电能量计量管理系统缺失电量计算方法研究

李俊臣, 颉子光, 雷鸣

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院, 西安 710000; 2.国网陕西省电力公司电力调度控制中心, 西安 710100; 3.国网陕西省电力公司商洛供电公司, 陕西 商洛 726000)

0 引 言

电能计量装置作为衡量发电计算用户电能消耗量的重要装置，其技术水平及准确性要求随着大电网的发展在逐步地提升[1-3]。由于大功率设备在运行过程中所产生的冲击负荷以及计量装置自身故障种种原因会对智能电能表电能计量的准确性造成影响，而智能电能表作为电能计量系统的重要单元，电能计量的准确度直接影响了电力部门的收益, 关系到整个电网运行的经济利益[4-6]。

国内外研究学者针对电能计量管理的相关问题展开了大量研究工作。文献[7]通过分析传统电能计量功率理论及其算法不足，结合数字信号处理技术，提出了一种适用于冲击负荷电能计量的实用化算法；文献[8-9]对冲击负荷对电能计量的影响进行定量分析，以电能表的响应速度作为衡量电能表质量的重要指标，设计了一套实验方案以解决电能计量纠纷问题。文献[10]以医院CT机冲击负荷对智能电能表计量的动态误差影响为例，对冲击负荷对电网运行状态的影响特性进行分析，建立了智能电能表的全系统模型以及电能测量仿真算法；文献[11]基于现场调试的常见故障，分析了电量表计配置、通信断线、电能表RS-485串口等造成电量采集装置在安装调试中出现大量通信故障的主要故障原因进行分析，提出了相应的改进调试方法；文献[12]从电网运行工况的角度对电能计量装置运行误差的影响进行了分析和说明，提出了新型运行状态评价方法，结合电能计量装置的运行状态以及各电气参量的监测数据，对电能计量装置运行状态的准确性、可靠性进行综合评价；文献[13]通过电流互感器、电压互感器等电力系统的二次设备实时采集设备的电流、电压值，实时计算得到线路、变压器的有功功率，再通过对有功功率的积分，就可以得到对应积分时段的电量，实时反应电网情况。

以上参考文献对电能计量装置的误差和改进方法进行了大量研究工作，但鲜有文献从根本上分析误差来源以解决计量缺失问题。为此，文章基于电路理论，对不同类型电量计量装置的工作原理及计算方法进行分析，从根本上找出造成电量计量缺失的原因，并给出相应的解决方法。

1 电能量计量管理系统

图1为电能量计量管理系统的总体结构图，其主要应用计量自动化技术以实现用电现场的电能表和远程计算机主站系统之间的数据通信，是一种用电需求侧综合性的技术，集成了计算机软硬件技术、现代数字通信技术、电力营销技术和电能计量技术等技术，能实现实时信息采集与分析处理的功能。电能量计量管理系统的主要功能包括：数据采集与处理、电量数据的统计与计算、报表管理与信息发布以及系统接口。

(1)数据采集与处理。

由于变电站计量点数量较多，各计量点所采集的电能量信息量庞大、耗时长，人力成本较大且准确性和及时性较低，因此，应用计量自动化技术实现电能量信息的自动采集，以提升电能量数据抄读的准确性、及时性及统一性，达到规范用电管理和减员增效的目标。

图1 电能量计量管理系统的总体结构

(2)电量数据的统计与计算。

电量统计与计算是用电管理的是一项核心工作，所涉及的结算、统计的电量数据庞大而繁杂。应用计量自动化技术实现各类电量数据的统计，可采用时间段进行分类统计，使得电量信息的分析工作变得清晰明了；另外，应用计量自动化技术也便于电能损耗量的计算，电能损耗计算是用电管理的一项重要工作，通过电能损耗计算查找损耗原因，制定出降损的措施能够大大降低供电企业的运营成本，提高效益，也可通过异常线损信息及时发现电网运行设备的异常情况，为电网稳定运行提供数据依据。

(3)报表管理与信息发布。

实现电能量数据报表的自动生成和发布，为电网稳定安全运行状态和电网建设或改造提供数据依据。在系统提供详实数据的基础上，通过应用专用和通用的电子制表功能，按照应用的需要，将采集到的数据进行分类统，并计生成相应的报表，如：原始数据报表、电量分析比对报表、线损平衡报表、母线平衡报表、变损分析报表、电压合格率报表、失压记录报表、报警信息报表等。

(4)系统接口。

实现系统接口与MIS系统连接，使得变电站关口表电量数据、负荷数据、线损报表、倍率参数等相关计量数据可通过WEB发布在MIS系统查阅浏览。

2 电能量计算的基本原理

通过将一次线路、互感器、二次电路以及电能表按照电路理论进行逻辑接线，实现对用电线路的电能计量。由于用电客户电路种类的不同，其相应的电能计量装置的接线方式各异，按照不同的接线方式将电能计量装置分为单相式、三相三线式以及三相四线式三类[14]。

(1)单相式。

对于220 V的单相低压用电用户，主要采用单相有功电能表。若用电用户的负荷较大，超过电能表量程时，则需经过电流互感器，再使用单相电能表对用户的用电量进行测算。图2为单相式有功电能表的接线示意图。

