配电网电能计量系统误差分析及评价研究①

陆月朋

(淮南联合大学 智能制造学院,安徽 淮南232038)

0 引 言

电能是国民经济和人民生活极为重要的能源,电气化程度和管理现代化水平是衡量一个国家是否发达的重要标志[1]。因此对电能计量系统的误差进行研究并尽可能的降低误差就显得尤为重要。

相较于欧美发达国家,我国在测量方面的研究相对滞后。相较于前期的检定装置,多功能电子式检定装置功能更丰富,性能更优越,更具智能化,具有很高的检测精度与检定效率[2]。2015年,我国自主研发使用的多表位检定装置能够同时实现对多块电能表的检定,其精度能够达到0.01级[3]。李蕊等从内部电路结构、外部潮湿敏感、芯片封装工艺等角度详细分析了电子式电能表故障产生原因以及防范措施[4]。袁瑞铭等[5]、彭小娟等[6]分别采用OOK动态测试信号模型与蒙特卡洛法分析了数字式电能表的误差特性,验证影响因素与综合误差间的函数关系。基于此,以某地区电网为研究对象,对配电网电能计量系统的运行状况予以评价,给出电能计量系统改进的应对策略。

1 电能计量系统的主要组成及其接线

1.1 主要组成

电能计量系统主要组成部分包括电能表、互感器、二次回路、电能计量柜等[7]。测量用互感器主要功能是将高电压、大电流转换为低电压、小电流,既扩大了电能表测量范围,又有效地将人员、设备与高电压、大电流隔离,保证安全。

1.2 接线方式

在实际运行中,电压互感器的常见接线方式主要有V,v0,Y,y,其二次绕组在任何情况下严禁出现短路情况且需设置相应的保护接地点。电流互感器的常见接线方式主要有V形、Y形,其二次绕组在任何情况下严禁出现开路情况且需设置相应的接地点。电能计量系统的接线方式主要有单相接线、三相三线接线以及三相四线接线等。110k V及以上电网采用三相四线式进行电能计量。在380/220V系统中,必须采用三相四线式进行电能计量。

2 电能计量系统误差分析

2.1 主要组成部分的误差描述

2.1.1 电子式电能表误差描述

电子式电能表的误差主要来自于电压/电流变换器误差、乘法器与U/f变换器误差以及响应时间、测量重复性误差等。实际应用中,温度误差、U/f转换的高频脉冲信号脉冲量化误差可以忽略不计。电子式电能表的基本误差与附加误差依靠定性分析与试验数据对其进行误差特性分析。

2.1.2 电流互感器误差描述

通常,工程上常采用角差δi、比差ƒi描述电流互感器的误差。其中,Κi表征电流互感器变流比如式(1),式(2)。

同理,工程上多采用角差δu,比差ƒU表述电压互感器误差。其中U1,U2,Κu分别表征电压互感器的一次电压、二次电压、变压比如式(3)。

2.2 电能计量系统综合误差

电能计量系统的综合误差主要包括电能表误差、互感器合成误差以及电压互感器二次回路压降造成的误差。其中,互感器合成误差主要指以不同接线方式与电能表相连后电流互感器、电压互感器的比差、角差形成的误差合成[8]。在工程中,电能计量系统综合误差主要有两种方案,第一种是将电能表误差、互感器合成误差以及二次回路压降误差综合考虑。第二种是将电压互感器二次回路压降误差归算到电压互感器的误差中,再求出互感器合成误差,最后形成电能计量系统综合误差。选择第一种方案,如式(4),γ,γa,γb,γc依次表示电能计量系统综合误差、电能表误差、互感器合成误差以及二次回路压降误差。

3 某地区配电网电能计量系统误差分析

3.1 接线方式对电能计量的误差分析

接线方式正常与否是影响电能计量系统误差的主要原因之一。电压互感器通常安装在距离电能表较远的位置,中间通过长长的导线实现互联,使得在二次回路上的电能表与电压互感器之间产生一个压降,即二次回路压降,必将造成电能计量存在误差,如式(5),P1,P2表示折算后、折算前电压互感器的有功功率。

3.2 中性点接地方式对电能计量的误差分析

理想三相对称情况下与三相不对称情况下的电能计量误差ΔP,如式(6)。

其相对误差为式(7):

根据工程经验如式(8),

式(7)可以化简为如式(9):

式(6)-(9)中,θ表示U b与I0的夹角。I0表示中性点电流。P,P1分别表示三相不对称系统有功功率、三相对称系统有功功率。ΔP表示电能计量误差。γ1表示相对误差,与I0的大小成正比。式(9)分析如下:

(1)若θ∈(-90°,90°),则cosθ＞0,那么,γ1＜0,误差值为负数,少计量电能;(2)若θ∈(90°,270°),则cosθ＜0,那么,γ1＞0,误差值为正数,多计量电能;(3)若发生三线短路故障,I0=3I。如果cosθ=1,则γ1绝对值将达到最大,约为12.5%。综上,中性点接地方式不同,对电能计量系统的误差影响也不同。简言之,三相不对称系统中性点直接接地方式对电能计量影响最大,带来较大的计量误差。

3.3 实例分析

(1)实例1:二次回路压降带来的电能计量误差

以某地区YQ站为例,YQ站35k V侧选用三只单相电压互感器按照Y,y接线进行连接;10k V侧选用两只单相电压互感器按照V,v接线进行连接,此外,还接有一只三相两元件有功电能表。在实际运行中,根据前述定义得到计算后的电能计量误差,如表1。

