電能計量技術論文
電能計量是現代電力營銷系統中的一個重要環節，傳統的電能量結算是依靠人工定期到現場抄讀資料，在實時性、準確性和應用性等方面都存在不足。小編為大家整理的，希望你們喜歡。
篇一
淺析電能計量
中圖分類號：R363.1+24 文獻標識碼：A
一、諧波功率和諧波源的含義
眾所周知，在實際的配電網路中電壓和電流波形不是真正意義上的正弦波形，其都不同程度的存在諧波含量。由於有諧波電流和諧波電壓，當然還有諧波功率。類似於基波的情況，諧波也存在著有功功率和無功功率，其中有功功率對電力系統正常執行有直接影響，而無功功率則有助於分析和研究諧波條件和濾波措施。
諧波有功功率產生於各種諧波源。但是，對於任何一個諧波源而言，它們無法發出各種諧頻，一般只發出幾個主要諧波頻率特徵的諧波功率，在其他諧頻上也可以從其他渠道吸收一些諧波功率。諧波源發出的諧波功率淨值通常為正值，主要諧波源是諧波電流源。換言之，即使他們的端電壓是正弦波形，電流也未必是正弦波。當電源連線到基波就必須要強制反饋諧波電流到電力系統中。因此，用電時基波功率不完全是為自身消耗，而是轉為諧波功率，並被迫返回到電源系統。使用者接入配電系統只需要接受有效率的基波功率，而諧波功率不僅不是多餘的，甚至會導致發電機、電動機、變壓器等發熱的不利影響。
二、諧波產生的方式
在電力電子裝置出現以前，變壓器是主要的諧波源，它是以3次諧波為主的奇次諧波，其量值很小，是很有限的諧波源。目前由變壓器所產生的諧波由於量少已退居很次要的地位，而各種電力電子裝置已成為最主要的諧波源，並且還是豐富的多次諧波的組合。電力電子技術的應用不外乎採用整流二極體作整流器件，把交流電變換成直流電，因此整流二極體工頻整流也就成為電力電子的最基本、最普遍的電能形態AC/DC變換形式。眾所周知，像一般的開關電源電子整流器及變頻調速器、直流電力機車、電化學工業整流等裝置，都優先採用橋式整流器和大電容器濾波作為AC/DC變換器，由於大容量濾波電容器的存在，使二極體的導通角變得很小，只在交流電壓正弦波的最大值附近才開始導通，因此造成交流輸入電流波形嚴重畸變，三次諧波有時可能超過基波以上，呈窄尖峰脈衝***圖1***，故線路功率因數極低，通常在0.6以下
由非線性整流元件使輸入交流線路上的電流is不再是交流正弦波形。利用傅立葉公式對週期畸變波形作頻域變換，交流進線電流is可以表示為工頻基波分量***i***s***1如圖1中虛線所示***和與頻率為工頻整數倍的諧波分量***還有次諧波分量***之和。假定電源電壓為純正弦波，則僅有基波電流才可能傳輸平均功率，因為它們頻率相同，相位不等於90°，產生的平均功率不為零。這種情況下這裡整流器的平均輸出功率等於電源電壓均方根值和進線電流基波均方根值***i***1的乘積，再乘以***i***1滯後於US的相位角1的餘弦cos1。即：
P=U***si***1cos1
視在功率為：S=USIS，其中US、IS都是有效值。
功率因數定義為：PF=有功功率視在功率=PS
當進線電流is畸變嚴重，則電流比值***i***s1/Is就越小，即使相移功率因數DPF接近於單位1，整流器的功率因數PF仍然很低。在AC/DC變換電路中，略去諧波電流的二次效應，可以認為輸入電壓為正弦，輸入電流為非正弦，這裡電流有效值為：
式中，***Is***n是第n次諧波電流的有效值。設基波電流滯後輸入電壓的角度為1，則：
式中，K[d=***Is***/Is]是電流波形畸變因子;K***d=cos1***是相移因數，即功率因數為電流波形畸變因子與相移因數之乘積。
