关于电能计量装置的进展与未来探讨

 电能计量装置经过近百年来的历程 ，从古典走进现代 。本文在简要回顾电能计量装置的进展之后 ，面向新世纪阐述了现代电能计量装置的发展趋势 。另外 ，还简介几种特殊功用的新型电能表 、互感器和常用电能计量芯片 ，供大家工作参考 。

　　[关键词] 电能计量装置 机械式电能表 电子式电能表 电磁式互感器 电子式互感器 发展趋势

　　1 序言

　　电能的计量是通过由电能表 、互感器及其二次回路 ，按照规定的结线方式 ，组合构成的在线电能计量装置来实现的 。

　　需求促使进步 ，科技成就发展 。在电力市场条件下 ，为能够保证公开 、公平 、公证地为电能生产者和使用者提供优质服务 ，必须建立一套现代化的电能计量 、管理和交易系统 。电能计量装置作为提供电能计量的信息源头 ，对电能计量和管理系统来说是至关重要的 。本文在简要回顾电能计量装置的进展之后 ，面向新世纪阐述了现代电能计量装置的发展趋势 。另外 ，还简介几种特殊功用的新型电能表 、互感器和常用电能计量芯片 ，供大家工作参考 。

　　2 电能计量装置的进展

　　2.1从机械式电能表到电子式电能表

　　电能表在世界上的出现和发展已有一百多年的历史了 。由于感应式电能表具有结构简单 、操作安全 、价格低廉 、坚固耐用 、又便于批量生产和使用维修等一系列优点 ，所以发展很快 。现代感应式电能表已有几十个品种规格 ，精确度达到0.5~0.2级 ，具有相当的功能 ，得到了普遍的应用 。

　　随着电能计量 、运营管理的需要和电子技术 、元件的发展 ，出现了各种用途的机电式电能表 ，如脉冲电能表 、复费率电能表和预付费电能表等 。所谓机电式电度表 ，它是沿用感应式电度表的测量机构 ，其数据处理机构则由电子电路和计算机控制系统实现 ，因而 ，机电式电能表是一种半电子式电能表 。现行的机电式脉冲电能表 、复费率电能表和预付费电能表的大量使用 ，初步满足我国现行电价制的要求和解决自动抄表 、收费等问题 。若要在机电式电能表的基础上 ，进一步提高计测精确度和扩展计量功能 ，更好地满足发电上网 、电网运营管理和供电营销的需求 ，那么 ，机电式电能表就显得力不从心了 。

　　伴随着微电子技术的迅猛发展 ，微机技术的应用普及和电能计量专用芯片的批量生产 ，在二十世纪七十年代的瑞士诞生了一种全新的电度表——电子式电度表 。电子式电度表不再使用感应系测量机构，而是由乘法器完成对电功率的测量 。由于它没有传统电度表上的旋转机构 ，因而又被称为“静止式电度表”或“固态电度表” 。近年来 ，各种品种规格的电子式电度表不断推出 ，基本满足了我国电力行业有关标准规定的要求 。

　　电子式电能表的核心计量芯片按工作原理可分为两种 ，一种是以采用DSP技术 、以数字乘法器为核心的数 字式计量芯片 。它运用高精度的 、快速A/D转换器 、可编程增益控制等最新技术;另一种是以模拟乘法器为核心的模拟计量芯片 。由于这两种芯片的基本工作原理有根本的不同 ，因此在计量精度 、线性度 、稳定性 、抗干扰 、温度漂移和时间漂移等方面数字式芯片远远优于模拟式芯片 。

　　现将以数模混合数字信号处理技术为核心的一系列适于不同场合的常用单相和三相电能计量芯片介绍如下 ，作为工作参考 。

　　(1)普通单相电能计量芯片AD7755; (2)复费率 、预付费及集中抄表单相专用芯片AD7756;

　　(3)防窃电单相专用电能计量专用芯片AD7751;(4)数字式单相视在电能表计量芯片CS5460A;

　　(5)普通功能三相电能计量芯片ADUC812; (6)高精度多功能三相电能计量芯片AD73360;

　　(7)低成本 ，多功能三相电能计量芯片AD7754;(8)数字式三相视在电能表计量芯片ADE7753 。

　　总之 ，电子式电能表以它的精确度高 、稳定性好 、高倍过载 、功能扩展性好 、和环境适应性强等优势 ，现已被电力企业和用户广泛认可接受 。因此说 ，电子式电能表取代机械式电能表已是大势所趋 。

