浅析电子式多功能关口电能表性能评估方法

0引言

　　自二十世纪九十年代起，进口0．2S级电子式多功能电能表主导电网关口高端计量，而高端电能表巨大的价格差异使电力公司在电能表选型、采购方面面临重大难题。如何有效鉴别高端电能表质量差异、把握选型尺度、建立公平的电能表选型机制，让国产高端电能表进入关口计量主导地位，是电网计量应用部门和电表行业的一个期望。

　　关口电能计量具有电量大、负荷动态变化范围宽、相位改变频繁、电磁干扰严酷和可靠性要求高等特点。鉴于关口计量的特殊性，并不是所有的0．2S级多功能电能表都可用作关口计量，在国际上，关口电能表称为GT&D表(Generation Transmission& Distribution Application)而工商业用户计费的多功能电能表称为C&I表(Commercial & Industrial Application)。

　　目前，关口多功能表缺乏统一的国际标准，国家标准提出的多功能电能表特殊要求又具有局限性，高端多功能电能表的性能质量差异如何鉴别，是当前电力公司需迫切解决的问题。

　　从2007年起，国家电网公司电能计量器具性能评估实验室(以下简称实验室)开展了电网关口电能表性能评估方法研究，在仪表型式试验方法和法定计量检定规程的基础上，重点论证、推出关口电能表性能要求，从多方位的视角，引入电能表物理条件改变和算法解析等新技术，探索关口电能表性能评估方法，以期建立起安全、合理、公正的关口电能表选型机制和国产高品质关口电能表设计开发测试平台。

　　本文将概要叙述关口电能表性能要求、性能评估方法、介绍部分仪表准确度评估实例的初步测试结果。

　　1关口电能表性能要求

　　从广义上讲，仪表“性能”是产品质量特性的重要组成部分，是指仪表本身具有满足明确或隐含需要的能力特征和特性的总和。

　　关口电能表l生能要求按其由来分为两类：
　　第一类，基本性能要求：由IEC相关标准、国家标准行业标准和法制计量检定规程提出的性能要求。
　　此类要求在相关标准中均有详述，本文不再重复。
　　第二类，特殊性能要求：采用最新、最严的技术标准，由进口0．2S级关口电能表技术条件中，提炼出高于仪表参考标准或这些参考标准中没有规定的性能要求；由电网对关口计量的需求和电力负荷、运行环境改变提出的性能要求；经剖析国产0．2s级多功能表运行质量问题，需改进、扩展的型式试验的性能要求。

　　1．1特殊性能要求(第一部分)

　　表示关口电能表适应关口计量的特殊性，需要具备的高水准：

　　(1)功率计量具有高准确度
　　有功计量0．2S级，实际控制误差±0．1％，主表与副表误差最大相差4-0．05％；
　　无功计量0．5S级，实际控制误差±0．2％；
　　视在计量1．0S级，实际控制误差4-0．2％。

　　(2)有功／无功计量误差曲线平坦且分布合理
　　负荷电流范围0．0021～．1mn(即动态范围1：2000)；计量线性度误差为仪表准确度等级的1／10。

　　(3)0 ~360度范围内有功／无功计量准确，增加临界相位角计量准确度考核：
　　有功计量904±0．5。、2704±0．5。考核；
　　无功计量04±0．5。、180±0．5。考核。

　　(4)计量误差的重复性、稳定性
　　从预热后到1h工作期间的试验标准差，从预热后到工作8h、24h的计量误差改变量考核。

　　(5)批量仪表之间的误差最大相差±0.06％。

　　(6)无功计量原理要保证在实际谐波负荷下无功计量正确。

　　(7)整个工作温度范围内的误差改变量考核。

　　(8)由其它影响量引起的误差改变极限，要比IEC等相关标准要求有较大幅度的压缩；电磁兼容的试验等级，要比IEC相关标准适当提高；增加电磁干扰下的计量准确度和工作稳定性考核。

　　(9)耐受高、低差10倍及以上的冲击负荷试验。

　　(10)仪表常数要保证0.01／a．连续工作期间的最大需量测量准确。

　　(11)通信要求
　　具有多种通信方式，可以同时独立工作；同一总线上的通信接口，工作状态互不影响；支持国际、国内常用通信协议。

　　(12)负荷曲线的存贮容量：以1分钟为时间间隔，能存贮l5天以上的各类电能量及电参数数据。

　　(13)具有远程报警监控功能。

　　1．2特殊性能要求(第二部分)

　　表示关口电能表适应现代计量需求，需要具备的前沿计量功能：
　　(1)电能质量监测；
　　(2)谐波电能计量与谐波瞬时功率因数、谐波平均功率因数计算；
　　(3)动态负荷下最大需量测量准确；：
　　(4)具有电压、频率、相位、温度改变的自校正能力；
　　(5)高速率、实时测量与记录。

　　2关口电能表性能评估方法

　　关口电能表性能评估，是指采用现有参考标准和经探索的测试方法，全面鉴别仪表性能的特征与差异。
　　与关口电能表性能要求分类相应，仪表的性能评估项目也分为基本性能评估项目和特殊性能评估项目两类。

　　2．1基本性能评估项目
　　主要采用IEC相关标准、国家标准、行业标准和法制计量检定规程提出的方法进行测试，考核仪表性能(质量)是否合格，其主要问题是不能全面、正确地反映关口电能表的特征和现代电子式电能表的技术发展，具体包括：
　　(1)重有功、轻无功、缺乏视在电能计量的准确度测试；
　　(2)测试的负荷、功率因数改变范围小，难以完全满足实际应用要求；
　　(3)缺乏非正弦、动态负荷、快速测量等新技术；
　　(4)通信、电能质量、事件记录只有功能展示，没有正确的考核方法等。