图2 单相式电能表接线图

单相有功电能表计算有功功率的方程式为：

P=U相I相cosφ

(1)

式中U相为单相电路的相电压；I相为单相电路的相电流；φ为相电压和相电流之间的夹角。

(2)三相三线式。

对于中性点绝缘系统，主要采用三相三线式有功电能表。如图3所示，为三相三线式有功电能表的接线示意图。图3中，两个电压互感器采用Yy接线方式，一次侧分别接A相、B相和B相、C相，二次侧接线的b相需接地，保证接入电能表的两个电压对称，测量得到二次侧的线电压Uab和Ucb；电流互感器为分相四线式接法，高压侧接在A相和C相上，低压侧接线均需一点接地，测量得到二次侧负荷相电流Ia和Ic。

图3 三相三线式电能表接线图

三相三线式有功电能表计算有功功率的方程式为：

P=UabIacos(φa+30°)+UcbIccos(30°-φc)

(2)

当三相电路平衡对称时，则有：

(3)

式中U线为三相电路的线电压；I线为三相电路的线电流；φ为相电压和相电流之间的夹角。

(3)三相四线式。

对于中性点有效接地的系统，主要采用三相四线式有功电能表。如图4所示，为三相四线式有功电能表的接线示意图。图4中，三个电压互感器采用Yy接线方式，一次侧分别接A-N相、B-N相和C-N相，二次侧接线的中性点需接地，测量得到二次侧的相电压Ua、Ub和Uc；两个电流互感器为分相六线接法，高压侧分别接在A相、B相和C相上，低压侧接线均需一点接地，测量得到二次侧负荷相电流Ia、Ib和Ic。

图4 三相四线电能表接线图

三相四线式有功电能表计算有功功率的方程式为：

P=UaIacosφa+UbIbcosφb+UcIccosφc

(4)

假定三相电路对称平衡，则三相四线有功电能表计算有功功率的方程式为：

P=3U相I相cosφ

(5)

式中U相为三相电路的相电压；I相为三相电路的相电流；φ为相电压和相电流之间的夹角。

3 电能量计量缺失

3.1 电量缺失的主要原因分析

造成用电量缺失的原因大体可分为三种，即：计量装置故障、计量回路故障以及窃电。其中，窃电是人为因素所造成的，因此，文章仅对计量装置故障和计量回路故障造成的用电量缺失情况进行分析。

3.1.1 计量装置故障

基于计量装置的内部电路图能够看出，引起计量装置故障的原因主要来源于电压、电流互感器以及电能表故障等[15]。

(1)电压互感器故障。如雷击造成的过电压，使得电压互感器烧毁故障而未烧断其一次熔管，进而造成电能计量装置缺相，无法正常计量电量[16]；

(2)电流互感器故障。当电流互感器的变比选择不恰当时，会造成在长期高负荷运行状态下的电流过大，烧毁电流互感器内部构件，使得电能表缺相，进而造成电能计量量的缺失；

(3)电能表故障。电能表长期处于风吹日晒的露天工作环境下，电能表的内部部件容易发生损坏，导致其无法正常工作。

3.1.2 计量回路故障

计量回路故障通常是因为计量装置的内部接线错误而导致的。目前所广泛使用的三相三线式和三相四线式电能计量装置，需要经过相应的电压/电流互感器后再与电能表连接，其内部接线较多，容易出现接线错误的情况，常见的计量回路故障主要包括：低压侧接线点处松动、接线点处断开造成断路、互感器极性接反、低压侧与高压侧相序不一致等[17]。

如图5所示，为电压互感器一次侧A相熔管熔断导致断线故障。

图5 A相熔管熔断的断线故障

由式(2)可知此时三相三线有功电能表所计有功功率为：

P=UcbIccos(30°-φc)

(6)

假设三相电路平衡对称，则有：

(7)

与式(3)进行对比可知，对于电压互感器高压侧的断线故障，若负荷呈现为感性，则有功电能表的实测结果会超过用电量实际值的1/2；若负荷呈现为容性，则有功电能表的测算结果要小于用电量实际值的1/2。

3.2 缺失电量的常见计算方法

3.2.1 公式法计算

将缺失电量定义为[18]：用电用户用电量的实际值W理论与故障工况下用电量的测量值W实际之差，即：ΔW=W理论-W实际。

当计量装置故障时，将电能计量装置正常运行时测量得到的有功功率记做P理论，将电能计量装置故障时测量得到的有功功率记做P实际。

对于三相三线制系统，电量计量装置测量得到二次侧的线电压Uab和Ucb、负荷相电流Ia和Ic以及A相和C相电压与相电流间的相位差，基于式(2)计算得到相应的电能。假设当B相出现故障时，传统公式法不考虑B相电压在故障持续期间残压对电量计量的影响，此时：

P实际=UaIacos(φa+30°)+UcIccos(30°-φc)

(8)

