于Ui与Uu的乘积,且比例因子由Ec决定,即Uo=Ui Uu/Ec。
与模拟乘法器不同的是,数字乘法器是以专用计量芯片为核心,采用A/D转换器对电压、电流值采样后由专用芯片来完成数字化相乘。它可以在功率因数为0~1的全范围内保证电能表的测量准确度[2],采用数字乘法器的电子式电能表的主要结构如图3所示。
从图3中可以看出数字式电能表的核心部件是计量芯片,目前比较常用的计量芯片有:ADE7758,ADE7755以及CS5460等。
数字式电能表的工作原理为:被测电网电压、电流经相应的电压电流互感器形成小电压、小电流信号,经A/D采样滤波以及采样后送入计算单元进行功率计算,最后经过滤波及补偿环节后输出。
2 电气化铁路的负荷特性
电气化铁路上运行的电力机车是当前电力系统中一类重要的不对称非线性负载,而运行中的电力机车对于某个固定的牵引变电站又是一个相对变动负载。目前,我国的电气化铁路牵引负荷普遍采用单相交流工频供电制式,供电电压等级存在110k V和220 k V两个等级。牵引变电站的接线方式有单相变、星形-三角形接线、平衡变等接线形式。电力机车是电气化铁路的最终负荷,在国内电气化铁路上运行的有进口机车以及国产的韶山-1型、韶山-3型、韶山-4型、韶山-7型、韶山-8型电力机车。文中以韶山-1型电力机车作为研究对象来说明电气化铁路的负荷特性。韶山-1型电力机车的模型如图4所示[3]。
韶山-1型电力机车的工作原理为:电力机车的主变将牵引网上的高压交流电变为低压交流电,主变压器的牵引绕组经调压开关K与硅整流装置D1、D2构成单相全波整流电路,将交流电变换成电压可调的脉流电,经平波电抗器L滤波后,向牵引电动机M供电。为能进一步了解韶山-1型电力机车在运行时的负荷特性,文中利用Matlab/Simulink仿真环境搭建了电气化铁路机车的运行模型,如图5所示。
图5中牵引变压器采用星形-三角形接线形式,具体接线形式见图6。由于电气化铁路负荷具有持续变化的特点,因此在仿真过程中设置了break单元来控制电力机车的停止和运行时间,对于不同的运行状况可以设置不同的机车启停时间,从而达到模拟电气化铁路冲击性负荷的特点。整个仿真过程中,可根据机车不同的运行情况,设置相应的机车参数,实现模拟不同环境下电气化铁路的负荷运行特性。
图7所示为在Simulink仿真环境中得到110 k V电压等级下韶山-1型电力机车在某一个特定的级位和速度下负荷电压波形图。
从图7可以看出韶山-1型电力机车由于全波整流单元的存在,负荷的电压波形中存在一个畸变过程,对负荷电压进行FFT变换可得到此时负荷电压中存在的3、5、7次谐波的含有率分别为23.62%、13.81%、9.25%。同样通过FFT变换可以得到负荷电流中存在的3、5、7次谐波含有率分别为23.58%、12.86%和8.80%。如果考虑系统中机车的停止和运行过程,则负荷电压电流幅值的变化更大。
图8为模拟电力机车频繁启停过程中的负荷电压波形图。
此外,从电力机车的接线方式中可以看到,电气化铁路负荷在运行中是一个不对称状态,由于负荷的不平衡会引起三相负荷电流的不平衡从而使电气化铁路的负载波形中存在负序电流。图9所示为某运行状态下的三相不平衡电流波形。
以上的仿真分析可以看出电气化铁路的负荷特性:谐波大量存在,三相电压电流不平衡输电系统中存在负序电量且电气化铁路的运行特性使输电电路中存在冲击性负荷。
3 电气化铁路负荷对计量系统的影响
为了研究当前电子式电能表在计量电气化铁路电量时存在的误差大小以及尽可能的减小计量误差的方法,文中利用Matlab/Simulink仿真环境建立了电子式电能表模型,通过修改电子式电能表参数的方法比较在不同电表参数下计量误差的大小。仿真过程中将构建的电能表模型接入电气化铁路运行电路中进行电量测量。
