配网高压电能计量装置整体校准技术研究*

陈缨，岳长喜，杨勇波，朱凯，项琼，王欢

（1.四川省电力科学研究院，成都，610072；2.中国电力科学研究院，武汉430074）

0 引 言

高压电能计量装置一般包括电压互感器、电流互感器和电能表三部分，在电网中承担电能计量、线损监测和负荷分配等任务［1-2］。为了合理使用和管理高压电能计量装置，原水利电力部在1983年颁发实施的SD 109-1983《电能计量装置校验规定》中提出了电能计量装置综合误差（γ）的概念，即综合误差（γ）是电能表误差（γb）、互感器的合成误差（γh）以及电压互感器二次回路压降引起的误差（γd）三者的综合［3］。因此，我国电能计量部门长期以来通过对电能表、互感器、二次压降分别实施检定校准，间接控制整个高压电能计量装置的误差［4-9］。

近年来，一体化直接接入式高压电能表逐渐在我国配电网中得到应用。该高压电能表由装入同一壳体内的高压电流电压传感器、高压供电单元、电能计量单元、内置计度显示单元、通信单元等组成。文章介绍了一种高压电能计量装置整体误差测量系统，运用该系统直接测量一套高压电能计量装置的误差，并将测量结果与综合误差的结果进行计量比对，分析了综合误差法存在的不足。

1 基本误差直接测量

1.1 高压电能计量装置整体误差测量系统

高压电能计量装置整体误差测量系统的结构原理如图1所示。其中计算机控制系统、低压程控信号源、功率放大器、升压变压器、升流变压器等组成整个系统的电源部分，用户通过计算机软件设定低压程控信号源输出电压和电流的幅值、波形、频率和相位，低压信号源的输出经功率放大器、升压变压器和升流变压器后即形成高电压、大电流。为了消除升压器变压和升流变压器引起的幅值和相位偏移，将生成的高电压和大电流信号首先施加至标准互感器，互感器的二次输出信号作为反馈信号传输至控制系统，由控制系统计算、调整并最终锁定输出电压电流的幅值相位，整体闭环构成一个稳定的三相高压大电流功率源。此外，图1中的标准电压互感器、标准电流互感器和低压标准电能表组成高压电能计量标准装置，以其输出作为参考校准高压电能计量装置的误差。

图1 高压电能计量装置整体误差测量系统原理框图Fig.1 Principle block diagram of the integrated error measurement system of high voltage electric energy metering device

该系统额定电压为10 kV和35 kV，最大工作电流为1 000 A，其中三相高压大电流功率源的有功功率稳定度优于5×10－5，标准电压互感器、标准电流互感器以及低压标准电能表均为0.01级，组成高压电能计量标准装置的准确度优于0.05%，能够用于开展0.2级及以下高压电能计量装置的直接校准。

1.2 测量样品及结果

以10 kV三相两元件组合式互感器和低压三相电能表组成高压电能计量装置，其中电流互感器的一次额定电流为100 A，电压互感器、电流互感器和电能表均为0.2级。用上文所述的高压电能计量装置整体误差测量系统对其误差进行直接测量，所得结果及其不确定度如表1所示［10-13］。

表1 直接测量法校准结果Tab.1 Calibration result of direct measurement method

2 综合误差法间接测量

为了对上述高压电能计量装置整体误差测量系统的校准结果进行验证，本文对组成被校准高压电能计量装置的电压互感器、电流互感器和电能表的误差进行分别测量，然后用综合误差计算公式间接求得其整体误差。由于本文直接测量时组合互感器和低压电能表放置在一起，二次回路的距离非常小，所以二次回路压降及其引起的电能误差可以忽略不计，其综合误差通过对互感器的合成误差（γh）和电能表误差（γb）的测量和计算得到。影响电能计量装置综合误差的因素非常多，在测量过程中必须控制实验室的温度、湿度、环境电磁场、电源稳定性等条件，以确保各误差测量结果是在近似相同条件下的值，这样最终计算得到的综合误差才与整体法测得的结果有可比性。

