电能表原理（精选5篇）
电能表原理 篇1
高压电能计量装置是连接发、供、用三方用于贸易结算的计量器具,应用量大面广,对其安全性、可靠性与准确性都有很高的要求。目前,我国配电网主要采用中性点绝缘系统供电,计量点一般设置在产权分界处,对于高压供电的客户原则上都采用高供高计的计量方式。现有高压电能计量装置由高压电压互感器、高压电流互感器、电能表以及与之相连接的二次回路构成,在运行中存在诸多缺陷。高压电能表打破了传统的高压计量方法,是电磁式高压电能计量装置的替代产品。高压电能表是互感器技术、高电压技术、多功能表技术相互融合为一体的新型技术成果,是高压绝缘技术和电子线路的创新应用。高压电能表是一种直接接入6kV～35kV高压电力线路测量有功电能与无功电能的仪表,结构上除了与高压电力线路连接的端子外,没有与其它电气回路连接的端子。它具有提高安全运行系数、减少电网故障几率、节能节材、提高计量精度等级、杜绝窃电现象、减少全寿命周期维护费用、无线显示数据、无线抄收等优点,是业内专家认定的国际、国内实现高压电能计量新跨越的高新产品,具有很高的推广价值。
1 高压电能计量现状
目前,高供高计电能计量方式是由电磁式高压电压互感器、电流互感器将高压电压变换成标准的低电压(100V或100/V),将高压大电流变换成标准的低压小电流(5A或1A),通过二次回路与电能表连接实现计量功能。
现有的计量方式存在的弊端主要有:
1)故障隐患多。一个计量点的高压侧至少需要有4-6台互感器提供电流、电压信号,存在多个故障隐患点。特别是电压互感器,受系统中电磁谐振、高次谐波、操作过电压等因素的影响,保险熔断以至烧毁爆炸现象时有发生。
2)高耗能。每台互感器带有30VA-80VA的固定负荷并存在8W以上的自身损耗。每个10kV电压等级计量点每年耗电1121kWh-2523kWh,损耗电费661元至1489元(电费按大工业电价0.59元/kWh)。
3)体积大、费用高。计量装置中,多台互感器之间即要留有安全距离,又要用铜排进行外部联接,占地面积大,成本高,每个计量点至少耗资8000元-15000元。
4)电能表内部的锰铜分流电阻耗能高运行中因负荷的变化温度时高时低,易出现接触不良,“烧表尾”现象时有发生。
5)电量不能直读,需要乘互感器的倍率,给管理工作带来不便。
6)综合误差大。电能计量装置的误差由多台互感器、电能表、多根连接导线电阻、接触电阻等因素引起,并且后续安装过程中人为的不确定因素同样会引起误差。设备之间的不匹配、互感器负载特性差、电能表启动电流大等也会导致计量误差。
7)难以防窃电。计量回路外部连接外露线多,易发生窃电现象。为了防止窃电,需另外增加防窃电设施及人力管理。
2 高压电能表的结构、原理与特点
电力系统自动化程度的提高,给弱输出信号的高压电流、电压、转换设备带来发展空间。高压电能表利用弱输出电流、电压的非传统互感器替代传统的电磁式电流、电磁式电压互感器,与电能计量模块进行统一的整体设计,实现高压电能计量。
高压电能表原理如图1所示,电能计量单元原理如图2所示。由高压电流传感器组成的高压电流取样回路采集正比于高压侧电流I的微电流信号i(mA级)。由高压电压传感器组成的高压电压取样回路采集正比于高压侧电压的V的微电压信号u(mV级)。采集到的电压信号u和电流信号i经过处理后,送入电能计量单元。乘法器完成电压和电流瞬时值相乘,输出一个与一段时间内平均功率成正比的直流电压U。该直流电压U再被电压/频率变换器变换成相应的脉冲序列,经过分频、计数,显示出相应的电量。计量装置的工作电源由电容取流电路提供。电能计量单元与传感器的一体化设计,改变了电能表的传统连结方式,把传感器输出的电流、电压信号,按照计量模块输入要求,直接处理成可直接应用的弱信号,减少了标准电压信号的二次转换,取消了标准电流信号接口的锰铜分流电阻。它即可以在高压侧实现计量,通过无线、光纤、红外等方式把数据传送到低压侧,又可以采用传感器把高压侧的电流、电压信号用毫安、毫伏级的弱信号传送到低压侧。考虑到高压电能计量作为计量器具的严肃性,为使用户放心用电,高压传感器式电能表,保留了传统的电流、电压、电能信号的读取方式。图3给出了新型高压电能表的外形图。
新型高压电能表克服了传统计量方式的诸多弊端,具有安全可靠、计量准确、防止窃电、节能节材等优点。新型高压电能表主要具有以下特点:
1)计量精度高。现有的电力系统计量装置由电能表、互感器及二次连接导线组成,整个高压电能计量装置没有自己的准确度等级。若电压、电流互感器均按0.2级配置,电能表按0.5S级配置,二次回路压降以02%为标准,那么整套电能计量装置的综合误差控制范围超过1%。而新型高压电能表整体计量精度达到有功05S级和无功2级。
2)安全性能好。避免了传统电磁式电压的铁磁谐振事故隐患,且整体式高压端安置的结构有效防止窃电行为,并从源头上避免了内绝缘故障的产生。