　　2.2 从电磁式互感器到电子式互感器

　　电磁式电流 、电压互感器(TA 、TV) 。长期以来 ，它在继电保护和电流测量中的作用一直占有主导地位 。但是 ，随着超高压输电网络的迅速扩展和和供用电容量的不断增长 ，这就使传统的电磁式互感器(TA 、TV)在这种工况下很难胜任 。这种互感器不仅体积和重量增大 、价格上升 、防爆困难 、安全系数下降;更主要的是它带有铁芯结构 ，频带很窄;磁饱和时 ，二次信号波形发生畸变 ，导致继电器误动作和计量失准 。另外 ，继电保护和测量装置已日趋微机化 ，不再需要高功率输出的电磁式互感器 。

　　电容式电压互感器 。它以其价格低 、组装方便为电力设计部门广泛使用 。但是 ，由于这种电压互感器原理和结构所决定 ，其准确度测试条件要求十分严格 。电力部门在不具备型试试验条件下 ，测得的计量误差必然是不确定的 ，致使竣工验收工作流于形式 。另外 ，由于110千伏即以上电容式电压互感器现场检验设备与测试方法 ，我国还处在探索适用阶段 ，可以说 ，目前电力部门难以对在线运行的电容式电压互感器质量其及计量误差变化情况进行考核 。因此 ，目前国产电容式电压互感器只能作为供电量计量用 ，不宜用于售电量计量用 。

　　霍尔式电压 、电流互感器 。由于它采用霍尔元件体积小 ，配合适当电路后精度很高 ，在电流 、电压测量中的得到广泛应用 。但是 ，这种电压 、电流互感器的结构 ，仍需铁芯 。因此 ，它仍然像电磁式互感器那样存在着问题 。

　　时代在前进 ，科技在进步 。随着光电子技术的迅猛发展 ，一种结构简单 、线性度良好 、性能价格比高 、输出范围宽和易以数字量输出的无铁芯式新型互感器——电子式互感器 ，便应运而生 。

　　(1)光电式电压互感器(OTV) 。它是基于PockeIs电光效应 ，采用光学电压传感头与其相应的电子测量电路组合而成 。

　　(2)光电式电流互感器(OTA) 。它是基于Faraday磁光效应 ，采用光学电流传感头与其相应的电子测量电路组合而成 。

　　国外于20世纪60年代初 ，我国从20世纪80年代开始研制光电式电压 、电流互感器(OTV 、OTA) ，现今均已部分挂网试运行 。

　　3几种特殊功用的新型电能表和互感器

　　3.1具有电能计量综合误差自动跟踪补偿的多功能电能表[1]

　　目前 ，电网中各计量点电量的结算是以计量点的在线电能表的读数为依据来进行统计的 ，而对于各计量点电量的追补则是根据该计量点的电能计量装置综合误差来进行考核并最终确定的 。通常采用人工方法对综合误差进行计算及更正并用人工方法对计量点的电量进行追补 。这样 ，不仅工作繁琐而且得到的计算结果与实际结果并不相符 ，两者存在着较大的误差 。

　　随着计算机技术的发展及其在仪器仪表中的应用 ，目前先进的多功能电能表中增设了所在计量点的电能计量装置“综合误差的自动动态补偿”的功能 。既保证了综合更正的准确性 ，又避免了复杂的综合误差的计算 。例如：澳洲RED PHASE的EDMI2000—0400多功能电能表的软件中提供了一个“系统更正曲线”的菜单 ，可以访问 、输入 、修改测量系统中外部互感器全部量限的幅值及相位的更正值。在实际运行中 ，电能表通过对实时运行负荷的准确测量 ，可以及时准确地将电能表和互感器在该实际负荷点的误差以及TV二次回路压降误差(事先已输给电能表中)在测量过程中自动进行相应地更正 。

　　通过开发和利用EDMI2000系列多功能电能表中的综合误差自动动态补偿功能的实践证明，它可以改变过去对电能计量装置综合误差人工合成计算的繁琐方法和按有关规定的平均运行负荷计算更正电量的近似方法 ，因而大幅度地提高了电量统计 、结算的效率和准确可靠性 。同时 ，该功能还可通过人工干预 ，以保证在电能计量装置综合误差的各项或某项误差改变时 ，实时进行跟踪补偿 ，从而保证了电能计量读数值的准确可靠 。

