電能計量技術論文
電能計量技術論文
電能計量是現(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的電能量結(jié)算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄讀數(shù)據(jù)，在實時性、準確性和應用性等方面都存在不足。學習啦小編為大家整理的電能計量技術論文，希望你們喜歡。
電能計量技術論文篇一
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(wǎng)絡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。由于有諧波電流和諧波電壓，當然還有諧波功率。類似于基波的情況，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(tǒng)正常運行有直接影響，而無功功率則有助于分析和研究諧波條件和濾波措施。
諧波有功功率產(chǎn)生于各種諧波源。但是，對于任何一個諧波源而言，它們無法發(fā)出各種諧頻，一般只發(fā)出幾個主要諧波頻率特征的諧波功率，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(fā)出的諧波功率凈值通常為正值，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。當電源連接到基波就必須要強制反饋諧波電流到電力系統(tǒng)中。因此，用電時基波功率不完全是為自身消耗，而是轉(zhuǎn)為諧波功率，并被迫返回到電源系統(tǒng)。用戶接入配電系統(tǒng)只需要接受有效率的基波功率，而諧波功率不僅不是多余的，甚至會導致發(fā)電機、電動機、變壓器等發(fā)熱的不利影響。
二、諧波產(chǎn)生的方式
在電力電子裝置出現(xiàn)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(chǎn)生的諧波由于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，并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采用整流二極管作整流器件，把交流電變換成直流電，因此整流二極管工頻整流也就成為電力電子的最基本、最普遍的電能形態(tài)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(diào)速器、直流電力機車、電化學工業(yè)整流等裝置，都優(yōu)先采用橋式整流器和大電容器濾波作為AC/DC變換器，由于大容量濾波電容器的存在，使二極管的導通角變得很小，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，呈窄尖峰脈沖(圖1)，故線路功率因數(shù)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。利用傅立葉公式對周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(shù)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，相位不等于90°，產(chǎn)生的平均功率不為零。這種情況下這里整流器的平均輸出功率等于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滯后于US的相位角1的余弦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(shù)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(shù)DPF接近于單位1，整流器的功率因數(shù)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，這里電流有效值為：
式中，(Is)n是第n次諧波電流的有效值。設基波電流滯后輸入電壓的角度為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(shù)，即功率因數(shù)為電流波形畸變因子與相移因數(shù)之乘積。
在電網(wǎng)中由于供電線路和變壓器總要大于用電器的功率消耗，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，那么它的功率因數(shù)肯定是很低的。但要注意記住，反過來就不一定了。有經(jīng)驗的電氣專業(yè)人員只要測量到用電器的功率因數(shù)接近1時，就可以肯定此電路中的諧波含量很小。功率因數(shù)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(shù)行之有效的方法。APFC是有源功率因數(shù)校正技術，對輸出300 W以上的各種電源變換器均需要采用APFC技術來提高功率因數(shù)。
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(tǒng)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(zhuǎn)圓盤阻抗發(fā)生變化，導致工作電壓磁通和電流磁通發(fā)生變化，電磁轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動力也發(fā)生變化，由此產(chǎn)生了電能表的計量誤差。與此同時，由于諧波和基波的相互疊加的形式存在，波形發(fā)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(jù)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(chǎn)生平均功率。電能表在畸變的電壓和電流通過電磁元件之后，磁通不與波形發(fā)生對應的變化，導致電磁轉(zhuǎn)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于不能將不同頻率的正弦電壓和電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩疊加，不能計量諧波有功電能，從而產(chǎn)生計量誤差。
