电能计量系统概况综述

李瑞

摘要：本文从原理上回顾了电能计量的系统发展历程，阐述了电磁互感器及机械式电能表，电子式互感器及电子式电能表的原理和特点，并综述了现代电能计量系统的现状和发展方向，指出现代电能计量系统的数字化、智能化、标准化和系统化特点。

关键词：电能计量、电磁互感、电子式互感、信息化

Abstract：This paper reviews the development of electric energy metering system in principle， expounds the principles and characteristics of electromagnetic transformer and mechanical watt-hour meter， electronic transformer and electronic watt-hour meter， summarizes the present situation and development direction of modern electric energy metering system， and points out the characteristics of digitalization， intelligence， standardization and systematization of modern electric energy metering system.

Key words： electric energy measurement， electromagnetic mutual inductance， electronic mutual inductance， informationization

电能计量系统的主要目的是保证电能生产者和使用者之间公开、公平和公正的电力服务，同时也方便电力供应方系统内部进行电力计算和考核，其主要工作原理是通过互感器及其二次回路联合电能表按照规定方式组合而实现的，对现有电能计量装置运行现状及问题进行分析，发现不合格的电能计量装置基本都处在二次电流回路和二次电压回路上。本文对电能计量系统的发展里程进行系统阐述，为电能计量系统的发展方向提供依据和参考。

1. 电磁互感器及机械式电能表

1890年，富拉里发明感应式电度表并被广泛使用，电磁互感器是给予电磁感应原理，在电流测量中一直占据主要位置，感应式电能表基本上采用电气机械结构，利用电磁感应原理制成。与之对应的是机械式电能表，机械式电能表包括固定的铁芯线圈和活动转子，当线圈通过交变电流时，交变磁场相互作用产生磁力，引起活动部分转动，产生扭矩。直到本世纪六十年代，互感式电能表使用百余年。但电磁互感器的工作原理决定了电能表其结构存在机械磨损，机械阻力，磁场影响等其精度的因素。而随着超高压电力输送网络的发展和电容量的更新，因为其绝缘难度大，防爆困难，体积大，互感器输出信号不能直接对接微机的计量接口等原因，传统电磁互感器的工作方式也越来越难以满足需求。

2. 电子式互感器及电子式电能表

1976年，日本研制出了电子式电表，此后，电子式电表从电压、电流及功率等方向进一步发展。电子式互感器是一种输出范围宽的无铁芯式新型互感器，其输出可以数字化。光电式电压互感器基于pochels光电效应，由传感头与电子测量电路组合构成，光电式电流互感器以法拉第光效应或者洛科夫斯基空心线圈为理论基础。上世纪九十年代，数字采用技术已经逐渐应用于电功率的测量，电子式电能表是以处理器为核心，对被测量的各种数字化参数进行判断、处理和运算。电子式电能表的核心计量芯片，一种为采用dsp技术、运用高精度快速进行A/D转换，并将控制电路、转换器和基准电路等集成到一片芯片上的电子电能表，另一种是采用模拟算法进行信号转换计算电能的电子电能表。电子式电能互感器具有精度高，工作稳定，对工作环境适应性强等特点。电子式电能表将负责的二次回路合并到一个数字单元上，体现了数字信号的优越性，取代了大量的二次电缆线，彻底解决了二次接线复杂的问题。

3. 现代电能计量系统

现代电能计量系统以数字化和网络化为发展基调，电压、电流测量输逐渐实现信息数字化和信息传网络化，实现过程一种是对传动的电网系统进行数字化改造，另一种是直接新建数字化电网系统。现代电能计量系统主要有两种结构。

3.1电子式互感器电能计量系统

数字化电站结构由过程层、间隔层、站控层三层结构构成，而位于间隔层的数字化电能表从位于过程层的合并单元或数字化变电站外置互感器接 收采样数据来完成计量工作。其中电子式互感器采 集一次侧三相电压信号、三相电流信号，合并单元输出 IEC 61850 协议报文中包含三相电压波形数据、三相电流波形数据。数字化电能表为全数字处理系 统，接收对应合并单元输出的 SMV 报文，解析出电 压、电流波形的瞬时值，进行功率和电能计算。数字化電能表 / 电子式互感器构成的测量系统中，数字化电能表获取已经数字化的电压、电流瞬 时值后，计算得到所需电量值。由于数字计算过程理论上不会产生任何误差，所以数字化电能表不规定精度等级。

3.2传统互感器改造数字化电能计量系统

目前电子式互感器产品不是很成熟，相关的检测也未能很好的考虑现场的使用环境，因此事故率比传统互感器高。运用电网系统电流互感器和电压互感器运行可靠，故障率低的特点，模拟输入合并单元采集传动电磁电流互感器的信号，转换成电流数字信号和电压数字信号进行处理，并提供后续数字电能表设备的信号参数，数字电能表对信号参数进行处理计算。

3.3现代电能计量系统的检定

现代电能计量系统的检定包括合并单元的检定和数字化定能表的检定，合并单元的检定所用设备结构上应该包括三相模拟功率源和单元校验仪，三相模拟功率源的电压和电流、频率相位独立连续可调。合并单元的检验应同时完成模拟量输入合并单元误差校验和自动检验流程。数字式电能表的测定采用传统方式不能完成，常用方式为采用标注数字功率源法进行测定活采用模拟标准源及模拟标准表法进行测定，前一种比较理论电能值和备件电能表的累积电能值，计算出被检数字电能误差，后一种采用A/D转换对模拟信号采样，对比模拟标准表，从而进行电能表检定。

4.结语

本文从原理上回顾了电能计量的系统发展历程，随着电能市场经济的发展，电能计量的科学性和准确性收到社会各方面的关注，21世纪是信息网络化、高新科技被广泛应用的时代，电能计量逐渐实现数字化、智能化、标准化和系统化也是现代电能表的发展趋势。电能计量技术在新时期的应用也会随着科技的发展产生化学连锁反应，如电能计量自动抄表技术等的发展，新的发展方向和势头也要求电能计量技术往更科学、合理和可靠的方向进步，现代电能计量技术还有许多待改进的地方，随着科学技术的发展，现代电能计量技术也必将日益成熟，对现代电能计量技术的更新，不仅是对电能计量最高技术的突破，也符合新时期科技智能发展的方向。

参考文献：

[1]狐晓宇.光电互感器与电磁互感器的比较[J].电力学报，2005，（3）：295-296. HU Xiao-yu .The Comparison of Photovoltaic Transformer and Electromagnetic Transformer[J]. Journal of Electric Power，2005，（3）：295-296.

[2] 周尚礼，伍少成等电能计量管理系统开发与应用[J]，点测与仪表Electrical Measurement & Instrumentation） ，2009，01：26-29.

[3] 程瑛颖，杨华潇等，电能计量装置运行误差分析及状态评价方法研究，电工电能新技术（Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy），2014，05：76-79.

[4] 陈霞君，刘少凡等，现代电能计量系统综述[J]，电工电气，2015，02：1-4.

[5]李振兴. 电子式互感器校验系统的研究[D]. 武汉： 华中科技大学硕士论文， 2010.

[6] 李九虎，郑玉平，古世东，等 . 电子式互感器在数 字化变电站的应用[J]. 电力系统自动化，2007， 31（7） ：94-98.

[7] 汪心妍 . 电能表检定装置现场自动检校系统的研究 与实现[D]. 济南 ：山东大学，2011.