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 技術文獻 |
在線電能表更新工程與產品差異化設計 |
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點擊次數：2767 更新時間：2009-05-08 |
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2005年，中國的電子式電能表市場突起，各類電表全面需求，那是國家電網和南方電網正在實施在線電能表更新工程，從計量技術全面升級抓起，強化電能計量管理，同時，也預示著電能表產業面臨新的發展機遇，電子式電能表漸入品質時代。推進這次在線電能表更新工程的要素：
●電力體制改革的深化，發、供電雙方對關口計量給予高度關注，就全國范圍來說，關口表具有0.1％的偏差，每年將有24億千瓦時的電量波動。
●電網建設快速發展，每年新增計量點約10％，2005年新增的關口計量點約1400個，變電站10千伏計量點約9萬個，居民用電戶2400萬戶。
●隨著全社會用電量迅速增長，出臺新的電價政策，擴大大工業戶峰谷電價，兩部制電價的實施范圍。
●城網、農網改造以來，網上運行的劣質電能表估計有3000萬臺；在線電能表的整體計量性能缺乏保障機制。
●前幾年實施的一戶一表工程，在線電能表數量增長約10倍，對自動抄表系統提出新的需求。
●電網的諧波電流污染嚴重，污染范圍擴大到城鎮居民用電區，電能質量監測逐步引起重視。
●電網是企業，追求優良服務和經濟效益，著力于正確執行電價政策，擴大電力營銷，降低線路損耗。
鑒于這些因素，2005—2006年國家電網和南方電網已經或將要投入巨資，大規模的推進在線電能表更新工程。對此，電能表廠商顯得準備不足，2005年只是頻繁應付電能表招標，提供現有電能表產品。
本文將敘述在線電能表應用技術更新的要求由來以久，在線電能表更新工程規模的估計，電能表產品差異化設計，以期在2006年及以后的時間，通過產品差異化設計，不斷為在線電能表更新工程提供高品質電子式電能表。
一、在線電能表應用技術更新的要求由來以久
1、2005年3月，北京電能表應用技術座談會討論并提出：
●國家電網主管部門：
·推進全國電力營銷實時系統的建設
·要實施電能計量全過程管理，電能計量裝置要從電力設計抓起
●南方電網主管部門：
·要旗幟鮮明的選用高品質的精品電能表
·要創新電能計量管理方式
●部分省、市電力：
·采用Hilbert數字濾波器的非正弦無功表
·時鐘的計時誤差，采用溫度自動補償技術
·進口三相基波有功表，90％的電表有功電量少計量
·對大工業戶，要組建無線式運行管理系統
●電力系統電能計量技術機構：
·三相多功能的功能過多，實用功能有限，要進行電表功能規范
·三相多功能表的通信規約版本多，DL/T645—1997要進行修訂
·諧波負荷是動態的，要找出典型負荷曲線
●部分電能表企業：
·諧波有功電能計量具有三種方式：基于數字乘法器的諧波有功計量；基于正弦理論的基波有功計量；基于FFT變換的諧波有功功率潮流分析技術。
·三相多功能表的通信接口改進：傳統通信接口，現場用紅外調制接口，遠程用RS485接口；擴展接口，現場用蘭牙通信，遠程用GPRS。
2、2005年8月，湖北宜昌關口電能計量裝置管理與技術經驗交流會討論并提出：
●國家電網主管部門：
·2005—2006年兩年投資59億元，用于改進電能計量裝置。其中，2005年計劃完成26.6億元投資
注：南方電網方面，僅廣東電力2005年用于電能表、無線式終端投資，估計超過10億元。
●部分省、市電力：
·電能表實施全生命周期管理