在電網中由於供電線路和變壓器總要大於用電器的功率消耗，因此任何線路上的電壓畸變總要比電流畸變小得多。凡是電流畸變較大，總諧波***THD***大的負載，那麼它的功率因數肯定是很低的。但要注意記住，反過來就不一定了。有經驗的電氣專業人員只要測量到用電器的功率因數接近1時，就可以肯定此電路中的諧波含量很小。功率因數校正***PFC***技術是抑制波形畸變、減小諧波含量和提高線路功率因數行之有效的方法。APFC是有源功率因數校正技術，對輸出300 W以上的各種電源變換器均需要採用APFC技術來提高功率因數。
三、諧波對電能計量裝置的誤差影響
1、電磁感應式電能表
傳統的電磁感應式電能表是按照基波來設計的。當除基波外還有高次諧波分量電壓和電流時，電能表的電壓線圈的阻抗和旋轉圓盤阻抗發生變化，導致工作電壓磁通和電流磁通發生變化，電磁轉盤的驅動力也發生變化，由此產生了電能表的計量誤差。與此同時，由於諧波和基波的相互疊加的形式存在，波形發生畸變，而電壓和電流線圈的鐵心是非線性的，磁通不能隨波形的變化相應成線性變化。根據電路理論可知，只有在相同頻率電壓和電流相互作用時才產生平均功率。電能表在畸變的電壓和電流通過電磁元件之後，磁通不與波形發生對應的變化，導致電磁轉矩不能與平均功率成正比例，即：電磁感應式電能表在諧波存在時由於不能將不同頻率的正弦電壓和電流產生的電磁轉矩疊加，不能計量諧波有功電能，從而產生計量誤差。
2、全電子式電能表
全電子式電能表在進行數值計算時，CPU可以將包含不同頻率的且按照正弦規律變化的電壓和電流的瞬時值分別取樣計算。從理論上分析，這樣的計算方法能有效地記錄負載基波和諧波的總平均功率耗用值和電量。然而，受諧波電流的流動方向的影響***與負載電流的方向相反***，當諧波是從負載流向電網時，由於全電子式電能表是將基波有功電能和諧波有功電能進行代數和，這時記錄下來的電能量比負載所消耗的基波電能還要小，這是該電能表的最大缺點。另外全電子式電能表產生誤差的原因是多方面的，如溫度、電壓電流、頻率等外界條件，電壓電流變換元件的分散性，電能量的計算方法等等。這些方面的影響在存在高次諧波時均存在著。
四、諧波環境下準確合理的電能計量方法
要對諧波環境下電能進行準確的合理計量，主要出發點在於區分基波***有用***功率與諧波***無用***功率。採用的方法主要有：
1、採用頻率陡降的電能表***基波電能表***，僅能計量基波功率此時，僅對線性負荷有效，無法對非線性負荷產生的諧波進行計量
2、採用分頻技術分別計量基波電能與諧波電能及其方向，並利用電費槓桿進行調節。使用者電費由3部分構成，即基波***實際有用的***電費，產生或發出諧波電能所應承擔的懲罰性電費，能吸收或消耗諧波電能所獲得的獎勵性電費。
3、採取技術和管理2方面的措施，加強對非線性負荷的准入制度，切實抑制諧波含量。當諧波含量在允許的範圍內時，電能計量的準確性能得到保證。傳統定義認為，諧波電壓***諧波電流***與基波電壓***電流***共同構成有效電壓***電流***，諧波功率與基波功率共同構成有效功率。因此，要求常規電壓***電流***表及有功功率表的頻率特性以固定不變為理想。其實質是將諧波量與基波量同等看待，即諧波影響常規儀表測量的要害是不能準確反映工頻***基波***電氣量。在諧波環境下，這種觀念在對電能進行計量時是不合理的，計量的準確性愈高則愈不合理。採用分頻技術製成的電能表可有效解決這一問題。
五、結語
綜上所述，諧波不僅影響了輸配電和使用者電力裝置的正常使用，致使使用者的無功功率電費支出增加，而且對其他裝置元件也產生了危害。在計量回路中應用新型的基波電能表，採用分頻技術分別計量基波電能和諧波電能，加強非線性負荷的准入制度，將大大降低諧波帶來的電能計量誤差，維護好企業和使用者的利益。
