排灌供电系统中低压三相四线智能电能表计量性能分析

耿建坡,王永辉,马红明,冯 波,任 鹏

(国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021)

排灌供电系统中低压三相四线智能电能表计量性能分析

耿建坡,王永辉,马红明,冯 波,任 鹏

(国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021)

针对农村排灌机井供电方式特殊,需要使用低压三相四线智能电能表的问题,分析了不同接线方式下低压三相四线电能表的计量性能,包括电能表N线悬空、N线就地接大地引线等情况下的计量原理,以及不同接线方式下对称负荷时电能表电压断相时的电量错误情况。

排灌供电;低压三相四线电能表;三相三线供电;N线接线方式;电压断相

智能电能表已经在电网应用了几年,为智能电网的发展以及用电管理模式转变起到了积极的推动作用。为了解决在应用过程中暴露出的若干问题,以及对智能电能表提出的新技术和管理要求,进一步规范电能表的型式、功能、技术性能及验收试验等相关要求,满足电能信息采集和智能电网建设的需要,2013年修订了智能电能表技术规范系列标准,统一电能表的型式、结构,明确了电能表的种类及其功能配置要求,为国家电网公司系统电能表集中招标提供技术支撑。

1 排灌供电系统实际运行中计量存在的问题

按照Q/GDW 1827-2013《三相智能电能表技术规范》中对直接接入式三相表的参比电压规定为3×220/380 V[1],且在附录A的表A1智能电能表电压电流规格对照表中对直接接入式三相电能表也只有电压规格为3×220/380 V一种三相四线接线方式。国家电网公司系统电能表集中招标管理工作中是严格按照技术规范中的规格列出物料的,无法购买现场需要的低压三相三线380 V智能电能表,另外电能表生产厂家也是严格按照Q/GDW1827-2013中规定的规格设计生产电能表,没有生产低压三相三线380 V智能电能表。

在农村排灌机井供电线路上,由于主要负荷为电动机,基本工作于三相对称情况,因此多数地方采用了三相三线制供电,即只使用UVW三根电源线,按照传统的计量模式需要使用三相三线380 V直接接入的电能表进行计量。这是因为没有N线供电而造成的电能表无法正确接入三相四线3×220/380 V智能电能表,因此需要研究三相四线3×220/380 V智能电能表在无N线情况下的计量性能,以解决排灌机井电动机用电计量问题。

2 低压三相四线电能表的计量性能分析

2.1 三相四线电能表内部计量原理

一般三相四线智能电能表主要由电压输入回路、电流输入回路、电能计量专用芯片、计量管理微处理器MCU和通信接口等部分组成,如图1所示。

图1 智能电能表计量原理示意

智能电能表正常接线需要给电能表提供三相电压信号和三相电流信号,而在排灌供电系统中使用UVW三相三线制供电,线路可以正常提供三个相电流信号,但不能提供三个相电压信号。因此影响低压三相四线智能电能表计量性能主要因素是电能表的电压输入接线方式,目前绝大多数电能表内部电压回路是接成U、V、W、N完全星形,每相使用电阻网络进行分压后送入电能计量芯片,其等效电路如图2所示。

图2 电能表电压输入回路等效电路

2.2 三相四线电能表不接N线计量性能分析

在农村排灌机井供电方式为三相三线制,只提供U、V、W3根电源线,如果使用三相四线直接接入式电能表进行计量,供电线路电源三相(U、V、W)分别接电能表的三相电流输入端子,电能表三相电流输出端子引出线接三相三线负荷,接线如图3所示。

图3 三相四线直接接入式电能表特殊接线

如果使用三相四线经电流互感器接入式低压电能表进行计量,当安装有三相电流互感器的线路将三相电流互感器的二次回路直接接入电能表相应相别,电压从供电线路三相直接接到电能表相应相别即可。而对于旧计量装置中可能只有U、W两相电流互感器时应按图4所示接线,其中电能表的端子3和9相连后接入6端子,电能表端子4出线与U、W两相电流互感器的尾端并联线连接在一起,保证电能表的三相电流关系有Iv= -(Iu+Iw),与一次供电的三相三线负荷电流关系一致[2]。

图4 三相三线经电流接入式接线

与常规接线特殊的地方是三相四线电能表的N线悬空不接任何线。

在上述接线情况下电能表电流测量过程不受任何影响,而电能表电压测量由于没有N线接入,需要根据内部设计电路分析电能表电能计量模型的测量结果。图5所示为三相四线电能表计量三相三线负荷时电压回路的等效电路。

图5 三相四线电能表计量三相三线负荷时电压回路的等效电路

此时三相三线负荷等效为中性点为②的星形负荷,电能表三相电压回路形成中性点为①的星形电路。对于直接进入式电能表的三相电流Iu、Iv和Iw和负荷的三相电流完全相同,而三相三线负荷使得三相电流有下列关系:

则三相负荷消耗的功率为

而三相电能表测量的功率为

由上式(2)和(3)两式可知P电能表=P负荷,说明三相四线电能表在这种接线时,完全可以准确计量三相三线负荷的电能。

应注意此种接线方式下智能电能表中测试的三相电压值没有实际意义,并不是负荷的三相实际相电压值。

2.3 三相四线电能表N线接大地计量性能分析

农村排灌机井供电方式为三相三线制,一般变压器低压侧中性点直接接地,因此在接地良好时,大地也可作为N线使用。当在机井处装表时,对于三相四线电能表可用接地良好的地线接入电能表N线,忽略大地电阻则图5中节点①的电压为参考点,电位为零。电能表测量的功率为:

由(2)和(4)两式可知P电能表=P负荷,说明三相四线电能表在这种接线时,完全可以准确计量三相三线负荷的电能。

3 智能电能表不同接线在电压断相时电量差错计算

农村排灌机井供电负荷一般为电动机,其最显著的特点就是三相负荷为对称负荷,在三相电源对称供电时,电能表测量的三相电压对称,三相线电压U线为相电压U相的倍,三相电流I相幅值相等,各相负荷的功率因数相同为cosφ。

农村排灌供电系统中当电能表有接线故障时,对于三相四线电能表不同接线方式测试结果会有所不同,现分析如下。

3.1 三相四线电能表不接N线时断相故障分析

在三相三线负荷正常供电情况下,当电能表发生电压断相时,例如W相断相时,只有U、V相电压供电,电能表中性点电位①为Uuv线电压的中点,U相电压为Uuv,U相电流为Iu, V元电压为-Uuv,V元电流为Iv,W元电压为零,向量图如图6所示。

图6 电能表三相电压电流向量图

对于排灌负荷三相对称,设三相线电压为U线,相电压为U相,有,三相电流I相幅值相等,三相负荷的功率因数相同为cosφ。

由电能表向量图可得计量的总功率为

分析可知其他两相断相时情况相同,则此种接线方式下电压断相发生时,电能表计量电能是负荷实际电能的0.5倍。

3.2 三相四线电能表N线接地线时断相故障分析

图7 电能表三相电压电流向量

在电能表N线接入接地线情况下,三相对称排灌负荷电压电流对称相等,当一相电压断相时,该相电压为零,功率等于零,如图7所示。其他两相工作情况正常,电能表计量的总功率为:

则此种接线方式下电压断相发生时,电能表计量电能是负荷实际电能的倍。

4 排灌用低压三相四线智能电能表通信问题分析

目前排灌计量计量电能表一般安装在机井处,而抄表集中器安装在变压器低压侧,从电能表到集中器需要有通信手段,常用的通讯有低压载波、微功率无线和GPRS无线等技术[2]。

对于低压载波模块电能表,现有的通信模块是在各相电压与N线之间传输载波信号。当三相四线电能表的N线悬空不接任何线时,电能表的载波信号将不能加载到电力线,因此现有三相表载波模块不能完成远程通信,需要对载波模块进行改造。当采用电能表N线接入接地线方式计量时,当变压器中性点接地时载波信号可通过各相电压线与地线之间传输载波信号,完成远程通信,但每个机井均需要引出接地电阻较小的接地线。

对于微功率无线模块电能表,智能电能表的电源在不同计量方式下都能正常工作,均能向通信模块提供正常的12 V直流电源,电能表通过通讯模块能够正常完成远程通讯工作。如果机井位置距离变压器较远,应该在线路合适的地方增加电源适合380 V的微功率无线中继器。

另一种技术是智能电能表直接采用无线移动GPRS通信模块,电能表均能向通信模块提供正常的12 V直流电源,只要机井处的无线移动通信信号满足要求,电能表通过通信模块能够正常完成远程通讯工作。

5 结束语

针对农村排灌机井的特殊供电方式,以及目前国家电网公司智能电能表技术规范和国家电网公司物资采购规范要求,无法供应低压三相三线电能表,而需要使用低压三相四线智能电能表,分析了不同接线方式下低压三相四线电能表的计量性能,能够正确计量排灌机井的电能量。

[1] Q/1827-2013,国家电网公司.三相智能电能表技术规范[S].

[2] 陈向群.电能计量技能考核培训教材[M].北京:中国电力出版社,2003.

本文责任编辑:靳书海

Analysis of Measurement Performance for Low-Voltage Three-Phase Four-wire Smart Meter in Irrigation Power Supply

Geng Jianpo,Wang Yonghui,Ma Hongming,Feng Bo,Ren Peng
(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

To the special power supply of the rural irrigation wells,State Grid new smart meter specifications have no standard for voltage three-phase three-wire meter,need to use low-voltage three-phase four-wire smart meter instead.This paper analyzes measurement performance for low-voltage three-phase four-wire smart meter in different wiring,including measurement principle for N lines of the meter suspended,N lines connected to the earth ground and other circumstances,also analyzes the condition of power error for voltage phase failure when the symmetric load in different wiring.

irrigation power supply;low-voltage three-phase four-wire smart meter;three-phase three-wire supply;wiring of N line;voltage phase failure

TMP33

B

1001-9898(2016)04-0004-03

2016-06-15

耿建坡(1962-),男,高级工程师,主要从事电力电测计量等工作。