3)能耗低。新型高压电能表的年运行功耗约50千瓦时,大大节约的电能计量装置本身的损耗。
4)资源节约。传统的高压电力计量装置重量在60kg以上,主要为铜、铁和绝缘材料;而高压电能表的整体重量在10kg左右,大大减少了铜、铁等金属材料和绝缘材料的消耗,且具有体积小,安装方便的优点。
5)高信息化。全面兼容国家电网公司的智能电表技术规范,可内置GPRS通讯功能和费控功能。
3 高压电能表的校验
高压电能表在线路上的连接和传统电能表在低压线路的连接相似,只要把高压接线端子接人电网,电能表就能正常工作。高压电能表的检定方法也和低压线路的电能表相似,不同的是要在高压校表台上检定。高压电能表目前多采用标准功率源进行整体检定的方式进行,从高压电能整体计量装置标准回路,以及被测高压电能计量装置的高压侧施加三相高压电压、高压大电流,将高压电能整体检测装置的标准回路与被测高压电能计量装置的电流回路串联、电压回路并联,施加规定的一次电压、一次电流。将在高压电能整体计量装置的标准回路,及被测高压电能计量装置中产生的标准电能与被测电能直接进行比较,测量出高压电能计量装置的相对误差通过计算机数据处理直接打印出误差值。
4. 高压电能表的应用
高压电能表具有小型化、智能化、信息化等优点,现已广泛应用于10kV和35kV配电网中。高压电能表已经过全性能的验证试验,其准确度等级已达到05S级。目前高压电能表已在山东、湖北、重庆等省大量挂网运行,其可靠性和抗干扰能力已得到有效验证。随着高压电能表国家标准的颁布,高压电能表将逐步取代传统高压计量装置,成为高压计量的主流产品。
1)高压电能表的防窃电应用
高压电能表采用了一体化设计,电压、电流信号取样和电能计量全部在高压侧完成,不良用户无法实施窃电和破坏表计,确保了电量数据的安全。对于嫌疑用户可在高压进线侧配置高压电能表,作为专变大用户的副表使用用于实时监控可疑窃电用户。
2)高压电能表在配电网联络点的应用
城市配电线路主要以环网供电方式为主,由于互倒线路多,实行有效的分台区分馈线考核管理就必须在各馈线互倒点加装双向计量装置,以此核定互供电量。但这些节点主要存在于多回路杆上、紧凑型环网柜内、开闭所开关柜内,传统高压电能计量装置的实施十分困难,成本高、施工周期长,难以实现配电网全网覆盖智能化采集的工作目标。高压电能表因其体积小、安装方便、信息化程度高、部署灵活的优点可方便现场实施。
结语
高压电能表结构紧凑,体积小巧,重量轻便,制造工艺简化,不会产生铁磁谐振,具有安全、可靠、节能、节材、计量准确、防窃电性能好等优点。同时,高压电能表作为一个新型高压计量产品,在计量准确度和绝缘性能指标等方面,能够达到高压计量产品的技术要求。高压电能表的推广应用将对提高供电高质量与经济效益产生积极的作用。
参考文献
[1]王乐仁.高压电能表的原理与应用.
电能表原理 篇2
关键词：电能表,自动抄表系统,通信,差错控制编码,奇偶监督码校验,校验和校验
电能表与自动抄表系统通信的目的是传递信息, 因此传输信息的有效性和可靠性是自动抄表系统重要的质量指标。有效性是指在给定信道内传输的信息内容多少, 对于数字通信系统有效性可用信息传输的速率来衡量, 即每秒传输的码元数, 可靠性是指传输信息的准确程度, 可用误比特率来衡量, 即传输的错误比特数与传输总比特数的比值。可靠性和有效性在一定程度上是可以互换的, 其极限性能遵守信息论中著名的香农公式。在实际通道上传输数字信号时, 由于信道传输不理想及噪声的影响, 所接收到的信号不可避免的发生错误, 为了在已知信噪比的情况小达到一定的误比特率指标, 可以采用选择合理的调制方式和均衡, 尽可能使得误比特率降低。如果误比特率仍不能满足要求时, 可以采用信道编码, 即差错控制编码, 将误比特率进一步降低以满足指标的要求。
1 信息出错的原因
信息必须经过信道才能传输, 实际信道中总是存在干扰, 当有用信息在有噪声干扰的信道中传播时, 就会出现差错, 而出现差错的概率则取决于信道的信道频带和信噪比。找出通信出错的原因对于提高信道的效率和改善可靠性是非常有帮助的, 可以根据造成通信失败的原因, 有针对性的提出改进方案, 就可以提高通信的可靠性。噪声的来源不外乎有以下几种:
1.1 由电路中电子热运动引起的干扰
1.2 由电缆中电阻引起的信号衰减
1.3 由电感和电容造成的信号畸变
1.4 由信号泄露造成的传输丢失
1.5 大气中静电干扰的冲击
1.6 闪电、太阳黑子
1.7 电机的启动、停止, 电器设备的放弧等。