篇二
現代電能計量技術分析
摘 要：文章分析了電能計量自動抄表系統的結構和特點，從電能表、採集器和集中器，以及通訊通道等方面闡述了電能計量自動抄表技術。
關鍵詞：電計量;自動化;解析
中圖分類號：TM92 文獻標識碼：B 文章編號：1009-9166***2010***029***C***-0079-02
電能計量是現代電力營銷系統中的一個重要環節，傳統的電能量結算是依靠人工定期到現場抄讀資料，在實時性、準確性和應用性等方面都存在不足。而用電客戶不僅要求有電用，而且要求用高質量的電，享受到更好的服務。因此提高電力部門電費實時性結算水平，建立一種新型的抄表方式已成為所有電力部門的共識。
一、電能計量自動抄表系統的構成和特點
1、前端採集子系統
按照採集資料的方式不同，電能計量自動抄表系統可分為本地自動抄表系統和遠端自動抄表系統兩種。
本地自動抄表系統的電能表一般加裝紅外轉換裝置，把電量轉換為紅外訊號，抄表時操作人員到現場使用行動式抄表微型計算機，非接觸性地讀取資料。
遠端自動抄表系統由電子式電能表或加裝了光電轉換器的機電脈衝式電能表構成系統的最前端，它們把使用者的用電量以電脈衝的形式傳遞給上一級資料採集裝置。目前實際應用的遠端自動抄表系統大多采用兩級式資料彙集結構，即由安裝於使用者生活小區單元的採集器收集十幾到幾十個電能表的讀數，而安裝在配電變壓器下的集中器則負責定期從採集器讀取資料。
2、通訊子系統
通訊子系統是把資料傳送到控制中心的通道。為了適應不同的環境條件以及成本要求，通訊子系統的構成有多種方案。按照通訊介質的不同，通訊子系統主要有光纖傳輸、無線傳輸、電話線傳輸和低壓電力線載波傳輸四種。
光纖通訊具有頻頻寬、傳輸速率高、傳輸距離遠以及抗干擾性強等特點，適合上層通訊網的要求。但因其安裝結構受限制且成本高，故很少在自動抄表系統中使用。
無線通訊適用於使用者分散且範圍廣的場合，在某個頻點上以散射通訊方式進行無線通訊。其優點是傳輸頻帶較寬，通訊容量較大***可與幾千個電能表通訊***，通訊距離遠***幾十千米，也可通過中繼站延伸***。目前，GPRS無線通訊網路為無線抄表系統的實施提供了高效、便捷、可靠的資料通道。主要缺點是需申請頻點使用權，且如果頻點選擇不合理，相鄰通道會相互干擾。
租用電話線通訊是利用電話網路，在資料的發出和接收端分別加裝調變解調器。該方法的資料傳輸率較高且可靠性好，投資少;不足之處是線路通訊時間較長***通常需幾秒甚至幾十秒***。
低壓電力線載波通訊利用低壓電力線作為系統前端的資料傳輸通道。其基本原理是：在傳送資料時，先將資料調製到高頻載波上，經功率放大後耦合到電力線上。此高頻訊號經電力線路傳輸到接收方，接收機通過耦合電路將高頻訊號分離，濾去幹擾訊號後放大，再經解調電路還原成二進位制數字訊號。電力線載波直接利用配電網路，免去了租用線路或佔用頻段等問題，降低了抄表成本，有利於運營管理，發展前景十分廣闊。但是，如何抑制電力線上的干擾，提高通訊可靠性仍是亟待解決的問題。
3、中心處理子系統
中心處理子系統主要由中心處理工作站以及相應的軟體構成，是整個電能計量自動抄表系統的最上層，所有使用者的用電資訊通過通道彙集到這裡，管理人員利用軟體對資料進行彙總和分析，作出相應的決策。如果硬體允許，還可直接向下級集中器或電能表發出指令，從而對使用者的用電行為實施控制，如停、送電遠端操作。
二、電計量自動抄表技術
1、電能表