表1 YQ站电压互感器二次回路计量误差数据

由表1可知,因为电压互感器二次回路会产生较大的二次压降,使得电能计量系统在实际运行中存在少计量的情况(表1中计量误差为负数),不仅为供电企业与用电户之间的贸易结算带来经济影响,还可能因为用户需要补交电费而带来一些不必要的纠纷。

(2)实例二:中性点接地方式带来的电能计量误差

某地区220k V,110k V电网多采用中性点直计量方式多采用三相四线式,极少数选用三相三线式。选取部分变电站的零序电流统计数据。为了体现零序电流互感器在电能计量中的优点,同时选取部分传统电流互感器做比较,结果如表2。

表2 某地区部分变电站电流互感器二次侧电流统计数据表(部分)

由表2可知,零序电流占相电流的比值分布范围约为0.3%～1.1%之间。相较于传统电流互感器,零序电流互感器测量准确性和可靠性较高,结果较小。采用三相电流互感器的准确性较差,误差计算结果相对较大。对选取的变电站按照二元件方式进行接地电流测量,其结果如表3所示。

表3 二元件方式下接地电流测试数据统计表(部分(cosφ=0.8))

结合表2,由表3可知:接地电流均超过了相电流的0.1%,最高者可达15%。表中反映的测量最大误差值达到±4.05%。选取半年内TN站的电能统计数据,通过式(10)对其电能损耗比R进行评判,如式(10)。

式(10)中,P X,W,R分别表示电能损耗、理想计量电能以及电能损耗比。在零序电流影响下,TN变电站三台主变的电能损耗比依次为:0.10962%,0.16177%,0.14897%。

4 基于不确定度的电能计量系统检定研究

测量不确定度表征被测量值或者是被测量赋予值分散性合理程度的物理量,与测量结果息息相关。按标准不确定度数值评定方案,可以分为A类评定与B类评定。A类评定将多次测量结果求均值,并按照式(12)得到被测值的标准差,即被测值不确定度,如式(11)。

同理,被测量均值的标准不确定度如式(12)。

式(11),(12)中,n表示样本数量,x k表示被测序列,u(x)为被测信号序列标准差,u()为被测信号序列的标准不确定度。相较于A类评定,B类评定根据来源信息的不同,依据工程经验或概率分布评判不确定度。自由度v表征标准不确定度的精确程度,即自由度越高,被测值的不确定度越精准。

在工程经验中,在其它条件具备时,根据式(13)得到自由度值。

忽略被测量非线性因素以及相关系数,合成标准不确定度u c(y)如式(14)。

其中,Ci=δy/δxi表示灵敏度系数。

4.1 电子式电能表测量检定评价

基于不确定度的电子式电能表检定数学模型定义为:

式(15)中,Yx0,Yx,Yb,Yj分别表示电表测量误差、检定表测量误差、检定表电能测量误差以及被测表修约误差。选择B类评定方式。

经过计算得到:

(1)当cosψ=0.5时,Y x0=0.24%,U≈0.13%,K=2。(2)当cosψ=1时,Y x0=0.35%,U≈0.09%,K=2。表示当置信概率为0.95时,被测表的测量误差落在区间(YP±U),即:(1)当cosψ=0.5时,Y x0∈(0.37～0.11);(2)当cosψ=1时,Y x0∈(0.44～0.26)。表示被测表的误差主要来自于电能计量装置误差。

4.2 电流互感器测量检定评价

设有(1)被测电流互感器等级为0.05级,一次侧电流量程0.1～5000A,二次侧电流为5A。(2)电流互感器检定装置为0.01级,一次侧电流量程0.1～5000A,二次侧电流为5A。(3)其它测试环境参数符合标准规定。基于不确定度的电流互感器检定数学模型定义为:

式(16)中,ƒx,δx,ƒp,δp分别表示被测电流互感器比差、被测电流互感器角差、检定表测量的电流互感器比差、检定表测量的电流互感器角差。因此有如下情况:比差扩展不确定度为Uƒ(95%)=0.23×0.0067%=0.013%;角差扩展不确定度为Uδ(95%)=2.01×0.26=0.52。由检定电流互感器测量的被测电流互感器满足规程要求。

因此,根据电能计量误差案例分析结果以及基于不确定度的检定评价结果,可以初步得到该地区电能计量系统误差降低的应对策略:(1)提高电能计量装置整体精度。(2)选用适合的电流互感器。(3)选用合理接线方式避免零序电流的计量误差。(4)降低电压互感器二次回路压降带来的计量误差。

5 结 语

现代化电能计量系统不仅能够计量电量,还可以实时采集电能表数据以及电能计量设备运行状态参数,有利于电能损耗的判断,满足逐步实现电能计量误差降低到最小的目标。指明了电能计量系统的主要组成、常见接线方式以及影响电能计量精度的误差因素,得到电能计量综合误差。结合某地区配电网现状,分析了供电线路接线方式、中性点接地方式对配电网电能计量系统可能产生的计量误差,通过实例说明该地区配电网电能计量误差的实际情况。最后,选用不确定度理论对电能计量系统的电子式电能表、电流互感器的检定情况进行评价。检定计算表明不确定度理论能够较好的实现检定功能评估。根据电能计量误差分析结果以及检定结果,初步给出了误差降低的应对策略。