对于三相四线制系统，电量计量装置测量得到二次侧的相电压Ua、Ub和Uc、负荷相电流Ia、Ib和Ic以及A、B、C三相相电压与相电流间的相位差，基于公式(4)计算得到相应的电能。假设当B相出现故障时，传统公式法不考虑B相电压在故障持续期间残压对电量计量的影响，此时：

P实际=UaIacosφa+UcIccosφc

(9)

将二者的比值记做修正系数k，即：k=P理论/P实际。由此，得到缺失用电电量的计算式为：

ΔW=kW实际-W实际

(10)

基于式(10)，分析用电用户实际用电量与计量装置故障下用电量测量值之间的关系[19]，得到k在不同取值下的电量计量特性如下：

(1)当k>1时，说明电能计量装置测量得到的用电量测量值要小于用户的实际用电量；

(2)当k=1时，说明电能计量装置测量得到的用电量测量值等于用户的实际用电量；

(3)当0

(4)当k<0时，说明电能计量装置测量到的用电量测量值为负值，电能计量装置反转；

(5)当k=∞时，说明电能计量装置完全失灵，无法获取用电量测量值，此时应采取估算法对电能缺失量进行估计。

3.2.2 基于计量自动化技术的缺失电量计算

基于公式法计算由互感器或是二次回路故障引起电量缺失的前提是假定负荷是三相对称的，但在实际情况下，用户三相负荷不一定是三相对称平衡的，此时，采用式(10)进行缺失量的计算会出现一定的误差[20]。此外，当电压互感器及低压侧发生故障时，公式法未能考虑到电压互感器熔管熔断期间残压影响，仅将故障相电压记作0进行处理，如式(8)和式(9)所示，也会对结果的准确性造成影响。因此，需要在获取大量准确的电能量数据的基础上，对传统的公式法进行修正，取各相电压、相电流、线电压在整个故障持续期间的平均值来对电量进行计算，即采用基于计量自动化技术的公式法计算缺失电量。

对于三相三线制系统，有：

(11)

对于三相四线制系统，则有：

式(11)、式(12)中的各电气参量均取值为在整个故障持续期间的平均值。

4 案例分析

以某供电局某一客户某日发生的三相四线制高压计量装置电能缺失量案例为例，采用基于计量自动化技术的公式计算法进行计算，再与传统公式法进行对比。已知故障持续期间电压失压时的相关数据如图6及表1所示。表1中，T1为电量计量装置故障起始时刻，Tn为电量计量装置故障恢复时刻，T1-Tn=8.28天。

图6 故障期间电气参量的变化特性

表1 故障期间的电能量数据

基于表1和图6来看，对于三相电压中的B相，其电压测量值由正常工况时的61 V逐步降低为0 V。而B相的有功功率也从正常工况时0.013 2 kW逐步降低为0 kW，这是典型的B相熔管熔断造成的断线故障，会引起用户用电量计量的缺失。

采用传统公式法计算用电缺失量，传统公式法假定三相负荷对称平衡，计算修正系数k：

(13)

求解得到修正系数k为1.5。已知用户计量装置的倍率为48 000，则可求得用户的实际用电量为344 640 kW·h。基于式(10)，求解得到缺失电量为172 320 kW·h，则用户的实际用电量516 960 kW·h。进一步地得到故障期间的平均日电量为: 62 435kW·h/天。

选取该用户在故障发生前至故障恢复这段时期的日用电量数据，检验缺失电量计算的正确性，如图7所示，计算得到该用户在当月故障发生前的正常平均日用电量为52 047 kW·h/天。

图7 日用电量数据

可见，传统公式法计算结果与实际用电量差别较大。基于计量自动化技术对用户的用电缺失电量进行计算。从表1的功率因数和三相电流值来看，该用户的功率因数基本稳定为0.98，电流值存在细微差异，说明三相负荷处于不平衡工况。综合考虑残压的影响，计算得到故障期间A、B、C三相电压的平均值为： 60 V、 35.17 V、 60 V，A、B、C三相电流的平均值为0.217 A、0.216 A、0.217 A，功率因素的平均值为0.98，计算修正系数k为：

(14)

可得k=1.25，计算出故障期间用户的实际用电量为：(1489.89-1482.71)×48000=344 640 kW·h。 基于式(10)，计算出缺失电量为：1.25×344640-344640=86160 kW·h，则用户的实际用电量为430 800 kW·h。进一步地，得到故障期间的平均日电量为：430800÷8.28=52 029 kW·h/天，与图7的计算数据十分接近。

对比传统公式法的计算结果和基于计量自动化技术的公式法计算结果可知，由于传统公式法缺乏考虑残压对计算的影响，并且假定故障期间三相负荷对称的条件无法正确还原用户的实际用电情况，因而存在较大的误差，不能正确计算出用电缺失量。

5 结束语

文章基于电路理论对不同类型电能计量装置的计量原理进行分析，深入探究了造成电能量计量缺失的原因以及缺失量的计算方法。通过将传统缺失电量计算方法和计量自动化技术相结合，提出了基于计量自动化技术的缺失电量公式计算法，实现了对电能缺失量的准确计量，该方法对减少企业经济损失，提升电力营销服务水平具有重要的指导意义。