电能计量技术论文
电能计量技术论文
电能计量是现代电力营销系统中的一个重要环节，传统的电能量结算是依靠人工定期到现场抄读数据，在实时性、准确性和应用性等方面都存在不足。学习啦小编为大家整理的电能计量技术论文，希望你们喜欢。
电能计量技术论文篇一
浅析电能计量
中图分类号：R363.1+24 文献标识码：A
一、谐波功率和谐波源的含义
众所周知，在实际的配电网络中电压和电流波形不是真正意义上的正弦波形，其都不同程度的存在谐波含量。由于有谐波电流和谐波电压，当然还有谐波功率。类似于基波的情况，谐波也存在着有功功率和无功功率，其中有功功率对电力系统正常运行有直接影响，而无功功率则有助于分析和研究谐波条件和滤波措施。
谐波有功功率产生于各种谐波源。但是，对于任何一个谐波源而言，它们无法发出各种谐频，一般只发出几个主要谐波频率特征的谐波功率，在其他谐频上也可以从其他渠道吸收一些谐波功率。谐波源发出的谐波功率净值通常为正值，主要谐波源是谐波电流源。换言之，即使他们的端电压是正弦波形，电流也未必是正弦波。当电源连接到基波就必须要强制反馈谐波电流到电力系统中。因此，用电时基波功率不完全是为自身消耗，而是转为谐波功率，并被迫返回到电源系统。用户接入配电系统只需要接受有效率的基波功率，而谐波功率不仅不是多余的，甚至会导致发电机、电动机、变压器等发热的不利影响。
二、谐波产生的方式
在电力电子装置出现以前，变压器是主要的谐波源，它是以3次谐波为主的奇次谐波，其量值很小，是很有限的谐波源。目前由变压器所产生的谐波由于量少已退居很次要的地位，而各种电力电子装置已成为最主要的谐波源，并且还是丰富的多次谐波的组合。电力电子技术的应用不外乎采用整流二极管作整流器件，把交流电变换成直流电，因此整流二极管工频整流也就成为电力电子的最基本、最普遍的电能形态AC/DC变换形式。众所周知，像一般的开关电源电子整流器及变频调速器、直流电力机车、电化学工业整流等装置，都优先采用桥式整流器和大电容器滤波作为AC/DC变换器，由于大容量滤波电容器的存在，使二极管的导通角变得很小，只在交流电压正弦波的最大值附近才开始导通，因此造成交流输入电流波形严重畸变，三次谐波有时可能超过基波以上，呈窄尖峰脉冲(图1)，故线路功率因数极低，通常在0.6以下
由非线性整流元件使输入交流线路上的电流is不再是交流正弦波形。利用傅立叶公式对周期畸变波形作频域变换，交流进线电流is可以表示为工频基波分量(i)s(1如图1中虚线所示)和与频率为工频整数倍的谐波分量(还有次谐波分量)之和。假定电源电压为纯正弦波，则仅有基波电流才可能传输平均功率，因为它们频率相同，相位不等于90°，产生的平均功率不为零。这种情况下这里整流器的平均输出功率等于电源电压均方根值和进线电流基波均方根值(i)1的乘积，再乘以(i)1滞后于US的相位角1的余弦cos1。即：
P=U(si)1cos1
视在功率为：S=USIS，其中US、IS都是有效值。
功率因数定义为：PF=有功功率视在功率=PS
当进线电流is畸变严重，则电流比值(i)s1/Is就越小，即使相移功率因数DPF接近于单位1，整流器的功率因数PF仍然很低。在AC/DC变换电路中，略去谐波电流的二次效应，可以认为输入电压为正弦，输入电流为非正弦，这里电流有效值为：
式中，(Is)n是第n次谐波电流的有效值。设基波电流滞后输入电压的角度为1，则：
式中，K[d=(Is)/Is]是电流波形畸变因子;K(d=cos1)是相移因数，即功率因数为电流波形畸变因子与相移因数之乘积。