2.1 组合互感器和低压电能表的误差测量

参照JJG 596《电子式交流电能表》检定规程，使用0.02级三相电能表检定装置对低压电能表进行校准，试验结果如表2所示。

表2 低压电能表校准结果Tab.2 Calibration result of low voltage power meter

参照JJG 313《测量用电流互感器》、JJG 314《测量用电压互感器》检定规程，使用0.01级电流互感器和0.01级电压互感器对组合互感器进行校准，试验结果如表3～表6所示。

表3 AB相间电压互感器测量数据Tab.3 Measurement data of voltage transformer in phase AB

表4 CB相间电压互感器测量数据Tab.4 Measurement data of voltage transformer in phase CB

表5 A相电流互感器测量数据Tab.5 Measurement data of current transformer in phase A

表6 C相电流互感器测量数据Tab.6 Measurement data of current transformer in phase C

2.2 综合误差计算及其不确定度评定

对于三相三线式高压电能计量装置，其综合误差计算公式为：

由于所用低压电能表电压端子的输入阻抗很大，而电流端子的输入阻抗很小，其与组合互感器连接时，近似认为组合互感器的电压单元和电流单元均运行在轻载状态，将表2中低压电能表的误差，表3～表6中互感器下限负载的误差带入式（1）进行计算，得到高压电能计量装置的综合误差如表7所示。

表7 综合误差计算结果Tab.7 Calculation results of comprehensive error

根据式（1）和式（2）所示的不确定度传播规律计算公式，可以根据低压电能表、互感器的校准不确定度，计算得到高压电能计量装置综合误差的不确定度。

3 两种方法比对和讨论

在计量比对中一般使用En值评定两种方法测量结果的一致性。

式中γ1为综合误差法计算结果；γ2为直接法测量结果；U1为综合误差法计算结果的扩展不确定度；U2为直接法法测量结果的扩展不确定。

根据表1和表7中的数据可计算得到各测量点的En值如表8所示。两种方法之间的En小于1，比对结果表明两者的一致性符合要求，由此可见采用本文所述高压电能计量装置整体误差测量系统直接测量高压电能计量装置的误差，所得结果准确可靠。

表8 E n值计算结果Tab.8 Calculation result of E n

需要说明的是，采用综合误差法计算高压电能计量装置的整体误差时，所得结果只有在实验室特定条件下才成立。实际运行中温湿度、环境电磁场、工作电流、功率因数等因素不断变化，不可能得到电能表、互感器、二次回路压降在相同条件下的误差值，因此也无法得到实际运行中电能计量装置的综合误差。按照DL／T 448《电能计量装置技术管理规程》配置高压电能计量装置时，若将互感器误差、电能表误差和二次压降均限制在±0.2%以内，根据式（1）计算可得高压电能计量装置实际运行时，由互感器误差和二次压降引起的电能计量误差限值随功率因数分布如图2所示。可见当互感器、电能表和二次压降的误差配合不当时，其综合误差极有可能超过±0.7%，在低功率因数下甚至有可能超过±2%。这是现行的电能计量装置管理办法无法解决的问题，而本文所述的直接测量法则能够明确得到高压电能计量装置的整体误差，从根源上避免了这一问题的出现。

图2 电能计量误差限值随功率因数分布Fig.2 Distribution of energy metering error limits with power factor

4 结束语

（1）介绍的高压电能整体误差测量系统能够准确测量高压电能计量装置的整体误差；

（2）在实验室特定条件下，综合误差法与直接测量法具有较好的一致性；

（3）由于电网的实际运行状态存在不确定性，采用综合误差法配置高压电能计量装置，其整体误差有可能超过期望的限值；

（4）直接测量法具有快速、准确的优点，可以明确得到高压电能计量装置的整体误差，是配网中高压电能表、电能计量柜和高压电力计量箱等高压电能计量装置量值传递方式的发展方向。