3.1 采用时分割乘法器的电能表对计量的影响
采用时分割乘法器电能表的计量精度与其调制频率相关[4],为研究时分割乘法器在电气化铁路负荷特性下的测量精度,文中在Simulink仿真环境中搭建了由三角波比较型时分割乘法器构成的电子式电能表的模型并将其接入电气化铁路模型中,通过设置不同的调制频率比较产生的计量误差。在仿真模型中,采用的调制频率为分别为:5,10,20 k Hz。仿真结果如表1所示。
从表1可看出,时分割乘法器的调制频率越高,则采用时分割乘法器的数字式电能表的计量误差则越小,计量越精确,但是由于受元件响应速度的限制,调制频率不能过高,因此要达到电气化铁路计量要求,则必须对电能表的调制频率进行合理选取。
3.2 采用数字式乘法器的电子式电能表对计量影响
采用数字式乘法器的电能表的计量误差主要来自于三个方面:
(1)A/D采样带来的误差;
(2)滤波器带来的误差;
(3)乘法器带来的误差。
对数字式乘法器电能表进一步的分析研究发现:由于计量技术的不断进步,对于数字式乘法器电能表,在工频情况下A/D采样引起的误差几乎忽略,而数字乘法器由于位数的不断增加其引起的计量误差也可以忽略,因此采用数字式乘法器的电能表的主要计量误差来源于滤波器误差。为研究滤波器对数字式乘法器电能表的计量误差,文中亦在Matlab/Simulink仿真环境下构建了采用数字式乘法器的电子式电能表模型,对电能表滤波器的各项参数进行设置[5],通过比较得到在电气化铁路负荷特性下不同的滤波器参数对数字式乘法器电能表的计量误差。
仿真实验过程中,分别采用设置不同类型的滤波器以及滤波器阶数的方法,通过分析比较得到引起计量误差的主要原因。整个过程中首先研究不同类型的滤波器对计量误差的大小,依次采用具有2阶Hamming窗的FIR滤波器,具有2阶Kaiser窗的FIR滤波器以及具有2阶Nuttall窗的FIR滤波器进行误差仿真实验,仿真误差如表2所示。
同时,滤波器的阶数也是影响滤波器性能重要参数,为研究不同滤波器阶数引起的计量误差大小,实验过程中分别对具有2、4、6、8阶Hamming窗的FIR滤波器和Kaiser窗的FIR滤波器进行仿真实验,结果如表3、表4所示。
从以上的仿真数据可以看到,在电气化铁路负荷模型下,只要选用合适的参数,数字式乘法器电能表的计量误差是在允许范围内的,能满足电气化铁路的计量要求,且通过分析比较可知采用高阶Kaiser窗滤波器的数字式乘法器电能表具有更高的计量精度。
值得注意的是由于在仿真环境下忽略了电压、电流互感器以及气候的放大线路元器件分散性造成的幅值误差以及相位误差,同时也未考虑高频干扰产生的误差,因此,实际的计量误差应该比仿真得到的数据更大一些。
4 结语
文中分析了电力系统的电能计量原理,针对电气化铁路负荷的谐波、负序以及冲击性电流对计量系统的误差进行了仿真分析,结果表明:
(1)电气化铁路负荷的谐波,负序以及冲击性电流越大,则引起电子式电能表的计量误差就越大。
(2)采用时分割乘法器的电子式电能表,通过仿真实验比较得到:在一定范围内通过提高时分割乘法器的调制频率可以减小在电气化铁路负荷模型下的电能表的计量误差。
(3)采用数字式乘法器的电子式电能表由于其误差主要来源于滤波器,经仿真实验可知:通过改变滤波器的滤波方式,设置合理的滤波阶数可以提高电能表的计量精度。
(4)对于采用不同类型乘法器的电子式电能表在电气化铁路系统中,两者均存在计量误差,通过仿真分析可知:采用数字式乘法器的电子式电能表比采用时分割乘法器的电子式电能表具有更高的计量精度。
综上,在采用电气化铁路的负荷模型下,只要参数设置合理,采用电子式电能表的计量误差能够满足计量要求的。
参考文献
[1]葛毅.电力谐波对电能表电能计量的影响研究[D].重庆:重庆大学,2003.