2、全電子式電能表
全電子式電能表在進行數(shù)值計算時，CPU可以將包含不同頻率的且按照正弦規(guī)律變化的電壓和電流的瞬時值分別采樣計算。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(wǎng)時，由于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(shù)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(chǎn)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，電壓電流變換組件的分散性，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(huán)境下準確合理的電能計量方法
要對諧波環(huán)境下電能進行準確的合理計量，主要出發(fā)點在于區(qū)分基波(有用)功率與諧波(無用)功率。采用的方法主要有：
1、采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(chǎn)生的諧波進行計量
2、采用分頻技術分別計量基波電能與諧波電能及其方向，并利用電費杠桿進行調(diào)節(jié)。用戶電費由3部分構成，即基波(實際有用的)電費，產(chǎn)生或發(fā)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、采取技術和管理2方面的措施，加強對非線性負荷的準入制度，切實抑制諧波含量。當諧波含量在允許的范圍內(nèi)時，電能計量的準確性能得到保證。傳統(tǒng)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(guī)電壓(電流)表及有功功率表的頻率特性以固定不變?yōu)槔硐?。其實質(zhì)是將諧波量與基波量同等看待，即諧波影響常規(guī)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(huán)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。采用分頻技術制成的電能表可有效解決這一問題。
五、結(jié)語
綜上所述，諧波不僅影響了輸配電和用戶電力設備的正常使用，致使用戶的無功功率電費支出增加，而且對其他設備元件也產(chǎn)生了危害。在計量回路中應用新型的基波電能表，采用分頻技術分別計量基波電能和諧波電能，加強非線性負荷的準入制度，將大大降低諧波帶來的電能計量誤差，維護好企業(yè)和用戶的利益。
電能計量技術論文篇二
現(xiàn)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(tǒng)的結(jié)構和特點，從電能表、采集器和集中器，以及通信信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(xiàn)代電力營銷系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的電能量結(jié)算是依靠人工定期到現(xiàn)場抄讀數(shù)據(jù)，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(zhì)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(jié)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(tǒng)的構成和特點
1、前端采集子系統(tǒng)
按照采集數(shù)據(jù)的方式不同，電能計量自動抄表系統(tǒng)可分為本地自動抄表系統(tǒng)和遠程自動抄表系統(tǒng)兩種。
本地自動抄表系統(tǒng)的電能表一般加裝紅外轉(zhuǎn)換裝置，把電量轉(zhuǎn)換為紅外信號，抄表時操作人員到現(xiàn)場使用便攜式抄表微型計算機，非接觸性地讀取數(shù)據(jù)。
遠程自動抄表系統(tǒng)由電子式電能表或加裝了光電轉(zhuǎn)換器的機電脈沖式電能表構成系統(tǒng)的最前端，它們把用戶的用電量以電脈沖的形式傳遞給上一級數(shù)據(jù)采集裝置。目前實際應用的遠程自動抄表系統(tǒng)大多采用兩級式數(shù)據(jù)匯集結(jié)構，即由安裝于用戶生活小區(qū)單元的采集器收集十幾到幾十個電能表的讀數(shù)，而安裝在配電變壓器下的集中器則負責定期從采集器讀取數(shù)據(jù)。
2、通信子系統(tǒng)
通信子系統(tǒng)是把數(shù)據(jù)傳送到控制中心的信道。為了適應不同的環(huán)境條件以及成本要求，通信子系統(tǒng)的構成有多種方案。按照通信介質(zhì)的不同，通信子系統(tǒng)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。
光纖通信具有頻帶寬、傳輸速率高、傳輸距離遠以及抗干擾性強等特點，適合上層通信網(wǎng)的要求。但因其安裝結(jié)構受限制且成本高，故很少在自動抄表系統(tǒng)中使用。
無線通信適用于用戶分散且范圍廣的場合，在某個頻點上以散射通信方式進行無線通信。其優(yōu)點是傳輸頻帶較寬，通信容量較大(可與幾千個電能表通信)，通信距離遠(幾十千米，也可通過中繼站延伸)。目前，GPRS無線通信網(wǎng)絡為無線抄表系統(tǒng)的實施提供了高效、便捷、可靠的數(shù)據(jù)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，相鄰信道會相互干擾。
租用電話線通信是利用電話網(wǎng)絡，在數(shù)據(jù)的發(fā)出和接收端分別加裝調(diào)制解調(diào)器。該方法的數(shù)據(jù)傳輸率較高且可靠性好，投資少;不足之處是線路通信時間較長(通常需幾秒甚至幾十秒)。