在电网中由于供电线路和变压器总要大于用电器的功率消耗，因此任何线路上的电压畸变总要比电流畸变小得多。凡是电流畸变较大，总谐波(THD)大的负载，那么它的功率因数肯定是很低的。但要注意记住，反过来就不一定了。有经验的电气专业人员只要测量到用电器的功率因数接近1时，就可以肯定此电路中的谐波含量很小。功率因数校正(PFC)技术是抑制波形畸变、减小谐波含量和提高线路功率因数行之有效的方法。APFC是有源功率因数校正技术，对输出300 W以上的各种电源变换器均需要采用APFC技术来提高功率因数。
三、谐波对电能计量装置的误差影响
1、电磁感应式电能表
传统的电磁感应式电能表是按照基波来设计的。当除基波外还有高次谐波分量电压和电流时，电能表的电压线圈的阻抗和旋转圆盘阻抗发生变化，导致工作电压磁通和电流磁通发生变化，电磁转盘的驱动力也发生变化，由此产生了电能表的计量误差。与此同时，由于谐波和基波的相互叠加的形式存在，波形发生畸变，而电压和电流线圈的铁心是非线性的，磁通不能随波形的变化相应成线性变化。根据电路理论可知，只有在相同频率电压和电流相互作用时才产生平均功率。电能表在畸变的电压和电流通过电磁元件之后，磁通不与波形发生对应的变化，导致电磁转矩不能与平均功率成正比例，即：电磁感应式电能表在谐波存在时由于不能将不同频率的正弦电压和电流产生的电磁转矩叠加，不能计量谐波有功电能，从而产生计量误差。
2、全电子式电能表
全电子式电能表在进行数值计算时，CPU可以将包含不同频率的且按照正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样计算。从理论上分析，这样的计算方法能有效地记录负载基波和谐波的总平均功率耗用值和电量。然而，受谐波电流的流动方向的影响(与负载电流的方向相反)，当谐波是从负载流向电网时，由于全电子式电能表是将基波有功电能和谐波有功电能进行代数和，这时记录下来的电能量比负载所消耗的基波电能还要小，这是该电能表的最大缺点。另外全电子式电能表产生误差的原因是多方面的，如温度、电压电流、频率等外界条件，电压电流变换组件的分散性，电能量的计算方法等等。这些方面的影响在存在高次谐波时均存在着。
四、谐波环境下准确合理的电能计量方法
要对谐波环境下电能进行准确的合理计量，主要出发点在于区分基波(有用)功率与谐波(无用)功率。采用的方法主要有：
1、采用频率陡降的电能表(基波电能表)，仅能计量基波功率此时，仅对线性负荷有效，无法对非线性负荷产生的谐波进行计量
2、采用分频技术分别计量基波电能与谐波电能及其方向，并利用电费杠杆进行调节。用户电费由3部分构成，即基波(实际有用的)电费，产生或发出谐波电能所应承担的惩罚性电费，能吸收或消耗谐波电能所获得的奖励性电费。
3、采取技术和管理2方面的措施，加强对非线性负荷的准入制度，切实抑制谐波含量。当谐波含量在允许的范围内时，电能计量的准确性能得到保证。传统定义认为，谐波电压(谐波电流)与基波电压(电流)共同构成有效电压(电流)，谐波功率与基波功率共同构成有效功率。因此，要求常规电压(电流)表及有功功率表的频率特性以固定不变为理想。其实质是将谐波量与基波量同等看待，即谐波影响常规仪表测量的要害是不能准确反映工频(基波)电气量。在谐波环境下，这种观念在对电能进行计量时是不合理的，计量的准确性愈高则愈不合理。采用分频技术制成的电能表可有效解决这一问题。
五、结语
综上所述，谐波不仅影响了输配电和用户电力设备的正常使用，致使用户的无功功率电费支出增加，而且对其他设备元件也产生了危害。在计量回路中应用新型的基波电能表，采用分频技术分别计量基波电能和谐波电能，加强非线性负荷的准入制度，将大大降低谐波带来的电能计量误差，维护好企业和用户的利益。