错误是由两类基本的但不同的事件产生的, 一类是静态事件, 其引发的错误比较容易处理, 因为它们的影响是可以预料的, 可以针对这类问题进行相应处理, 这样就能够将大多数的错误转化为无害的, 比如均衡放大器可以补偿高频衰减, 屏蔽可以防止无线电干扰;另一类是瞬态错误是由通信线上的干扰引起的, 干扰可能是大气中静电干扰、闪电、太阳黑子、电机的启动、停止, 电器设备的放弧等突发事件引起的, 也可能是局部静态事件或通讯设备内部灰尘而产生的。
所有的通讯方式都可能受到以上干扰的影响, 但串行方式更容易受到伤害, 因为其传送是以自然的逐位方式进行的, 在长的通讯线路中容易使数据受到难以预料的影响, 即使是极其微小的噪声也可能造成多个位上的不可避免的明显错误, 而电能表的数据通信恰恰以串行方式居多, 因而, 讨论差错控制编码对提高电能表通信质量是有意义的。
2 通信差错控制编码的概念
所谓通信差错控制编码就是在发送端信息序列上附加一些监督码元, 这些多余的码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联。接收端按照既定的规则检验信息码元和监督码元之间的关系将受到破坏, 从而可以发现错误。
如果接收端收到的信息码元和监督码元之间的关系不成立, 则有两种方式可以纠正错误:
2.1 接收端发现错误并要求发送端重发;
2.2 接收端要求发送端具有能够纠正错误的码, 接收端收到这些码组后, 通过译码能够自动发现并纠正传输中的错误。
仅讨论第一种情况, 接收端按照与发送端一样的规则对信息码元处理, 然后判断处理结果和监督码元是否一致, 就能决定所接收到的信息是否可用, 是否要求发送端重发。比如由发送端经编码后发出能够发现错误的码, 发送给接收端, 接受端收到后经检验如果发现传输中有错误, 则通过反向信道把这一判断结果反馈给发送端, 然后发送端把前面发出的信息重新传输一次, 直到接收端认为已正确地收到信息为止, 这样就达到了提高通信可靠性的目的。
3 通信差错控制编码的原理及实现方法
3.1 奇偶监督控制编码
这是一种最简短的检错码, 又称奇偶校验码, 为了检查字符在传输过程中是否有错, 常常在数据比特码组后面加1为比特作为奇偶检验位, 使得数据位码组中“1” (或“0”) 的个数为偶数或者奇数, 即所谓的奇偶校验。使得“1”的个数为偶数的称为偶校验码, 为奇数时称为奇校验码。假设码组的长度为n, 则偶校验监督码元为
an=a1+a2+an-1
奇校验监督码元为
an=a1+a2+an-1+1
从上面的公式中可以看到, 当信息码组中出现偶数个错误时, 奇偶校验码仍然满足上面的关系, 所以这种监督码只能检测出奇数个错误, 不能检测出偶数个错误。另外利用奇偶监督码方法传输数据的有效性比较低。例如:一般计算机通信都用10bit (或者11bit) 作为一个组, 1个开始位, 7个数据位, 一个奇偶位, 一个结束位, 其中为了传输监督码将花掉10%的时间, 而40%的错误奇偶校验码检测不出, 所以其检错能力不高。但是, 由于奇偶校验码比较简单, 在计算机通信中由专门的集成电路处理, 因此, 在计算机和电能表的通信中仍然使用。
3.2 检验和控制编码
使用检验和控制编码可以检测出突发性的错误, 它的校验方法是将数据块中的每一个8位字节当作一个二进制整数, 把数据块中的数据进行简单的求和运算, 得到的和再按模256运算, 将超过8位的进位抛弃, 模运算后的结果就是监督码, 即所谓的和校验。
由发送端将信息码的和监督码发给接收端, 接收端在接收到信息后, 按照同样的方法对数据作求和及模256的运算得到自己的运算和, 接收端将自己的校验和与发送端的比较, 从而可以发现是否有错误。这种方法的好处就是由于进位的关系, 一个错误可以影响到更高的位, 使得出错位对校验字节的影响扩大了, 也就是说随机突发错误和校验和的影响也是随机的, 校验和可以发现99.61%的突发错误。但是, 它不能检出字符序列的错误, 即信息段以随机的次序发送, 产生的校验和是相同的;另外它不能检测出两个字符上的单位错误, 比如:有两个字符分别为:1000011和1100110如果这两个字符的最后一个位都出错, 变为1000010和1100111, 那么, 校验和校验方法就检测不出来。
4 结论
利用通信差错控制编码可以降低误比特率, 提高电能表通信的可靠性, 但是由于每种控制编码的检错率不同, 应该根据通信信道介质和环境对信道干扰比较大时不能满足通信可靠性的要求。
奇偶校验控制编码无论是从检错率和传输效率来讲都是比较低的, 由于其简单并容易发现, 所以在有些电能表通信中仍然使用, 但是数据在信道受干扰比较大时不能满足通信可靠性的要求。
校验和控制编码可以检测绝大部分的错误, 而且计算简单, 目前在电能表通信中大多采用这种方法, 适用于直接本地抄表或在信道受干扰比较小的情况。
参考文献
[1]、Joe Campbell著.许国定等译.串行通信C程序员指南[M].北京:清华大学出版社, 1995.