·早期進口的關口表，其計量功能和誤差曲線，已經不適應發電市場改革的需求，應進行技術更新
·進口關口表，具有諧波/基波有功電能計量功能
●電力系統電能計量技術機構：
·電力用戶要按重要程度和電力負荷情況，重新劃定分類，配置不同性能的電能表
·對電能表品質評價，要補充測試項目：
誤差重復性；誤差一致性；負荷電流升降變差；表內軟件和系統軟件通過測試
·電能表通信規約：
DL/T645—1997：曾經對機電式多功能表技術發展，起到積極推動作用。由于原規約的局限性、安全性和不確定性，目前已經不適用電子式電能表技術發展的實際情況
IEC62056：具有先進理念，但與國情還有一些差距；DLMS會員制管理方式，使IEC62056推廣受到限制
DL/T645的修訂思路：以原有的DL/T645為基礎，與現有多功能表通信規約兼容，數據標識擴大到4個字字，8個字段；引入通信規約注冊備案機制；通信規約要進行一致性測試
注：有些專業人士提出采用IEC62056的建議
●電力系統互感器計量技術機構：
·網上運行的0.2級CVT：準確度只能達到0.5級，如要達到0.2級，實際二次負荷要控制在額定二次負荷的1/3左右
·國內，弱信號的模擬量和數字量校驗系統已經建成。
3、2005年8月之后，據了解，國家電網正在組織制定和實施關口表技術條件、電能表通用技術條件、電能計量裝置管理工作規定等企業標準，作為全網在線電能表技術更新的統一規范。
綜合以上情況，“十五”期間，我國的經濟和電力工業快速發展，電力體制改革逐步到位，原有在線電能表的計量品質不高，技術性能不一，計量技術標準遲后的狀況，已經不適應電網現行電價政策，電力營銷需求和電力負荷實際情況，可以說，大規模實施在線電能表更新工程時機合宜。
二、在線電能表更新工程規模的估計
目前，國家電網和南方電網擁有直接管理的計費用戶，估計有13500萬戶。這次在線電能表更新工程的范圍，從單相居民用電戶、大工業戶、中等容量用戶到關口計量點，從在線電能表到PT、CT及其二次回路，從在線電能表（無線式終端）到自動抄表系統，從在線電能表到標準表、校驗裝置的。由2005年各省、市電力的電能表招標情況看，國家電網的實際投資將超過早期公布的額度。由于各省、市電力的電價政策和計量管理模式不一，下面就國家電網和南方電網直接管理用戶范圍，對在線電能表更新工程規模進行估計。
1、關口計量點
●關口計量點工程量，全國的跨區域電網聯絡線，省級電網聯絡線，各類發電廠上網電量計量點，省級電網對地市電網供電線路計量點，約有16000個，其中有30％的關口計量點已經配置主表、副表。這次關口表估計更新30％
●更新工程內涵：
·早期進口的關口表，其技術性能、通信規約、校驗脈沖輸出方式不一，需要進行統一；淘汰非品牌關口表
·有些品牌關口表，雖然網上安裝量多，但只具有有功、無功電能計量，需要更新補充費率、zui大需量計量，負荷曲線內存容量、遠程報警、IEC62056通信規約等功能
·有些早期關口表的誤差合格、穩定，但實際誤差曲線偏離零線一個方向，由計量誤差引入的誤差電量較大
·擴大國產關口表的用量
2、大工業戶
●大工業戶工程量：變壓器容量為315千伏安及以上或月用電量為10萬千瓦時及以上的大工業戶，全國約有60萬戶，估計60％電能表需要更新
●更新工程內涵：
·上世紀90年代進口的三相多功能表，故障率較高
·1995—2000年的國產三相多功能表，包括：采用低位A/D和MCU的三相多功能表，早期進口三相計量芯片的三相多功能表。這些電表的計量準確度低，動態負荷計量不適應，事件記錄功能不實用，故障率高
·1995年以來，各省、市電力的大工業戶，經批準實施峰谷電價，采用機電式三相多費率有功表和機械式三相無功表，需要改用有功、無功合一計量的三相多功能表