电能计量技术论文篇二
现代电能计量技术分析
摘 要：文章分析了电能计量自动抄表系统的结构和特点，从电能表、采集器和集中器，以及通信信道等方面阐述了电能计量自动抄表技术。
关键词：电计量;自动化;解析
中图分类号：TM92 文献标识码：B 文章编号：1009-9166(2010)029(C)-0079-02
电能计量是现代电力营销系统中的一个重要环节，传统的电能量结算是依靠人工定期到现场抄读数据，在实时性、准确性和应用性等方面都存在不足。而用电客户不仅要求有电用，而且要求用高质量的电，享受到更好的服务。因此提高电力部门电费实时性结算水平，建立一种新型的抄表方式已成为所有电力部门的共识。
一、电能计量自动抄表系统的构成和特点
1、前端采集子系统
按照采集数据的方式不同，电能计量自动抄表系统可分为本地自动抄表系统和远程自动抄表系统两种。
本地自动抄表系统的电能表一般加装红外转换装置，把电量转换为红外信号，抄表时操作人员到现场使用便携式抄表微型计算机，非接触性地读取数据。
远程自动抄表系统由电子式电能表或加装了光电转换器的机电脉冲式电能表构成系统的最前端，它们把用户的用电量以电脉冲的形式传递给上一级数据采集装置。目前实际应用的远程自动抄表系统大多采用两级式数据汇集结构，即由安装于用户生活小区单元的采集器收集十几到几十个电能表的读数，而安装在配电变压器下的集中器则负责定期从采集器读取数据。
2、通信子系统
通信子系统是把数据传送到控制中心的信道。为了适应不同的环境条件以及成本要求，通信子系统的构成有多种方案。按照通信介质的不同，通信子系统主要有光纤传输、无线传输、电话线传输和低压电力线载波传输四种。
光纤通信具有频带宽、传输速率高、传输距离远以及抗干扰性强等特点，适合上层通信网的要求。但因其安装结构受限制且成本高，故很少在自动抄表系统中使用。
无线通信适用于用户分散且范围广的场合，在某个频点上以散射通信方式进行无线通信。其优点是传输频带较宽，通信容量较大(可与几千个电能表通信)，通信距离远(几十千米，也可通过中继站延伸)。目前，GPRS无线通信网络为无线抄表系统的实施提供了高效、便捷、可靠的数据通道。主要缺点是需申请频点使用权，且如果频点选择不合理，相邻信道会相互干扰。
租用电话线通信是利用电话网络，在数据的发出和接收端分别加装调制解调器。该方法的数据传输率较高且可靠性好，投资少;不足之处是线路通信时间较长(通常需几秒甚至几十秒)。
低压电力线载波通信利用低压电力线作为系统前端的数据传输信道。其基本原理是：在发送数据时，先将数据调制到高频载波上，经功率放大后耦合到电力线上。此高频信号经电力线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号。电力线载波直接利用配电网络，免去了租用线路或占用频段等问题，降低了抄表成本，有利于运营管理，发展前景十分广阔。但是，如何抑制电力线上的干扰，提高通信可靠性仍是亟待解决的问题。
3、中心处理子系统
中心处理子系统主要由中心处理工作站以及相应的软件构成，是整个电能计量自动抄表系统的最上层，所有用户的用电信息通过信道汇集到这里，管理人员利用软件对数据进行汇总和分析，作出相应的决策。如果硬件允许，还可直接向下级集中器或电能表发出指令，从而对用户的用电行为实施控制，如停、送电远程操作。
二、电计量自动抄表技术
1、电能表
传感器、自动化仪表以及集成电路技术的发展，使得无论是机电脉冲式还是电子式电能表已能够较好地满足当今电能计量自动抄表技术的需要。预计今后相当一段时间内，电能计量自动抄表系统的终端采集装置将以机电脉冲式电能表和电子式电能表两种仪表为主。