电能计量装置的故障与追补原理 篇3
电能是我国国民经济发展和人民生活水平提高的重要保障, 在社会主义市场经济发展中起着关键性的作用。电能计量装置的计量结果是否可靠、真实、准确, 关系到供电企业和用户双方的利益。因此, 在计量装置出现故障时, 如何合理、公平地制定电量追补方案就显得尤为重要。同时, 对电能计量装置进行改造以提升其计量性能和准确性也显得非常的紧迫和必要。
1 计量装置的故障类型
电能计量装置故障的发生, 会对准确计算客户所用电量造成影响, 对线损的准确计算有影响, 进而影响到电力企业电费的及时回收。常见的计量装置故障类型主要包括以下几个方面:
(1) 电能表出现机械故障, 有些地方用的还是老型号电能表, 容易出现隐患, 而且电能表在检修过程中还应避免损伤轴承等重要部件, 以减小机械故障 (如卡字、擦盘、跳字、计数器装错等) 的发生。
(2) 过负荷烧毁计量装置。
(3) 电能表因雷击烧损引起的故障。
(4) 倍率差错, 由于互感器错发、错装或一组互感器变比不同而引起的故障。
(5) 互感器故障, 容易造成误差, 从而造成计量错误。
(6) 互感器二次回路故障。
(7) 电能表的运输条件不规范, 运输途中计量装置遭到损坏都会引起故障。
2 原理电量追补方法与实例分析
2.1 原理电量追补方法
在现实生活中, 由于一些不可抗拒因素的影响, 比如说计量装置出现偏差、故障等, 都会引起电能计量装置出现漏计、错计或者多计等情况的发生。此外, 一些人为因素 (如用户窃电、接线错误) 等也会造成电能计量的错误。出现了这些现象, 就要对电量进行追补。考虑到电量追补工作涉及到电力企业和用户各自的经济利益, 因此, 要采取科学、合理、公正的电量追补方法, 使各方都满意。以下简要介绍几种原理电量追补方法:
(1) 计算法, 也称为“公式法”。该方法是根据电能计量装置的工作原理来进行推导, 也就是求出该装置在正确计量和错误计量时的电能量比值。所推导出的电量更正系数公式为K=A/A*, 也就是正确计量的电能量A应该为A=KA*。式子中, 当电能表正转时K取正值;当电能表反转时K取负值。要采用功率因素进行计算, 取值可以参考其它计量设备, 正确记录计量差错期间的平均功率因数, 也可以参照正常月份的平均功率因数。考虑到电能的商品属性是先使用后结算的, 按照《供用电规则》第八十条的规定:在客户电能表发生计量差错时, 客户应当先如期缴纳所抄电量电费, 随后才进行补交追补电量电费。在此, 实际电量与错误接线时电能表所计电量之差就是所要追补电量。可以用公式ΔA=KA*-A*= (K-1) A*来表示。式中, 如果ΔA为正值, 就要对客户追补电量;如果ΔA为负值, 则是向客户退补电量。在式子中, 由于电能表无论是正转还是反转都真实地记录了客户所使用电能的多少, 差别只是误差不同而已, 所以其中的K值应当取绝对值。为了计算出需退补的电量值, 应该以“0”误差为基准, 所用的公式为:△A=[A*r%/ (1+r%) ]*倍率。式子中, 需退补电量值用△A来表示, 装置误差用r%表示。电能计量装置以允许电压降为基准, 在PT二次压降超出允许范围时补收实际值与允许值相差的电量。在计算所需退补的电量值时, 如果计量用互感器发生了匝间短路故障, 就用测试后的实际变比来计量。
(2) 主副表法。该方法是通过公用同一套电流互感器、电压互感器和二次回路, 并在同一个关口计量点装设2块同等级的关口表来进行计量。要用到两块表, 指定其中一块为主表, 另一块为副表, 并且指定后就不能随意交换。主表为供电量结算使用, 副表为其电量参考使用。此外, 还要定期比对校核同一时间段内的主副表电量。如果超过允许的误差, 或是其中一块表出现超差或其它故障, 就应立即报告, 并以另一块表来结算电量的使用情况。如果两块表都出故障了, 就使用其他方法来追补电量。
(3) 母线电量平衡法。该方法基于母线电量平衡的原理, 关口表装设在母线各进出线处, 即使其中一块关口表出现超差或故障等问题, 也能通过该母线上的母线线损和所有其它关口表的电量来计算总电量, 并求出该追补的电量。使用母线电量平衡法, 要保证母线各进出线都装设有关口表。
(4) 线损法。此方法需要装设一套电能计量装置在关口线路两侧。事先要指定不同的电能计量装置以供电量结算使用和电量备用。此外, 还要定期比对校核同一时间段内的两套电能计量装置的电量。如果因为线损而超过允许的误差, 就应该在现场查找原因, 并在考虑线路线损的情况下, 以其中正常的电能计量装置提供的电量来进行电量的计算, 并进行电量追补。这种方法应用比较广泛, 而且需要准确地计算出装置出现故障期间所发生的线损电量。