·根據電力負荷實際情況，采用具有諧波/基波有功電能計量功能的三相多功能表。
3、100千伏安及以上普通工業、非工業和商業戶
●這類用戶工程量：兩網直管用戶約有240萬戶，估計40％電能表需要更新
●更新工程內涵：
·原來實行《功率因數調整電費辦法》的用戶，將機械式有功表和無功表合一計量，采用電子式三相多功能表
·擴大大工業戶峰谷電價或兩部制電價實施范圍的用戶，采用電子式三相多功能表
·原有的大型商業戶，由三相有功表改用三相多功能表。
4、100千伏安以下三相用戶
●這類用戶工程量：兩網直管約960萬戶，估計60％電能表需要更新
●更新工程內涵：
·原有2級機械式三相有功表，改用1級電子式三相有功表
·采用LCD顯示和RS485通信接口的電子式三相有功表。
5、變電站和配電變壓器計量點
●這類計量點工程量：兩網直管約有128萬個，估計40％電能表需要更新
●更新工程內涵：
·原有的機械式三相有功表和無功表合一計量，改用具有LCD顯示和RS485接口的電子式三相多功能表
·采用具有變電站和配電變壓器計量特殊要求的三相多功能表
·配置無線式終端，擴展遠程自動化系統。
6、低壓居民用電戶
●低壓居民用電戶工程量：兩網直管約有12150萬戶，估計30％電能表需要更新
●更新工程內涵：
·隨著電力負荷的增長，每年新增1900萬戶
·城網、農網改造以來，網上運行劣質單相電能表估計1000萬戶
·原有2級機械式單相表改為1級電子式單相表
·采用具有LCD顯示和RS485通信接口的電子式單相表
·單相多費率表，隨著地方出臺的居民用戶多費率電價政策的實施，每年新增單相多費率表估計150萬戶
·單相低壓載波表，每年新增估計200萬戶
·單相付費表，每年新增估計200萬戶。
7、無線式電力負荷控制、管理系統，大工業戶電能量實時監測系統，估計更新或新增終端20萬臺
概括以上在線電能表更新工程規模的估計，僅國家電網和南方電網的直接管理用戶，在線電能表共七類4424萬臺需要更新。從更新工程的內涵，可以看出這些電能表應用技術發展的趨向。
●機械式電能表逐步淡出：
·2級機械式單相表，改用1級電子式單相表
·機械式單相表、三相表，改用具有LCD顯示和RS485接口的電子式單相表、三相表
·機械式有功、無功表，改用有功、無功合一計量，具有LCD顯示的電子式三相多功能表
●早期的多費率、多功能表將分批更換
·采用模擬乘法器、霍爾乘法器、低位A/D和MCU的三相多費率、多功能表，改為采用數字乘法器的三相多費率、多功能表
·采用雙機械計度器的單相多費率表，改用具有LCD顯示的電子式單相多費率表
●在線電能表要求具有長期誤差穩定性、可靠性；關口表誤差曲線分布合理；
●三相多功能表同時具有DL/T645和IEC62056兩種通信規約
●繼無式線負荷控制系統發展與爭議之后，無線式大工業戶用電量實時監測系統正在成為技術熱點；低壓電力線載波通信新技術和近距離無線式自動抄表系統受到電力系統的關注
●三相諧波/基波有功電能計量技術擴大應用
總之，電力系統正在進行在線電能表更新工程，其實質是淘汰低準確度、低品質、功能不實用、限制自動抄表系統發展的機械表和早期電子式電能表，換上較高準確度、較高品質、功能簡單實用、適應正弦、穩定負荷計量的電子式電能表，同時，為推進自動抄表系統做準備。2005年的在線電能表更新工程，由各省、市電力按在線電能表分類，參照現行IEC標準、國標和電力行標，提出相應的技術條件。
需要說明：本文敘述的在線電能表更新工程，沒有包涵兩網非直接管理的用戶，估計有8500萬戶。目前，正在進行縣城電網改造，部分省、市新一輪農網擴容改造已經開始，西部電網還有劣質電能表2000萬臺，這些都將作為在線電能表更新工程的后續工程，但是其更新工程規模和時間表，暫時難以作出估計。
三、在線電能表差異化設計