2、采集器和集中器
采集器和集中器是汇聚电能表电量数据的装置，由单片机、存储器和接口电路等构成，现在已经出现了较成熟的产品。
3、通信信道
通信子系统是电能计量自动抄表技术中的关键。数据通信方式的选取要综合考虑地理环境特点、用户用电行为、技术水平、管理体制和投资成本等因素。国内外对于不同通信方式各有侧重，在西方发达国家，对于电能计量自动抄表技术的研究起步较早，电力系统包括配电网络较规范、完备，所以低压电力线载波技术被广泛应用;在我国，受条件所限，较多使用电话线通信。近来，随着对扩频技术研究的深入，低压电力线载波中干扰大的问题逐步得到解决，因此，低压电力线载波通信方式在电能计量自动抄表技术中的应用有逐步推广的趋势。
三、电能计量自动抄表技术的热点
1、电力线载波通信
电力线载波通信，是将信息调制为高频信号(一般为50―500kHz)并叠加在电力线路上进行通信的技术。其优势是利用电力线作为通信信道，不必另外铺设通信信道，大大节省投资，维护工作量少，可灵活实现“即插即用”。目前，国内10kV以上电压等级的高压电力线载波技术已经较成熟，但低压电力网络上的载波通信还未能达到令人满意的水平，这在一定程度上制约了电能计量自动抄表技术在我国的实际应用。
2、无线扩频通信
扩频技术是一种无线通信方式，把发送的信息转换为数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号，以扩展信号的频谱，通过相关接收，用相同的频码序列解扩，最后经信息解调，恢复出原始信息。扩频通信距离一般可达几十千米，其最大的优点在于抗干扰能力较强，因此具有较强的安全保密性。扩频技术在电能计量自动抄表系统的典型应用方式是：采集器通过电力线载波把数据传至集中器，再由设置在集中器附近的扩频电台把数据发送给中央处理站的接收电台。
3、复合通信
在应用于电能计量自动抄表系统中的所有通信模式中，各种通信模式都有优缺点，任何一种采用单一通信技术的方案均很难完全满足需要。为解决这类矛盾，提出了复合通信方案。
复合通信方案是在自动抄表的不同通信阶段采用不同的通信方式，组成实现电能自动抄表的复合通信网络。在数据传输量不太大、传输距离较近的底层数据采集阶段(电能表到采集器，采集器到集中器)，可以采用如红外、低压电力线载波甚至点对点的通信方式;而在集中器到中央处理站段，则可采用电缆、电话线或无线通信等。选择什么样的复合方式，需根据实际情况统筹考虑。混合使用的各种通信方式之间要有很好的相容性，不能相互干扰，这其中涉及到运筹学、最优规划等方面的研究与设计。
4、自动抄表的安全性
自动抄表的安全性主要包括自动抄表过程的安全性和中心处理子系统的计算机网络安全性。电能计量自动抄表系统的抄表过程是分散的采集器、集中器与中心处理站间交换数据的过程。通信中既要保证所抄数据的安全、可靠传输，又必须确保中心处理子系统不会受到来自传输网络的意外攻击。
中心处理子系统的安全性主要是指其包含的计算机网络安全性，而主要的安全隐患来自以下4个方面：黑客、病毒、合法人员的失误和网络系统自身的脆弱性。保护及防范的措施是综合运用密码技术、身份验证技术、访问控制技术、防火墙技术、安全内核技术、网络反病毒技术、信息泄漏防治技术、网络安全漏洞扫描技术和入侵检测技术等。
小结：电力营销效率的提高，取决于营销部门对配网信息、用户现状和需求的了解程度，以及对各种数据分门别类加以采集分析并有效利用。
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