(5) 比较法。利用此方法可以在难以推导出电量更正系数的情况下推算出需退补的电量值。这种方法包含以下几种情况:1) 综合考虑正常时期电力线路同比功率时的计量状况, 以调度部门电能量采集系统的有关数据为参考来推算出需退补的电量值;2) 在考虑相应的损耗情况下, 以下一级或对侧电能计量装置来计算电量;3) 综合考虑用户值班记录、用电负荷等情况, 并以计量正常月份电量或同期正常月份电量为基准来推算所需退补的电量值;4) 综合考虑用电负荷以及更正后的计量装置所计电量, 推算出需退补的电量值;5) 综合考虑用户值班记录和用电负荷等情况, 并以同一计量装置中其它正确计量设备或主计量装置正确计量的电量为基准来推算出所要退补的电量值。
(6) 测试法。如果计量装置出现故障, 但一直还保持着计量的情况下, 在该计量回路中正确接入一只合格的电能表, 并计量一段具有代表性的运行时间负载所走的电量A, 它和同时间内的错误计量的电能量A*的比值就是电量更正系数K, 公式为:K=A/A*。
在实际操作中, 应该至少选择两种方法来相互验证, 相互参考来决定电量追补方案。此外, 在进行电量追补工作时, 还要综合考虑到负荷曲线、变电站运行记录、失压记录、电能量计费系统采集数据等情况, 这样才能制定合理和准确的电量追补方案。
2.2 实例分析
笔者多年从事现场检查和电量追补工作, 获得不少经验。2010年6月17日, 我局用电检查人员根据负控系统流转信息, 对位于深圳市光明新区某公司计量装置B相电压缺相的情况进行检查。到达现场后, 在该公司现场负责人的陪同下进行检查, 检查情况如下:
(1) 现场未经鉴定的封印外观完整, 无人为破坏及伪造痕迹。
(2) 现场表计接线正确, 计费主表型号:DTSD22, 表号:047453, 局编为:91636339, CT:500/5。现场录得主表有功总行码为23 412.38, 峰期为7 376.16, 平期为8 998.49, 谷期为7037.38, 无功为4 431.86。
(3) 现场测得电表电压Uab=398 V, Ubc=401 V, Uca=400V;接线盒电压Uab=396 V, Ubc=398 V, Uca=397 V;电表电流I-a=2.54 A, Ib=2.23 A, Ic=2.04 A;接线盒入线电流Ia=2.80 A, Ib=2.17 A, Ic=2.00 A;接线盒出线电流Ia=2.42 A, Ib=2.37 A, Ic=2.07 A;
根据现场检查情况反映, 该用户低压计量装置的多功能电子表内部B相欠压, 造成少收电量、电费, 属漏计电量、电费, 按有关规定应依法进行追补。采用合理的原理电量追补方法制定了电量追补方案如下:1) 根据大客户负荷管理系统查询得计量故障起始时间电量:23 186.16 k Wh, 根据现场换表工单显示故障结束时电表电量:23 709.93 k Wh。2) 计量装置B相失压期间的用电量为W= (23 709.93-23 186.16) ×500/5=52 377 k Wh) 计量方式采用高供低计, 当B相失压时的追补系数为50%, 计算追补的电量:W追=52 377×50%=26 189 k Wh。4) 实际要追补的漏计电费是: (电价以低计平期电价核算) 26 189×0.7556=19 788.41 (元)
3 计量装置改造措施
加强电能计量管理的重要措施之一, 就是对电力用户的电能计量装置进行改造。笔者根据电能计量装置的规范要求, 从以下三个方面提出一些提高计量装置可靠率的措施。
(1) 将计量装置改造与防窃电措施相结合, 对计量表计、二次计量回路等实行全封闭, 防止改动它们进行窃电。同时, 对一些组合计量互感器一次侧进出线可用绝缘材料 (如热缩材料) 进行全封闭。
(2) 将计量装置的改造与用户配置规范相结合, 可通过提高互感器、电能表的精度等级;合理选用电流互感器;增大电压互感器二次回路导线截面积并缩短导线长度;改善计量装置的运行环境条件, 减小误差等方法。
(3) 将计量装置的改造与提高其安全稳定运行相结合, 要把好改造设备选型、定货、验收关;尽量选用防污、防腐等级较高的产品;改善电能表的运行环境条件, 如具有通风、散热、散潮孔洞等。
4 结语
通过判定电能计量装置的故障类型, 以制定出合理、公平的电量追补方案才能减少供、用电双方的纠纷。电能计量装置的改造是一项长期的工作, 通过一些合理的改造措施, 能够减少电量的损失, 同时提高计量装置计量的可靠率。
参考文献
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[3]汪元龙.窃电方式与防范措施的分析探讨[J].电测与仪表, 2004, (3) .