　　3.2合理 、准确计量非线性负载电能的电子式基波电能表[2]

　　现在非线性负载电力用户电能表的计量结果是其非线性负载消耗的基波电能与谐波电能的代数和，这两部分电能之和确实是非线性负载消耗的实际电能 。但问题在于 ：由于谐波电能是负值 ，所以得到的电能计量结果将小于非线性负载从电网中吸取的基波电能 。非线性负载回馈给电网的谐波电能 ，不仅无用 ，反而有害 。而在计量时 ，还要从非线负载在电网中吸取的基波电能中扣除回馈给电网的谐波电能 。显然 ，这样的计量结果是不合理的 。

　　2002年由甘肃省兰州供电局和中国电力科学研究院共同完成的《电网谐波对电能计量影响的实验研究》科技成果通过专家鉴定 。此项成果成功地解决如何对非线性负载用户合理 、准确地计量的问题 ，并对试验用电子式基波电能表性能加以改进使其产品化 。

　　3.3准确 、简便计量低功率负载电能的电子式坡印亭电能表[3]

　　电子式坡印亭电能表 ，它是根坡印亭矢量原理 ，采用同心母线式传感头及其测量电路组成 。它是将电流互感器和电压互感器的功能集为一体的装置 。此传感头结构简单 ，易于制作 ，性能价格比高 ，特别适用于高电压 、低功率因数负载的单相 、三相功率测量和电能计量 。这种互感器工作频率范围宽 ，不难达到10千赫 。电流过载能力强 ，可达几十倍 。充以压缩空气或SF6可用于超高电压 ，准确度约为千分之几的数量级 ，在低功率因数负载下 ，仍能保持高准确度 。

　　3.4 电子式多功能视在电能表[4] [5]

　　通过现场调研和抽测结果的统计可知 ，现在低压非大工业用户和居民用户的售电量占总售电量的比例 ，已从过去的10%左右上升到30%以上 ，其符合平均功率因数已从过去的0.8左右下降到0.6左右 。通过计算结果可知 ，这两类用户无功负荷引起的有功电量损耗已超过其有功负荷引起的有功电量损耗 。由于 ，国家电价规定这两类用户不执行功率因数调查办法 ，只按在装变压器容量收取基本电费和电量电费 ，这样不仅减少了供电企业合理的电费收入 ，而且造成配电网的线损率居高不下 。

　　为了解决上述存在的问题 ，近来年 ，我国一些厂家先后研制成电子式单相视在电能表 、电子式双费率(黑 、白)单相视在电能表和电子式三相最大需用容量视在电能表等 。 这三种视在电能表分别选用专用电能计量芯片 ，使用AVR单片机作为数据处理芯片 ，由该单片机通过专用电能计量芯片测量的 电压 、电流有效值来计算视在功率 ，按其电能表脉冲常数输出脉冲 ，驱动计数器 ，累计和显示出设计规定的电量和容量 。现场试用证明 ，这三种电子式视在电能表 ，可测带宽为1000 HZ  ，在-30℃~50℃的温度范围精确度达到0.5级 。

　　3.5 S级宽负载电磁式电流互感器[6] [7]

　　早在二十世纪八十年代初期 ，国外发达国家为了解决传统1.0 ~ 0.2级电流互感器精度与新系列S级和宽负荷电能表精度不相匹配的问题 ，成功开发了新系列S级电流互感器 。

　　S级电流互感器主要特点是扩大了电流互感器保证误差值的轻负载范围 ，同时还将同级非S互感器5%ⅠN负载点误差限下移到1%ⅠN点 ，原20%ⅠN点误差限下移到5%ⅠN点 ，原100 ~ 120%ⅠN点的误差限向下延伸到20%ⅠN  ，其精度保证负载范围与相应准确等级的S级和宽负载电能表完全匹配 。;因此 ，可以成倍提高了电能计量装置的整体精确度 ，全面地解决了长期存在的电能计量装置在轻负荷时计量不准确的问题 。

　　3.6 自校准电磁式组合互感器[8] [9]