感測器、自動化儀表以及積體電路技術的發展，使得無論是機電脈衝式還是電子式電能表已能夠較好地滿足當今電能計量自動抄表技術的需要。預計今後相當一段時間內，電能計量自動抄表系統的終端採集裝置將以機電脈衝式電能表和電子式電能表兩種儀表為主。
2、採集器和集中器
採集器和集中器是匯聚電能表電量資料的裝置，由微控制器、儲存器和介面電路等構成，現在已經出現了較成熟的產品。
3、通訊通道
通訊子系統是電能計量自動抄表技術中的關鍵。資料通訊方式的選取要綜合考慮地理環境特點、使用者用電行為、技術水平、管理體制和投資成本等因素。國內外對於不同通訊方式各有側重，在西方發達國家，對於電能計量自動抄表技術的研究起步較早，電力系統包括配電網路較規範、完備，所以低壓電力線載波技術被廣泛應用;在我國，受條件所限，較多使用電話線通訊。近來，隨著對擴頻技術研究的深入，低壓電力線載波中干擾大的問題逐步得到解決，因此，低壓電力線載波通訊方式在電能計量自動抄表技術中的應用有逐步推廣的趨勢。
三、電能計量自動抄表技術的熱點
1、電力線載波通訊
電力線載波通訊，是將資訊調製為高頻訊號***一般為50―500kHz***併疊加在電力線路上進行通訊的技術。其優勢是利用電力線作為通訊通道，不必另外鋪設通訊通道，大大節省投資，維護工作量少，可靈活實現“即插即用”。目前，國內10kV以上電壓等級的高壓電力線載波技術已經較成熟，但低壓電力網路上的載波通訊還未能達到令人滿意的水平，這在一定程度上制約了電能計量自動抄表技術在我國的實際應用。
2、無線擴頻通訊
擴頻技術是一種無線通訊方式，把傳送的資訊轉換為數字訊號，然後由擴頻碼發生器產生的擴頻碼序列去調製數字訊號，以擴充套件訊號的頻譜，通過相關接收，用相同的頻碼序列解擴，最後經資訊解調，恢復出原始資訊。擴頻通訊距離一般可達幾十千米，其最大的優點在於抗干擾能力較強，因此具有較強的安全保密性。擴頻技術在電能計量自動抄表系統的典型應用方式是：採集器通過電力線載波把資料傳至集中器，再由設定在集中器附近的擴頻電臺把資料傳送給中央處理站的接收電臺。
3、複合通訊
在應用於電能計量自動抄表系統中的所有通訊模式中，各種通訊模式都有優缺點，任何一種採用單一通訊技術的方案均很難完全滿足需要。為解決這類矛盾，提出了複合通訊方案。
複合通訊方案是在自動抄表的不同通訊階段採用不同的通訊方式，組成實現電能自動抄表的複合通訊網路。在資料傳輸量不太大、傳輸距離較近的底層資料採集階段***電能表到採集器，採集器到集中器***，可以採用如紅外、低壓電力線載波甚至點對點的通訊方式;而在集中器到中央處理站段，則可採用電纜、電話線或無線通訊等。選擇什麼樣的複合方式，需根據實際情況統籌考慮。混合使用的各種通訊方式之間要有很好的相容性，不能相互干擾，這其中涉及到運籌學、最優規劃等方面的研究與設計。
4、自動抄表的安全性
自動抄表的安全性主要包括自動抄表過程的安全性和中心處理子系統的計算機網路安全性。電能計量自動抄表系統的抄表過程是分散的採集器、集中器與中心處理站間交換資料的過程。通訊中既要保證所抄資料的安全、可靠傳輸，又必須確保中心處理子系統不會受到來自傳輸網路的意外攻擊。
中心處理子系統的安全性主要是指其包含的計算機網路安全性，而主要的安全隱患來自以下4個方面：黑客、病毒、合法人員的失誤和網路系統自身的脆弱性。保護及防範的措施是綜合運用密碼技術、身份驗證技術、訪問控制技術、防火牆技術、安全核心技術、網路反病毒技術、資訊洩漏防治技術、網路安全漏洞掃描技術和入侵檢測技術等。
小結：電力營銷效率的提高，取決於營銷部門對配網資訊、使用者現狀和需求的瞭解程度，以及對各種資料分門別類加以採集分析並有效利用。