[4]冯晓琴.窃电分析及防窃电技术措施[J].四川电力技术, 2005, 28 (5) .
[5]杨欧育.对当前社会上窃电与反窃电的思考[J].中国科技信息, 2009, (17) .
电能表原理 篇4
随着电力电子技术的迅速发展,电力电子产品广泛地应用于电力系统的各个领域,整流、逆变、变频等设备实现了变革,拓宽了电能的应用,但是在提高用电效率的同时也造成了电力系统的谐波污染日益严重,直接影响到了电力系统的安全运行[1]。目前,在电力系统中通常采用两种方法进行谐波抑制:一是采取措施减少电力电子设备自身产生的谐波;二是增设滤波装置滤除电网中的谐波。前者会使投资成本大幅度增加,后者一般通过装设无源滤波器或有源滤波器进行谐波抑制,有源滤波器因具有良好的动态补偿效果,成为目前研究的焦点[2,3,4,5,6]。
从电能利用的角度看,以电力电子设备为代表的非线性负载是一种高效、随意、有选择的用电方式。在一个工频周期内,非线性负载依据自身特有的用电方式只选择利用了正弦电能的一部分,剩余部分的电能不符合非线性负载的用电要求,被当作有危害的谐波滤除掉,这显然是一种不经济的做法。谐波本身也是一种能源,如果把抑制谐波转变为利用谐波电能,不仅可以创造很好的经济效益,而且也符合国家节能的方针。
文献[7,8]提出了利用变压器提取谐波电能等理论方法,验证了谐波利用的可行性,有很好的利用价值;文献[9]提出一种新型的基于基波磁通补偿原理与调谐滤波技术相结合,通过三绕组变压器在不取用基波功率的前提下获取电网中谐波电能的装置,不但有效地滤除了电网中的谐波,同时很好地提取利用了谐波电能。
本文在此基础上提出一种基于基波谐振原理的谐波电能利用方法,利用电感与电容组合而成的基波谐振电路与直流储能设备构成谐波电能利用装置,该方法不仅实现了高效率的谐波抑制而且有效地利用了谐波电能。
2 谐波电能利用的可行性分析
非线性负载与传统的电动机、白炽灯等用电方式不同,是一种特殊的非线性高效的用电方式,对电能(电压)具有选择性。一般情况下在一个工频周期内,电压较高时非线性负载才消耗电能,就出现了以正弦电压、畸变甚至间断电流的形式消耗畸变电能的用电方式,但是这种方式只消耗了正弦电能的一部分。
电网A相正弦电压、电流表示如下:
A相正弦电能为
以电网中常见的三相二极管整流电路为例,其A相畸变电流可表示为如下形式:
公共电网的电压一般保持正弦状态,则整流电路的A相畸变功率为
结合式(3)、式(5),则可利用的剩余谐波电能为
通过式(5)、式(6)可知,非线性负载只消耗了正弦电能的一部分,在电网中一般将剩余部分滤除或补偿掉,不仅增大了设备的投资成本,而且造成了电能的浪费。如果在满足电网电能质量的要求下,将滤波转变为利用谐波,为社会变废为宝,将成为循环经济发展中的一个有益环节。
3 谐波电能利用方法设计
谐波电能利用装置设计如图1所示,在电网三相电路中串入一组电感和电容,使其对基波电流产生串联谐振组成基波谐振电路,该电路对基波电流无影响,但对谐波电流产生高阻抗。再在基波谐振电路与非线性负载之间并联一直流储能设备,其通过3个正向二极管与3个反向二极管与线路相连,正、反向二极管的作用是分别提取非线性负载不消耗的正、负半周期的剩余谐波电能。由于基波谐振电路的作用,迫使谐波电能以正、负直流电能的形式流向直流储能设备,储存的直流电能经平波后可直接供直流负载或逆变后送入电网。
通过建立等值电路来说明基波谐振电路的重要性,未串联基波谐振电路时的等值电路如图2所示,其中非线性负载等值为一谐波电流源,I觶n为谐波源的n次谐波电流,I觶Sn为流入电力系统的谐波电流,I觶fn为流入储能设备的谐波电流,nXS为电力系统的谐波阻抗,Rfn为储能设备的等效谐波电阻,Xfc/n为储能设备的等效谐波容抗。
可求出流向电网与储能设备的谐波电流分别为
谐波电能利用的多少决定于nXS与Rfn-Xf C/n的大小关系,nXS越大,流向储能设备的谐波电能越多,但是电网的等效阻抗XS是一个非常小的值,而且随着系统容量的不断增大,XS会不断减小。会出现(Rfn-Xf C/n)>nXS,则ISn>Ifn,此时的谐波利用率较低,而且谐波电流会大量的流向电网,对电网产生危害。需在三相线路中串入基波谐振电路迫使谐波电流流向储能装置,其等值电路如图3所示。
此时流向电网与储能设备的谐波电流分别为
通过调节基波谐振电路的参数,可满足:
则