　　所谓组合互感器 ，它是由电流互感器和电压互感器组合而成并装在同一外壳内的互感器 。组合互感器分为单相和三相两种 。

　　由于此组合互感器内每台电流互感器和电压互感器均具有相同变比 ，不同准确等级的两个独立绕组 ，分别用于计量和自校 。因此 ，它不仅具有可靠的防窃电功能 ，更重要是 ，它可以分别通过自校专用电流和电压插接部件 ，在正常运行条件下将携带型电子式电能表现场校准仪和携带型电子式互感器校验仪 ，对应接入这种组合互感器内的自校绕组 ，即可在现场运行负荷和环境条件下 ，核查和测定此电能计量装置计量结果的动态综合误差 、互感器动态合成误差 、电压互感器二次回路压降的动态合成误差和每台(组)电压 、电流互感器的动态比差和角差 。

　　1998年我国某供电公司与某厂家联合研究试制成一台10千伏0.5级三相三线电能计量专用自校准电磁式组合互感器 ，并将其安装在某电力用户高压电能计量点 ，投入运行试用并收到了预期效果 。

　　3.7 Rogowski光电式电流互感器[10] [11]

　　光电式电流互感器(OTA)虽然具有显著特点 ，但由于它对温度 、振动的敏感性及其长期工作的时间稳定性尚待进一步解决;另外它的传感头制作要求高 ，价格昂贵等问题 ，限制了OTA的推广使用 。只要应用Rogowski线圈组成的电流互感器 ，就能较好解决上述问题 。

　　Rogowski线圈式电流互感器 。它是根据电磁感应原理工作 ，在其线圈绕组两端接上合适的电阻就可测量电流 。由于线圈绕组导线均匀地绕在一个非铁磁性环形骨架上 ，它通过电磁场与主电路电流回路耦合 ，故它具有良好电气绝缘性能 。现在国内外都已有0.2级Rogowski线圈 。

　　现场试用表明 ，Rogowski线圈式OTA ，它具有结构简单 、安装方便、测量范围宽 、准确度高(优于±0.5%) ，抗干扰能力强 ，运行稳定可靠 ，易以数字是输出和性能价格比高等特点 。

　　4 现代电能计量装置的发展趋势

　　二十一世纪是信息网络化的时代 ，高新科技成果广泛应用的时代和电力企业持续发展的时代 。

　　尊龙凯时认为 ，电能计量装置的数字化 、智能化 、标准化 、系统化和网络化是现代电能计量装置的发展趋势 。

　　(1)所谓数字化就是采用数字式计量芯片 ，应用高新科技技术研制电子式电能计量装置 。电能计量装置实现数字化 ，能够不断提高计量装置性能 ，进一步保证计量结果准确可靠 。

　　(2)所谓智能化就是采用高新科技 ，不断完善DL / T614—1997多功能电能表标准规定的所有功能 ，同时 ，开发研制具有自校准组合互感器 、电能计量综合误差自动跟踪补偿等特殊功能的全新电能计量装置 。电能计量装置实现智能化 ，能够进一步适应我国电价制的变革 、满足运营管理的需要 、解决特殊负载用户的计量问题 、开展现场实负荷整体检验电能计量装置 。

　　(3)所谓标准化就是依据DL / T 448—2000电能计量装置技术管理规程中的电能计量装置配置原则 ，分别对发电运营侧 、电网运营管理侧和供电运营侧配置相应的电能计量装置 。电能计量装置实现标准化 ，能够进一步促使电能计量装置的配置 ，达到先进 、合理 、统一 ，便于运行 、维护 、管理 。

　　(4)所谓系统化就是将电能计量装置与自动抄表系统联通组成一个电能计量管理系统 。电能计量装置运行实现系统化 ，能够不断改善工作条件 、服务质量 ，进一步提高工作质效 、经济效益。

　　(5)所谓网络化就是将电能计量装置管理系统联通构成一个电能计量信息网络 。电能计量系统实现网络化 ，能够不断拓宽信息资源 ，达到充分共享 ，进一步提高运营管理水平 、客户服务质量 。电能计量信息网络 ，应按照可能性和必要性 ，分别建立地域网和区域网等 。

　　5结束语

　　上述是尊龙凯时关于电能计量装置进展的简要回顾之后 ，阐述了面向二十一世纪现代电能计量装置的发展趋势 。由于尊龙凯时的学识和条件所限 ，难免坐井观天，加之谬误兼有 。为此 ，恳请大家不吝批评指正 。