[2]李长宇.谐波对电能计量影响的研究[D].武汉:武汉大学,2004.
[3]黄石柱,李建华,韩奕,等.基于MATLAB的电力机车数字仿真模型[J].电力系统自动化,2002(2):51-55.
[4]钱伟康,方宗达.影响时分割准确度的主要因素分析[J].上海理工大学学报,2002(3):268-271.
电气计量 篇5
电气化铁路因其节能、环保、高速等突出优点而得到了快速发展。但作为典型的大容量非线性负荷,电气化铁路运行过程中产生的大量谐波和负序电流,也对电网造成了多方面负面影响[1,2]。其中,电铁负荷下电能表能否准确计量成为了一个重要问题。采用时分割乘法器的电子式电能表是一种电铁牵引变电站常用电能表。大量研究已证明这类电能表在电能质量问题不严重的情况下有较好的精度,但在电铁负荷下它的计量精度问题还有待进一步研究。本文在理论分析的基础上,通过仿真实验和实测数据分析,初步研究了电铁负荷对计量用时分割乘法器的影响。
1 电气化铁路负荷特征
我国的电气化铁路牵引负荷普遍采用单相交流工频供电制式,供电电压等级目前存在110 k V和220 k V两个等级。牵引变电站的接线方式有单相变、Y,d11接线、平衡变等接线形式。电力机车是电气化铁路的最终负荷,目前在我国电气化铁路上运行的有进口机车以及国产的韶山-1型、韶山-3型、韶山-4型、韶山-7型、韶山-8型。以韶山-4型为例,其主电路采用不对称不等分四段经济半控桥式整流电路,列车具有三种工况:惰行,制动和牵引。惰行时,列车依靠惯性运行;机车制动采用电阻制动方式,电动机改为发动机运行,能量消耗在电阻上。在牵引工况下,将产生大量的谐波[3]。电气化铁路负荷的主要特征可归纳为以下五个方面:
1)单相移动负荷。
2)随着电车的运行,负荷剧烈变化,并具有冲击性。
3)牵引机车中采用的整流电路,产生了大量谐波,引起了波形的畸变。
4)因其结构的不对称造成了电网中的大量负序电流。
5)无功功率大,功率因数低。
2 时分割乘法器精度变化理论分析
时分割乘法器是用来完成两个电量电压、电流相乘运算的器件,是电子式电能表工作的核心关键部分,也是产生计量系统误差的主要部分[4]。时分割乘法器的原理框图如图1所示。
这种乘法器的工作原理是在节拍信号提供的周期内对其中一个被测信号Us,做脉冲调宽式转换,再以此脉冲宽度控制另一被测信号Uy的积分时间而实现两个信号的相乘。两个准备相乘的输入量(Ux,Uy),被一定的时间间隔△t所分割,在此分割期间进行乘法运算。由于△t很小,故输入量在此期间可以被认为是直流。在图中运算放大器A和积分电容C组成积分器,+Us和-Us是两个基准电压,S1和S2是两个受比较器控制同时动作的模拟开关。输入信号与节拍方波(+E、-E)、标准直流参考电源Us同时加到积分器的输入端,其输出端通过一个比较器对S1和S2的开闭进行控制。乘法器工作时Us是固定的,在△G期间可以认为Ux不变,由于这是一个闭环系统,当达到平衡,积分器积分电容充放电电荷在一个周期T中可以认为是平衡的,即Ql正,Q2负。其中Ql和Q2分别为:
式中:T1为S1接通+Us的时间;T2为Sl接通-Us的时间。代入式Ql+Q2=0,且T=Tl+T2,则可得
经简化为
滤波器的输出E0是由开关S2在T期间接+Uy,在Tz期间接-Uy,而得到的±Uy的平均值,故
由以上原理可知,当输入为直流信号时,时分割乘法器可实现信号的准确相乘,无运算误差产生。当输入交流信号时,由于输入信号随时间变化,乘法器不能实现交流信号的准确相乘,就会产生了交流测试原理性误差。但在输入信号为正弦工频交流信号时,只要选择合适的调制频率,时分割乘法器能够达到较高精度[5]。
在电铁负荷下,因为整流电路的存在,电流中含有大量的谐波,所以进一步分析高次谐波下时分割乘法器误差变化的情况。
将输入信号Ux与Uy作傅立叶变换,取其中的21次谐波作为高次谐波代表进行分析。
其中:w为21次谐波的角频率,则