2006年是在線電能表更新工程實施第二年，國家電網將頒發并組織實施全網統一的在線電能表技術條件。面對激烈競爭的電能表市場，電能表廠商要盡快熟悉電力系統的新要求，推出具有差異化設計的電能表產品，為實施差異化營銷、嬴得市場提供技術保障。
1、三相多功能表
●傳統計費電能表通用設計要求，有功、無功電能計量，zui大需量計量，費率時段，單方向、雙方向和不完整的四象限計量，多參數測量，多種計時要求，多種通信方式，自檢、報警，停電抄表，失壓、斷相、停電、失流、三相不對稱、編程預置、需量復位等事件記錄。
●新提出的通用設計要求，運行和備用兩套費率時段，0—360°計量，具有時標的視在電能計量，zui小需量計量，Qh計量，計量誤差的溫度自動補償，防竊電基礎技術，同時，計費電能表要準確可靠，功能簡單、實用，采用DL/T645和IEC62056兩種通信規約。
●關口表的特殊設計要求，zui高準確度提高到0.1級，交流采樣速率不低于128點/周波，電能表穩定性和可靠性指標要量化，低負荷計量，需量周期、費率時段的同步，主、副表誤差實時比對，大容量負荷曲線存儲器，電能表遠程監測等。
●大工業戶計量的特殊設計要求，諧波、動態負荷、三相不對稱計量，功率越限報警，主變壓器損耗計量，互感器合成誤差補償，電能質量指標計量等。
●中等容量戶計量的特殊設計要求，大電流計量，半波通過電流互感器計量，三相不平衡、不對稱計量。
●變電站進線、出線計量的特殊設計要求，主變壓器損耗計量，變電站的有功、無功、視在電能平衡計量，無功功率控制信號輸出，用戶線路的特殊設計要求，參照大工業戶計量的特殊設計要求內容。
●配電變壓器計量的特殊設計要求，停電信息采集，三相不平衡、不對稱測量，中性線電流測量，變壓器油溫測量，變壓器損耗計量和有功、無功、視在電能平衡，電力線路損耗電量的核實等。
●無線式負荷控制、管理系統終端的特殊設計要求，功率越限報警和主動上報，電力負荷開關投切信號輸出等。
2、諧波電能計量技術
總結近幾年諧波電能計量產品入網試用的經驗，目前，在線電能表差異化設計的要求是：
●各類三相多功能表宜具有兩種功率因數計算：鑒于諧波有功電能計量，目前有些基本問題還有爭議，諧波無功電能計量技術標準正在探索，只有基于諧波視在電能計量的諧波功率因數計算，有可能成為進入電力市場的切入點。這是因為諧波功率因數計算符合IEEE-1459諧波功率定義標準、電力營銷政策、電力負荷實際情況，因此，各類三相多功能表宜具有矢量法和算術法兩種功率因數計算方法，供電力系統和用戶選用。
●諧波有功電能計量，對大型企業具有特殊意義。目前繼續進行諧波表與基波表之爭，具有盲目性。正在開發的三相多功能表，通常具有諧波/基于有功電能計量功能，在此基礎上要補充諧波有功功率潮流分析方法，提供基波有功電能，正向諧波有功電能，反向諧波有功電能及它們的負荷曲線，還有諧波次數和各次諧波幅值、初相位。總的有功電能量如何計算，有電力系統和用戶自定義。
●城鎮居民用電區的諧波計量技術需要探索
城鎮居民區的用電特征，電壓諧波含量不大，諧波電流超標嚴重。為抑制諧波電流過快增長，對配電變壓器計量的三相電能表宜補充三項電能質量指標監測功能：
·電壓諧波總含量
·電流諧波總含量
·諧波污染程度＝非基波視在電能/基波視在電能
●諧波電能計量溯源：目前，上的一些計量技術機構，可以提供諧波有功功率、諧波視在功率的監測報告。國內，諧波電能計量工作標準還是空白，已經影響在線諧波電能計量產品的發展，因此，隨同在線諧波電能計量技術的設計開發，需要優先研究解決計量溯源問題。
3、電子式單相表系列產品
●電子式單相多費率表特殊設計要求：采用LCD顯示，時鐘的計量誤差采用溫度自動補償電路，優先采用多功能SOC單芯片，簡單實用的防竊電技術。