串联基波谐振电路后,谐波电流几乎全部流入储能设备,不仅能较好地抑制谐波而且可以有效地利用谐波电能。储存谐波电能的装置采用直流储能装置,将谐波电能的正、负半周分别储存,不需分频提取,大大降低了谐波电能利用的成本。
4 实验验证
通过实验来验证谐波电能利用的可行性,电路图如图4所示。实验中以三相二极管整流电路作为非线性负载,电感L和电容C组成基波谐振电路,由于是验证性实验,以3个25 W白炽灯来模拟储能设备并入线路中,白炽灯的作用是消耗二极管整流电路不利用的谐波电能。
利用示波器测量未利用谐波电能时的A相电压、电流波形,如图5所示,由于二极管的单向导通性使其电流间断。
在线路中串联基波谐振电路与白炽灯负载后,用示波器测量A相的电压、电流波形如图6所示,A相电流分别流向整流电路与白炽灯的电流,如图7所示。谐波利用前后的电流比较如表1所示。表1中比较了电流的总畸变率THD与各次谐波百分比。
由图5、图6与表1可知,基波谐振电路与白炽灯负载投入运行后,电流畸变率下降为1.01%,由间断的波形变为比较接近正弦的波形。图7中的i1为流向整流电路的电流,i2为流向白炽灯的电流,将这两条曲线叠加后是图6的电流波形曲线,这就说明了此时电网的正弦电能被分为了2部分,一部分被整流负载消耗,剩余部分被白炽灯消耗。这种方式不仅有效地抑制了非线性负载的谐波,同时很好地利用了谐波电能。
白炽灯与整流负载相互配合的用电方式验证了谐波电能利用的可行性,在工程应用时可将白炽灯消耗的谐波电能以正、负直流电能的形式储存起来,供直流负载使用或逆变后送回电网。
5 结论
本文提出一种基波谐振电路与直流储能设备相结合的谐波电能利用方法,通过理论分析与实验验证该方法的正确性,不仅可以有效地进行谐波抑制,而且较好地利用了谐波电能,符合国家的节能方针,不仅节省了装设滤波装置的成本,而且可创造更多的经济效益。在能源日益紧张的局势下,该方法有广阔的应用前景。
摘要：针对电力系统谐波污染日益严重的现状,提出一种基波谐振原理与直流储能设备相结合的谐波电能利用的方法,在三相线路中串入由电感与电容组合而成的基波谐振电路,该电路对基波电流无影响,但对谐波电流呈现高阻抗性,可以迫使谐波电流通过二极管电路以正、负直流电能的形式流入直流储能设备,储存的直流电能经平波后可直接供给直流负载也可逆变后送回电网。首先分析了谐波电能利用的可行性,设计出了谐波电能利用的方法,最后通过实验进行了验证,分析了此方法的谐波抑制效果的优越性与谐波电能利用的正确性。
关键词：谐波电能,基波谐振,储能设备
参考文献
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电能表原理 篇5
1 电能测量内容
由于测量侧重点及工作原理的差异性, 电能计量表具有三种不同类型, 也就是感应型、电解型及静止型, 虽然三种类型都可以对电能进行测量及数据处理, 但是目前被广泛应用的主要还是感应式及静止式。感应式电能表由于运行原理及设备构造方面具有一定的制约性因素, 所以测量结果难免出现一定误差, 这就使得该类型的电能表的功能发挥受到一定阻碍。静止式电能表的运行是以电子方式为基础实现对功率的转换, 最终完成数据的整理, 所以静止式电能表也就是电子式电能表。静止式电能表由于测量结果的误差小、可以承受高强度的荷载力、设备对能源的消耗量小以及易于携带的优势特点, 被越来越多的应用于电能测量领域。经过多种因素的综合考量, 以及电能计量表工作质量及运行成本因素的差异性, 静止式电能表逐渐替代了感应式电能表的市场位置。
根据转换方式的不同, 静止式电能表又可以分为ADC型、霍尔乘法型、热点交换型、时分割乘法型这几种类型。ADC型电能检测指将将经过的电流和电压转化成为数字量, 并利用微控制单元 (MCU) 对信号进行数据处理。处理后得到的就是最基本的电量信息, 利用MCU对获得的电量信息进行各类运算, 得到相关各项数据;霍尔乘法型电能检测就是指利用霍尔元件来对电压和电流的乘积进行检测, 得到与电功率成正比的电信号;热点交换型使利用热电元件将电能产生的热能转换成为与电能功率成正比的电信号;时分割乘法型电能表又称PWM乘法器, 通过分别经过脉宽和幅度调制的两路信号得到脉动信号的直流分量, 即两路信号的乘积。
2 智能型电能表的功能作用
2.1 可以对用电量进行计量。