设n为0~2π中的调制波将Ux的等分数,则可以得输出值的表达式为
由式(9)可以计算出同样设计的时分割乘法器在工频交流信号下的误差和在电铁负荷产生的21次谐波下的误差,计算结果见表1。以采用调制波频率8 k Hz设计的电能表为例,在电能质量问题不严重时,误差极小为-0.013%,但在电能质量较差的情况,如电铁负荷下会出现较大的负误差,如计量21次谐波时误差为-5.036%。
由以上分析可得,在电铁负荷下,采用时分割乘法器的电子式电能表的计量精度必定会受到影响,但由于电铁负荷中的高次谐波相对基波的含量较小,选取合适的调制频率后[6],采用时分割乘法器的的电子式电能表运用于电铁负荷后仍能达到一定的精度要求。
3 电铁负荷下时分割乘法器计量精度变化的仿真分析
根据电气化铁路的运行结构,本文在SIMULINK仿真环境中中搭建了电铁牵引系统的原理性仿真模型(如图2)。其中由控制模块(operation)和变流模块(train)组成机车的原理性仿真模型,其中控制模块简单模拟机车的投切,变流模块采用桥式半波整流电路模拟电铁谐波源,该模型中接入了四组机车(train1~4)。
设置控制模块和变流模块的参数以仿真电铁运行的各种情况,并取了其中一组谐波较大的情况进行了记录和实验。图3为这种情况下电压的局部波形图,可以看出电压波形出现了畸变,THD=2.26%,且只含有奇数次谐波,符合电铁负荷的实际情况。图4为局部的电流波形图,电流波形出现了较大的畸变,与电气化机车的整流器件的影响相符合,图中工况的THD=22.94%,是一种谐波较大的极限情况。
将搭建的时分割乘法器模型接入电铁负荷模型中,采用5 kHz,10 kHz,20 kHz的调制波信号进行仿真实验,得到电铁负荷下的一组计量误差数据。再将时分割乘法器接入理想工频正弦信号源,得到电能质量问题不存在时的另一组误差数据,结果见表2。从仿真实验数据可以看出,在理想信号源下,时分割乘法器误差极小,在仿真电铁负荷下,时分割乘法器出现了明显的的负误差,与理论计算的结果相仿。
电气化铁路是一个典型的冲击性负荷,它的功率波动大,随机性强,电气化机车的加速,制动,以及多辆列车的投切都会使功率带来很大的波动。同时一个周波内电压波形的突变,对计量仪表也带来了冲击。下面通过原理性仿真来分析负荷的冲击性对时分割乘法器的影响。
基于电铁原理性模型(见图2)进行了实验,得到了电压波形(图5(a)),可以看出由于电铁负荷的影响,加框部分电压发生了突变,突变值为-6.98%。将其局部放大,得到局部图(图5(b))。改变负荷参数,记录下时分割乘法器的误差并进行了比较,结果见表3。可以看出电压波形的突变量越大,时分割乘法器的误差也相应增大,调整时分割乘法器的调制频率可以使误差减小。
此外,在仿真模型中通过控制电车模块的投切,模拟了电车加速、制动时的功率变化,以此研究冲击负荷大小以及频度变化对时分割乘法器的影响。图6(a)的负荷中冲击负荷在单位时间中出现了5次,幅值为正常负荷的8倍,图6(b)的反映的情况中,冲击负荷的幅值为正常负荷的16倍,图6(c)中冲击负荷在单位时间中出现了10次。三种负荷下时分割乘法器的误差见表4。从仿真实验的结果可见,冲击性负荷的幅值越大、出现的频率越高,时分割乘法器的误差越大。提高时分割乘法器的调制频率至10 kHz可以使误差减小。
4 与数字式乘法器对比
从理论分析和仿真实验可以看出,用于电能计量的时分割乘法器在电铁负荷下虽然会出现误差,但能够达到一定精度要求。将模拟乘法器和数字式乘法器作一对比,我们可以对电铁负荷对时分割乘法器的影响程度有更直观的认识。
数字式电能表由于其中的采样和A/D环节会产生原理性的量化误差,而且由于电铁负荷带有冲击性和毛刺,使得采样误差也增大。同时,在测量信号随机变化性较大时,fft算法的准确性也将收到影响。
在电铁负荷模型中加入数字乘法器模型(采用12阶精度的A/D),记录下测量误差,并与调制频率为20 k Hz的时分割乘法器进行对比,结果见表5。