2．2特殊性能评估项目
　　通过测试项目拓展，增加临界测试、开展算法剖析、提高测试严酷等级、模拟环境改变、引入测试新技术等技术手段，全面考核仪表的性能特征与差异，以及对物理条件改变的适应能力。

　　关口电能表特殊性能评估项目共计47项，主要包括功率测量原理的鉴别，准确度评估，电气性能试验，通信性能测试和型式试验项目的改进、扩展等。实验室通过反复测试、验证，从中确定具有较强鉴别能力的特殊性能评估重点项目l0项：

　　(1)在正弦和非正弦波形下，有功和无功功率测量原理鉴别；
　　(2)从电能定义出发，在负载电流、电压、相位、频率、积算周期的全口径范围内的计量误差曲线绘制；
　　(3)0～360度有功、无功计量误差一致性测试；
　　(4)电压回路临界电压测试；
　　(5)谐波负荷下有功、无功电能计量差异鉴别；
　　(6)极低负荷和低功率因数下有功功率、无功功率准确度测量；
　　(7)三相电压不平衡对无功计量的影响测试；
　　(8)冲击负荷试验；
　　(9)在实用、极限通信条件下，通信、数据保存、计量工作情况考核；　
　　(10)多种要求下电能表脉冲常数验算。

　　总体来看，关口性能评估测试技术横跨多个领域，其特征在于：采用最新、最严的技术标准；误差曲线、临界测试、冲击负荷试验、计量原理鉴别、谐波反应能力等成为测试项目的亮点；引入快速测量、计量原理鉴别等新技术；由于政出多门，有争议的项目占一定比例；性能评估给出的结论是一个“分级评估结果”，而不是合格与不合格的结论。

　　3仪表特殊性能评估实例
 

　　3．1仪表特殊性能测试方法

　　受篇幅限制，下面给出了0—360度有功计量误差一致性测试、冲击负荷试验、谐波负荷下无功电能计量差异鉴别三项特殊性能测试方法。试验样品均为目前国内电力系统使用的主流0．2s级关口电能表，包括5个进口品牌和4个国产品牌。

　　(1)0～360度有功计量误差一致性测试本试验项目针对5个进口品牌（A～E)的电能表进行，测试结果如图1所示。

(2)冲击负荷试验
　　本试验项目针对5个进口品牌(A～E)和4个国产品牌(F～I)的0．2S级关口电能表进行，冲击负荷试验的试验原理如图2所示。

　　其中表B和表C为同一品牌的被试电能表，表A为标准表，通过程控开关实现冲击负荷（以2秒为冲击时间间隔)功能。试验过程中对表A施加5A恒定电流，通过开关闭合、断开，实现了对表B施加2倍冲击负荷（2．5～5A)，表c施加的冲击负荷为0 2．5A。

　　冲击负荷下的计量误差按以下公式计算：

　　式中为电能表A所计的有功电能；E2为电能表B所计的有功电能；Ec为电能表c所计的有功电能。需说明的是，该误差为两只被试电能表对冲击负荷的合成计量误差，在上面的试验结束后，可将表B、表c互换并再次试验，以两次试验结果的平均值作'，为计算冲击负荷计量误差的依据。

　　冲击负荷试验测试结果如表1所示。

　　(3)谐波负荷下无功计量差异鉴别试验时谐波电压、电流按表2施加对所有被试电能表同时施加相同的谐波负荷，通过走字试验比对不同品牌的电能表在同·谐波负荷下的无功电能计量差异。

　　本试验项目针对5个进口品牌（A～E)和4个国产品牌(F～I)的0．2S级关口电能表进行，测试结果如表3所示。

　3．2仪表特殊性能单项测试结果评估

　　(1)0～360度，有功计量误差一致性

　　首先评估电能表在0～360度范围内计量准确度性能，以误差分布范围为评估依据；其次，考核电能表误差分布的对称性，对同一负荷性质(感性或容性)下的正反向功率潮流下的误差大小应接近、正负号一致。按此原则，可给出不同品牌的关口电能表在该项目上的评估排序如表4所示。

　　(2)冲击负荷下计量准确度．

　　根据测试结果(表1)可以看出，在冲击负荷下品牌F和品牌I的电能表将少计电量，由此可得出结论：品牌F和品牌I的电能表在冲击负荷计量准确度上弱于其余品牌。

　　(3)谐波负荷下无功计量差异鉴别

　　从试验结果可以看出，国产表与进口表之间、进口表不同品牌之间在谐波负荷下的无功计量均存在一定差异，而目前国际上对谐波负荷下的无功计量准确度量传尚存在争议，在这种情况下建议采用一致性原则对其进行评估，即对同一关口计量点，多只电能表之间的谐波无功计量应保持一致。

　　4结束语

　　本文从关口电能计量的特殊性出发，提出了关口电能表性能要求纲要，进而探索了关口电能表陛能评估方法。经测试证明，从电能定义出发的计量准确度的多方位评估，对区分关口电能表性能差异很有效。由于篇幅有限，其它已有成果的特殊性能评估项目不再一一列举，前沿计量功能的评估技术正在进行后续研究。

　　现代电网的谐波计量、电能质量测量、电网电能量与损耗量平衡计算等计量应用技术发展对关口电能表提出越来越高的要求，仪表性能要求和评估技术需要适应现场运行环境不断改变的实际情况。作为第一步，面向电子式多功能关口电能表推出新的电力行业标准是十分迫切的课题。