低壓電力線載波通信利用低壓電力線作為系統(tǒng)前端的數(shù)據(jù)傳輸信道。其基本原理是：在發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將數(shù)據(jù)調(diào)制到高頻載波上，經(jīng)功率放大后耦合到電力線上。此高頻信號經(jīng)電力線路傳輸?shù)浇邮辗?，接收機通過耦合電路將高頻信號分離，濾去干擾信號后放大，再經(jīng)解調(diào)電路還原成二進制數(shù)字信號。電力線載波直接利用配電網(wǎng)絡，免去了租用線路或占用頻段等問題，降低了抄表成本，有利于運營管理，發(fā)展前景十分廣闊。但是，如何抑制電力線上的干擾，提高通信可靠性仍是亟待解決的問題。
3、中心處理子系統(tǒng)
中心處理子系統(tǒng)主要由中心處理工作站以及相應的軟件構成，是整個電能計量自動抄表系統(tǒng)的最上層，所有用戶的用電信息通過信道匯集到這里，管理人員利用軟件對數(shù)據(jù)進行匯總和分析，作出相應的決策。如果硬件允許，還可直接向下級集中器或電能表發(fā)出指令，從而對用戶的用電行為實施控制，如停、送電遠程操作。
二、電計量自動抄表技術
1、電能表
傳感器、自動化儀表以及集成電路技術的發(fā)展，使得無論是機電脈沖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。預計今后相當一段時間內(nèi)，電能計量自動抄表系統(tǒng)的終端采集裝置將以機電脈沖式電能表和電子式電能表兩種儀表為主。
2、采集器和集中器
采集器和集中器是匯聚電能表電量數(shù)據(jù)的裝置，由單片機、存儲器和接口電路等構成，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了較成熟的產(chǎn)品。
3、通信信道
通信子系統(tǒng)是電能計量自動抄表技術中的關鍵。數(shù)據(jù)通信方式的選取要綜合考慮地理環(huán)境特點、用戶用電行為、技術水平、管理體制和投資成本等因素。國內(nèi)外對于不同通信方式各有側(cè)重，在西方發(fā)達國家，對于電能計量自動抄表技術的研究起步較早，電力系統(tǒng)包括配電網(wǎng)絡較規(guī)范、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，較多使用電話線通信。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，低壓電力線載波通信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、電力線載波通信
電力線載波通信，是將信息調(diào)制為高頻信號(一般為50―500kHz)并疊加在電力線路上進行通信的技術。其優(yōu)勢是利用電力線作為通信信道，不必另外鋪設通信信道，大大節(jié)省投資，維護工作量少，可靈活實現(xiàn)“即插即用”。目前，國內(nèi)10kV以上電壓等級的高壓電力線載波技術已經(jīng)較成熟，但低壓電力網(wǎng)絡上的載波通信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、無線擴頻通信
擴頻技術是一種無線通信方式，把發(fā)送的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號，以擴展信號的頻譜，通過相關接收，用相同的頻碼序列解擴，最后經(jīng)信息解調(diào)，恢復出原始信息。擴頻通信距離一般可達幾十千米，其最大的優(yōu)點在于抗干擾能力較強，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(tǒng)的典型應用方式是：采集器通過電力線載波把數(shù)據(jù)傳至集中器，再由設置在集中器附近的擴頻電臺把數(shù)據(jù)發(fā)送給中央處理站的接收電臺。
3、復合通信
在應用于電能計量自動抄表系統(tǒng)中的所有通信模式中，各種通信模式都有優(yōu)缺點，任何一種采用單一通信技術的方案均很難完全滿足需要。為解決這類矛盾，提出了復合通信方案。
復合通信方案是在自動抄表的不同通信階段采用不同的通信方式，組成實現(xiàn)電能自動抄表的復合通信網(wǎng)絡。在數(shù)據(jù)傳輸量不太大、傳輸距離較近的底層數(shù)據(jù)采集階段(電能表到采集器，采集器到集中器)，可以采用如紅外、低壓電力線載波甚至點對點的通信方式;而在集中器到中央處理站段，則可采用電纜、電話線或無線通信等。選擇什么樣的復合方式，需根據(jù)實際情況統(tǒng)籌考慮?；旌鲜褂玫母鞣N通信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(yōu)規(guī)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(tǒng)的計算機網(wǎng)絡安全性。電能計量自動抄表系統(tǒng)的抄表過程是分散的采集器、集中器與中心處理站間交換數(shù)據(jù)的過程。通信中既要保證所抄數(shù)據(jù)的安全、可靠傳輸，又必須確保中心處理子系統(tǒng)不會受到來自傳輸網(wǎng)絡的意外攻擊。
中心處理子系統(tǒng)的安全性主要是指其包含的計算機網(wǎng)絡安全性，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(wǎng)絡系統(tǒng)自身的脆弱性。保護及防范的措施是綜合運用密碼技術、身份驗證技術、訪問控制技術、防火墻技術、安全內(nèi)核技術、網(wǎng)絡反病毒技術、信息泄漏防治技術、網(wǎng)絡安全漏洞掃描技術和入侵檢測技術等。
小結(jié)：電力營銷效率的提高，取決于營銷部門對配網(wǎng)信息、用戶現(xiàn)狀和需求的了解程度，以及對各種數(shù)據(jù)分門別類加以采集分析并有效利用。
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