从表中可以看出,这两种乘法器在理想正弦工频信号下都有较高的精度,但在电铁负荷模型下,均出现了负误差,相对数字式乘法器,时分割乘法器的误差较小。
文献[7]给出了使用数字式乘法器的A表和使用时分割乘法器的B表在四川两所牵引变电站的运用情况。将文献提供的数据进行总结可以得到表6。
从牵引变电站实测数据可以看出,在工频正弦信号下,A表和B表的误差均较小,与仿真实验的结果基本一致。而在牵引站的使用时,表A相对于表B出现了负误差,在两个牵引变电站的计量误差值分别为-1.115%和-0.976%,也验证了仿真实验结果。
由上可知,电铁负荷对时分割乘法器的计量精度影响相对较小。从计量原理上,时分割乘法器更适合用于电铁负荷的电能计量。
5 结论
通过以上理论分析和仿真实验,再结合牵引变电站的实测数据,可以得出如下结论:
1)电铁负荷由于其存在大量的谐波以及具有冲击性,会使电能计量用时分割乘法器误差增大。在正弦工频信号下误差很小的乘法器设计,当用于计量电铁负荷时,误差有增大的趋势。
2)通过改进乘法器的内部参数,如提高调制波频率,可以减小在电铁负荷下的误差。
3)将时分割乘法器和数字式乘法器做对比分析后可以发现,两者在电铁负荷下计量误差都会增大,但时分割乘法器误差较小。
综上,在电铁负荷的影响下,时分割乘法器的计量误差有增大趋势,但只要设计合理,能够完成电铁负荷准确计量的需要。
参考文献
[1]陈邦达.电气化铁路供电若干问题探讨[J].湖北电力,2007.,31(1):21-23.CHEN Bang-da,Discussion on the Problems Related to the Power Supply for Electrical Railway[J].Hubei Electric Power2007.,31(1):21-23
[2]韩柳,谈顺涛.电气化铁路对电网的影响及对策[J].江苏电机工程,2005,24(3):8-11.HAN Liu,TAN Shun-tao Power System Operation Affected by Electrification Railway and Its Improvement[J].Jiangsu Electrical Engineering,2005,24(3):8-11.
[3]王学伟蒋圳等.三角波调制式时分割交流功率测量误差的仿真估计[J].计量学报,2002,23(2):139-143.WANG Xue-wei,JIANG Zhen.The Error Estimation of AC Power Measurement Based on Triangular Modulated Time Division Multiplier[J].Acta Metrologica Sinica Acto Metrologica Sinica,2002,23(2):139-143.
[4]韩奕.SS4型、SSI型电力机车的动态模型及随机谐波电流计算(硕士学位论文)[D].西安交通大学,2000.
[5]Nmiljunic P.Sytematic Error of Time Division Wattmeters When Voltage and/or Current Distorter[J].IEEE Trans,1987,IM-36(2):357-361.
[6]钱伟康,方仲达.影响时分割乘法器准确度的主要因素分析[J].上海理工大学学报,2002,24(3):265-271.QIAN Wei-kang FANG Zhong-da.Analysis on Main Factors Influencing Accuracy of Time-division Multiplier[J].Journal of University of Shanghai for Science and Technology,2002,24(3):265-271.