直流电能表国内外标准对比分析

于春平，段永贤，李 熊，岑 炜，孟 静，刘 思

（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.国网浙江省电力有限公司营销服务中心，杭州 311121）

0 引言

为应对全球变暖，实现“碳中和”已成为全球共识，能源转型是可持续发展的必由之路。直流电网在可再生能源中灵活接入，其在源、网、荷、储友好互动，降低配电损耗方面具有明显优势，是能源转型、减少碳排放的重要推手。因此，电网直流输配电技术在风能、太阳能和电动汽车充换电等新能源领域得到迅速发展。

直流电能表是直流输配电网中的重要计量设备，用于测量直流电力系统中的电能等参数，主要应用于电动汽车充电基础设施、信息技术服务器厂（数据中心）、电信基站、住宅区或商业区的低压直流电网、光伏发电系统、公共交通直流供电系统及铁路系统等场合。随着智能电网直流输配电技术的发展、新能源发电并网比例的不断提高以及直流电力负荷的迅速增加，尤其是电动汽车直流充电机的规模化应用，对直流电能表大电流直接接入式计量、宽量程计量和高精度计量等需求日益旺盛。然而，目前直流电能表生产厂家较少，产品质量及稳定性有待提升；现场动态负荷下的直流计量性能尚待考核；相比于传统单相、三相电能计量芯片，直流计量芯片尚未形成产业规模，存在动态范围小、精度不足等问题［1-4］。

随着直流电能表功能需求的多样化发展，其误差影响因素也越来越复杂［5-6］。研究新应用场景下直流电能表相应的技术指标和检测要求，尽快完善直流电能计量标准体系，对促进直流电能计量水平的提高、保障直流电能计量准确度尤为重要。目前，国内外正加快对直流电能表标准的制定与更新，以契合新技术的发展变化。

本文研究了现阶段国内直流电能表标准与IEC 标准的制定现状与差异，分析了国内外标准中不同的试验项目与评价方法，为我国进行相关标准制修订、完善国内直流电能表评价手段及直流电能标准体系建设提供了一定的思路，为加快推进我国标准与国际标准之间的转化运用提供参考，促进国内直流电能表水平不断提升。

1 直流电能表IEC标准现状

IEC的6205X系列标准体系中包含了2类直流电能表产品：一类是直接接入式直流电能表；另一类是经LPIT（低功率互感器）接入的直流电能表。IEC制定的6205X系列标准如表1所示。

表1中，直接接入式直流电能表标准已经编制完成的有2 项，分别是IEC 62052—11：2020《电能测量设备-通用要求，试验和试验条件-第11 部分：测量设备》和IEC 62053—41：2021《电能测量设备-特殊要求-第41 部分：静止式直流电能表（0.5 级、1 级）》，均由IEC/TC 13（电能测量和控制技术委员会）编制。IEC 62052—11 是直流电能表和交流电能表的通用要求标准，包含了如标称值、结构、标记、电气、气候、EMC（电磁兼容性）等要求和试验方法；IEC 62053—41：2021是规范特定准确度等级的特殊要求标准，已于2021 年6月发布了第1.0版。

经LPIT接入的直流电能表标准目前还处于计划阶段。LPIT 是指IEC 61869 系列标准中定义的低功率互感器，其传输低功率模拟量或数字量信号给后端的测量仪表。当互感器传输数字量信号时，与其连接的电能表将不包含模拟量采样环节，直接输入数字化采样值报文。在IEC 62053—41标准中规定，设计与低功率互感器一起使用的电能表需与互感器一起测试，才能参照直接接入式电能表的测试方法与要求。

由表1可知，直流电能表的国际标准体系实际也尚未健全，大部分还在计划中。

表1 直流电能表IEC标准

2 直流电能表国内标准现状

目前，我国直流电能表的产品标准与检定规程均已颁布实施，有：国标GB/T 33708—2017《静止式直流电能表》；检定规程JJG 842—2017《电子式直流电能表检定规程》；行业标准DL/T 1484—2015《直流电能表技术规范》。其中，国标GB/T 33708—2017目前也已经开始组建工作组准备修订，DL/T 1484行业标准正在修订中。此外，国内于2020 年3 月颁布实施了JJF 1779—2019《电子式直流电能表型式评价大纲》，解决了直流电能表的型式评价依据问题。国内电网企业也制定了多项直流电能表的企业标准，以规范企业内部的招标采购、检验、验收及质量监督等工作。

3 IEC标准与国内标准对比分析

进一步对IEC 62052—11：2020、IEC 62053—41：2021、GB/T 33708—2017 和JJF 1779—2019进行对比，针对适用范围、准确度要求及影响量试验项目等主要差异点进行分析。

3.1 适用范围

IEC 62052—11：2020 和IEC 62053—41：2021标准适用于直流系统中直接连接的静止式直流电能表。该电能表适用于测量双极电网上的电能（其中一极接地，电压等级不超过DC 1 500 V）；不适用于测量其他网络结构的电能，如同时带有接地和正负极的网络。