● 電子式付費電能表特殊設計要求：選用品質優良的過負荷開關、IC卡座，優先采用預購電量的金額和現行電價進入單相付費表的計算方式，加密方式簡單可靠，遠程付費技術應用。
4、自動抄表、管理系統
2005年，在自動抄表系統方面推出多項實用新技術，也引發新的技術爭議，增加計量產品差異化設計選型的難度。
●低壓電力線載波通信技術
·早期推出并經改進的采用BFSK調制的擴頻通信芯片，嵌入模糊識別、模糊控制和現代信號處理技術
·2004年推出的采用4QPSK直序擴頻的多功能芯片，支持CDMA多址保密通信
·2005年推出的智能控制網絡SOC單芯片及網絡化能源服務系統
·2005年推出的采用阻抗適配濾波技術的中、低壓用電綜合智能化系統
●近距離無線式自動抄表系統
·ZigBee—基于行業標準的無線網絡解決方案：ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本和有著更小容量協議棧的雙向無線通信技術，主要用于工業控制，消費性電子設備，汽車自動化，農業自動化等。ZigBee采用直接序列擴頻（DSSS），工作于2.4GHz（ISM頻段）、868MHz（歐州）、915MHz（美國），傳輸距離為10—75米。
·Z—Wave無線通信技術：Z—Wave是基于射頻、低成本、低功耗、高可靠性的雙向無線通信技術，主要用于家居、身份識別和小型工業控制。Z—Wave工作于900MHz（ISM頻段）、868.42MHz（歐洲）、908.42MHz（美國）。采用FSK調制，有效覆蓋范圍，室內30米，室外100米。
●遠程無線式自動抄表、控制系統
·早期推出并經改進的基于電力系統230MHz通信網的電力負荷管理系統
·2004年推出的基于GPRS/CDMA公用通信網絡的電力負荷管理系統
·2006年推出的基于Mobitex無線數據網的電力負荷管理系統
本部分列出名目繁多的自動抄表、控制系統新技術，近距離自動抄表方面，由低壓電力線載波通信和無線式抄表系統，其中，低壓電力線載波通信技術，又有經改進的傳統載波調制技術、智能網絡控制技術、阻抗適配濾波技術；近距離無線抄表有ZigBee、Z—Wave；遠程自動化系統方面，由230MHz電力專網，GPRS/CDMA公用網，Mobitex無線數據網。這些正在發展中的自動抄表、控制技術，其通信原理、工作頻段或帶寬、傳輸速率、傳輸距離、抗干擾能力，都不同，設計系統方案時，應通過調查電網分布，測試干擾源情況，從信號覆蓋面、通信實施性、通信安全性、通信速率、實現監測、通信收費、運行維護與改造、工程投入資金等多方面進行技術經濟比較后慎重確定。
上面提出的在線電能表產品差異化設計問題是一個適應電力市場變化的新課題，主要是基于現有電子式電能表具有正弦、穩態負荷計量特征，改善與拓展計量性能和功能，因此這種產品差異化設計是初級的，也是實用的。
總結語：
由2005年起步、為期2—3年的在線電能表更新工程，意在保障在線電能表整體技術性能不斷升級，創新電能計量管理。同時，也是電能表產業發展的一個新的里程碑，電子式電能表漸入品質時代。
展望我的經濟和電力工業的未來發展，電力系統的在線電能表更新工程，可以預期將以5—8年為一個周期繼續推進，保證在線電能表整體上總是具有先進實用的計量技術。作為電能表產業，產品別的差異化設計和自主創新，包括：電能表企業*專有的電能計量芯片、電能計量算法、電能表自適用技術，國產關口表、直接式高壓電能表、諧波電能計量溯源標準、各種電能量遠程實時監測系統、各級電網總電量遠程監測計算技術等課題，已經提到議事日程，需要適時進行統一規劃并組織實施。 |
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