智能型电能计量可以完成两种形式的计量, 一种是对用电量进行当时目标计量, 另一种是可以对用电量进行期间内的积累量进行计量, 并且智能型电能计量对期间内的用电量的计量结果误差值较小, 准确率高达95%以上, 而对当时目标进行计量的结果却与之不同, 会受到实时用电功率的一定影响, 功率越大测量结果也就越加具有精准性。
2.2 可以实现对时段的控制。
智能型电能计量表的工作人员可以通过相关媒介实现对设备内部时间段的区间调控, 如果是单片机也可以按照相关功能设定对时间段进行保留及获取。这种控制方法的应用技巧就是通过对设备进行调节, 将时间进行设定, 以此达到对期间电量锁定的目的。
2.3 复费率作用。
复费率功能也就是将计费功能进行分开调节, 通过相应技术手段将电量差值进行高低区别选择, 这样就可以实现对电能的有效控制, 使用电质量得到一定程度的提高, 从而减少运营成本的流出, 实现经济利益的最大化。
2.4 可以对最大需量进行计量。
在进行电能计量表的配置环节, 为了保证用电质量, 减少能源不必要的消耗, 需要根据用户用电常规标准进行最大限额设置, 同时进行分时段的电量测量, 将测量结果中的数据最大值选中, 并与先前设定的数据进行综合比对, 如果出现了超额使用现象, 电能表就会做出提示。
2.5 可以预先设置参数。
由于电能表工作原理及工作内容的差异性, 其参数标准也具有一定区别, 通常情况下, 电能表可以进行时间、分时段设定期间、最大需量值等等内容的设置。对设备内容的设置不仅仅可以进行本地设置, 更可以进行远程操控, 在地区之间进行设备配置操作可以通过电脑及抄表器完成, 而远程控制则需要以数据传输形式进行现代信息技术的远距离控制。
2.6 可以实现对设备的实时监控。
智能型电能计量表可以独立完成监控功能, 其功能优势主要体现在两个方面, 一方面是当设备监测到电功率超过标准限定额时, 设备就会及时作出反应, 并伴随警报提醒, 或者是电功率超出限定值的时间比较长, 并超过设定时间范围, 设备就会以跳闸形式发出警告。另一方面是当电表设备已经进入付费运行环境下, 预先设定的最小数额大于电量, 就会出现警报提醒, 或者是当电量小于零时就会出现跳闸情况。因此可以看出, 智能型电能计量表的监控功能只有在设备发生问题时才会显现, 在做出提醒时会以灯亮起作为信号。
2.7 可以实现对数据的显示。
智能型电能计量表的功能不仅仅是对电能进行计量, 同时还需要体现出电量内容, 而达到对电量内容进行显示必须具备以下两种特质:一是将用户需要的用电内容在条目上进行周而复始的信息展示;二是将所需展示的内容以用户为主体进行自行挑选, 在需要进行项目变化时可以通过调节按钮实现。
2.8 强大的存储功能及事件记录功能。
智能型电能计量表由于其技术优势, 可以对设定期间内的数据进行储存, 这将大大的提高了抄表的工作效率, 有效缩短了抄表时间。除此之外, 当电表发生不正常运行状况时, 智能型电能计量表就可以智能记录下状况发生时间及电表运行状态等数据信息, 这将为工作人员检查设备提供较大便利条件, 使电表运行状态处于长期安全稳定的舒适环境下。
3 智能型电能计量表的未来发展前景
随着我国电力市场的不断扩张, 用户对用电管理的需求越来越大, 为了应对市场需求, 各种新型智能型电能计量表得到开发和应用, 各种型号虽然形态各异、功能众多, 但其主要功能最终可以分为三个方面:计量、计费功能, 保护功能和通信功能。计量、计费功能包括分时计量、最大计量和预付费等功能;保护功能包括对电流、电压进行保护并防止窃电行为等;通信功能主要是通过数据接口和数据网关进行数据交换。
随着智能型电能计量表的不断发展, 抄表也经历了各种不同发展时代, 从最初的手动抄表发展到后来的自动化抄表, 并随着我国电子信息技术的不断发展, 其中出现了以PDA (掌上电脑) 为代表的手持式抄表器、IC卡表自动抄表系统、电力载波自动抄表系统、区域远红外抄表、车载抄表系统等。通过设计中采用RS485接口与电能管理系统中的智能数据网关进行通信, 并且以太网与上位机连接从而实现远程电能管理。
为了响应建设节约型社会的号召, 智能型电能计量表在我国用电管理中的使用范围将不断扩大, 其优势也将得到更进一步的体现。智能型电能计量表的应用对我国用电管理具有深远影响, 对电能计量表的研究设计也有着重要社会意义。
参考文献
[1]杨琼.电能计量管理系统智能型电能计量表的设计与应用[J].能源.电力, 2016 (4) .