GB/T 33708—2017 和JJF 1779—2019 适用于直接接入式和间接接入式2种接入方式的静止式直流电能表，电压等级不超过1 000 V，主要应用于单极电网。直接接入式直流电能表是指（电压及电流）测量元件直接连接到被测直流线路中的直流电能表；间接接入式直流电能表是指（电压及电流）测量元件经一个或多个变换装置接入被测直流线路的直流电能表，间接接入式直流电能表又可分为电压间接接入式、电流间接接入式及电压和电流均为间接接入的全间接接入式。

3.2 准确度要求

3.2.1 标称值

对于直接接入式直流电能表，GB/T 33708与IEC 62053—41/IEC 62052—11的标称值对比如表2、表3所示。

表2 标称电压对比

表3 标称电流对比

由表2、表3可知：对于直接接入式直流电能表，IEC 标准中标称电压最高至1 500 V，标称电流最大至500 A；而GB/T 33708 中标称电压最高至1 000 V，标称电流最大至100 A。

3.2.2 准确度

由于直接接入式直流电能表IEC 标准只含0.5级表和1 级表，因此对0.5 级表和1 级表准确度要求进行对比。国标与IEC 标准对于电流变化引起的误差限值要求一致，误差限值如表4所示。

表4 电流变化引起的误差限值

表4 中Imax为最大电流；In为额定电流；Imin为最小电流。在启动电流Ist与最小电流Imin间无误差要求。IEC 标准与国标规定的Imax、In、Imin和Ist电流值区别如表5、表6所示。

表5 电流值对比（0.5级）

表6 电流值对比（1级）

由表5、表6可知：国标中最大电流为额定电流的1.2倍，而IEC标准中规定为额定电流的整数倍；国标中0.5级和1级表的最小电流值不同，而IEC 标准中0.5 级和1 级表的最小电流值相同；国标中0.5级和1级表的启动电流值不同，且正反向不同，反向比正向大，IEC 标准中0.5 级和1 级表启动电流值规定相同，不区分正反向。

若从应用的角度考虑，在直流配电网分布式能源接入、V2G（车网互动）和储能等计量场合，直流电能表需要双向计量、双向计费。为保证公平，对直流电能表双向的要求应该是相同的。

国标中规定了电压变化引起的误差限要求，而IEC 标准中对电压变化提出的是变差要求，且在0≤U＜0.8Un范围内，规定电能表误差范围在-100%～+10%（对于线路供电的电能表，线路电压高于其规定的最低供电电源电压时满足此要求；对于独立电源供电的电能表，在线路电压变化的全范围内满足此要求），这个要求在直流电能表国标里是没有的。

3.3 影响量试验要求

随着用电环境的日益复杂，国内外标准都对电能表的抗干扰性能提出了更高的要求。表7列举了IEC 标准与现行国内标准影响量试验的主要差异性指标。

由表7 可知，国标中没有差模电流干扰试验（国标中有纹波影响试验）、负载电流快速改变试验以及辅助装置操作试验（辅助装置操作试验考察辅助装置的安装或工作是否影响直流电能表的准确度，辅助装置包括用于外部通信的装置GSM/PLC/Zigbee）。此外，电磁兼容试验的试验条件也不同。文中将进一步对比分析差模电流干扰试验、纹波影响试验及负载电流快速改变试验相关试验项目及要求。

表7 影响量试验项目对比

3.3.1 差模电流干扰试验

差模电流干扰一般由电力电子设备和电力线通信系统设备产生。电气设备的运行产生不同于电网频率的非有意电压/电流分量，电力线通信系统使用干线网络进行有意的信号传输。涉及干扰的主要设备有逆变器、具有PLC数据传输的仪表、开关电源、UPS 和变速驱动器等。这些干扰往往会使某些直流电能表产生错误的电能计量或通信失败，因此电能表必须具备很强的抗扰性。

差模电流试验的波形为具有间歇的CW（连续波）脉冲和矩形调制脉冲的试验波形（IEC 61000—4-19：2014）。IEC 62053—41：2021 中规定施加的电流干扰水平在0.01 kHz～150 kHz 范围内，这与IEC 62052—11 中基于IEC 61000—4-19 提到的2 kHz～150 kHz 交流电能表的差模电流干扰等级不同，主要由于其还考虑了IEC 61851—23：2014电动汽车传导充电系统-第23 部分：电动汽车直流充电站中提到的电动汽车供电设备电流纹波限值。

3.3.2 纹波影响试验

GB/T 33708—2017 及JJF 1779—2019 采用纹波试验来验证直流电能表纹波影响下的计量误差。对300 Hz 直流纹波条件下的直流电能表量值准确性进行测试，同时包含了电压纹波和电流纹波的影响。

国内直流电能表标准中采用不同的参数来衡量纹波，如在GB/T 33708—2017 中定义“直流纹波因数”为“脉动直流电量峰值和谷值之差的一半与该直流电量平均值之比”；在JJF 1779 中定义“纹波系数”为“输出纹波电压（电流）的有效值与输出直流电压（电流）之比，通常用百分比（%）来表示”。相比而言，用有效值来衡量波纹，在实际工作中更容易被测量。

目前，国内对于纹波电能是否计入电能仍存在争议，之前大部分直流电能表是计入纹波电能的，但在2019 年发布的直流电能表型式评价大纲中，明确指出直流电能表不应计量纹波电能。本文倾向于不计量纹波电能，因为纹波的存在对直流用电设备的运行是不利的，虽然大多数直流设备在交流下也能做功，但不能因为设备的兼容性而对用户收取纹波电能部分费用。

3.3.3 负载电流快速改变试验

本试验的目的是验证直流电能表的准确度对负载电流快速改变的敏感性。直流电能表的准确度通常是在稳态下进行规定和验证的。然而，实际情况下负载电流可能频繁地以高振幅变化（如温度调节加热器、空调设备和电弧焊接设备等），若直流电能表在该情况下错误地执行了电流范围增益切换算法，将会呈现出明显的准确度误差。

本试验使用不同的占空比来验证在负载条件变化的情况下直流电能表的准确度。试验时，电流电路在开通和关断之间重复切换，开断间隔符合以下曲线：ton=10 s，toff=10 s，总试验持续时间4 h；ton=5 s，toff=5 s，总试验持续时间4 h；ton=5 s，toff=0.5 s，总试验持续时间4 h。

由于负载切换和直流电能表内部增益切换不同步，因此准确度误差可能随时间推移而改变，其取决于负载切换的跳变如何与增益切换同步（若试验时间足够长，如在4 h 情况下，负载变化准确度问题可暴露出来）。

4 对国内直流电能表标准化工作的建议

通过第3节的对比分析可知，国内直流电能表的标准在适用范围、准确度要求和影响量试验项目等方面均与新发布的IEC标准有较大差别。

通过将IEC 标准的适用范围及直流电能表的标称值范围与国内标准进行对比分析可知，IEC标准的直流电能表的电压、电流范围要比国内宽泛，标称电压最高至1 500 V，标称电流最大至500 A。目前我国直流配网电压等级标准GB/T 35727—2017《中低压直流配电电压导则》中推荐的低压直流配电电压优选值为1 500 V（±750 V）-750 V（±375 V）-220 V（±110 V），而直流电能表国标中电压等级为60 V-100 V-400 V-700 V-1 000 V，可见现行33708—2017 国标中的电能表标称电压等级尚无法与目前配电网电压等级匹配［7］。随着电流传感器技术和直流充电机电能传输控制技术的不断创新发展，直流大电流输电以及充电技术开始逐步落地应用，未来直接接入式直流电能表额定电流值也将突破现国标中100 A的规定，如大功率直流充电桩中已应用500 A的直接接入式直流电能表。因此，应加快研究高电压、大电流、宽量程直流电能计量技术，完善我国直流电能表规格型号以及相关标准，使其适应电动汽车直流充电桩及直流电网建设的需求。

在影响量试验项目方面，国内标准对300 Hz直流纹波条件下的直流电能表计量准确性测试做出要求。而在实际电网中还会有大量由电弧炉、PWM（脉宽调制）型变流器和PLC电力线通信等引入的非工频整数倍纹波及高频纹波［7-10］，目前国内标准并没有考虑这部分干扰对直流电能计量的影响。IEC 标准中引入了新的评价方法，如负载电流快速变化试验、传导差模电流干扰试验等，可以考核直流电能表在动态信号及高频信号干扰下的误差，但较多还是沿用交流电能表的评价方法，直流电能表抗扰度的评价方法依然不全面。面对直流计量场合中各种各样的复杂环境，以往采用交流计量芯片实现直流计量功能的表计，将难以满足宽量程、高精度的计量需求，直流电能表计量芯片将向采用专用直流计量芯片方向发展，直流传感器也将以分流器为主向新型磁电阻效应传感器等多类型传感器方向发展，哪些类型的电能表会对直流电网中的影响更具免疫力仍是需要研究的内容。国内研究机构应充分依托我国直流配用电工程，结合直流电能表实际使用中积累的经验，有针对性地提炼直流电能表的特征试验波形，完善直流电能表评价方法。

5 结语

直流电能表是进行电量计量、电费核算、用电分析和线损统计的核心设备。由于新能源发电、储能、电动汽车、直流配网和直流入户等领域的大力发展，对直流电能计量的需求将与日俱增，直流电能计量领域的标准化方面还有大量工作有待完善。国内应尽早做好与IEC 标准的接轨，开展相关评价方法的预研，同时充分研究国内工程应用需求，借鉴实际工程应用经验，完善国内直流电能表规格与评价手段，尽快开展相关标准的制定和修订，促进直流电能计量设备更好地满足实际工程应用需求。