对有关电能计量若干问题的思考

赵伟,赵成,李世松,仝霞,刘坚,李雪城

(1.清华大学 电机工程与应用电子技术系,北京 100084; 2.国网北京市电力公司,北京 100161)

0 引 言

我国计量居民用电的单相电能表,以及计量一般工商业用电户耗电量的单相和三相电能表,其准确度等级,从解放以来到现在,一直都被规定的是1.0级和2.0级,即其计量电能的允许误差,始终被确定为不超过±2%即可,不管是过去很多年一直使用的感应式电能表,还是后来更新的电子式(静止式、固态)电能表和数字化电能表,以及2009年发展智能电网以来,又经过多次更新换代,稳定性和准确性都明显优于过去的智能电能表。当然,在很多负荷汇总集中供电端口处装设的电能表(俗称“关口表”)的准确度则要高一些,通常要求达到0.5级。

而对电力机车、轧钢、矿山提升机、电解铝、金属锻造等大型工业负荷,以及对供电电能质量要求较高的数据中心、数算中心、计算机房、控制指挥中心等,如何计量其耗用的电能,对它们的意义就十分重大,因为不同的电能计量原理和计量方法,不仅事关能否科学合理地计量电能,是否能确保供电的安全可靠,是否有助于预防和规避大型、贵重、关键用电设备的加速老化,而且意味着经济上的巨大开销或很大节支。

使用感应式电能表计量电能的早年,受限于当时各种用电负荷的用电特性均相对简单,非线性较弱,基本呈纯阻性或接近纯阻带弱感性的特征,以按照电压、电流均为正弦波的原理制造的感应式电能表等电能计量装置计量用电户的耗电量,基本不存在原理性偏差。当然,以硬件实现电能计量原理的感应式电能表,在构成上有机械轴承、铝制圆转盘及金属指针等,因存在机械摩损,长期运行后,其计量准确性会略有变化。

二十世纪六十年代至八十年代,模拟电子技术、数字电子技术相继出现、快速发展并推广应用,不仅带动了几乎所有电器设备、装置及测量仪器仪表制造技术的进步和更新换代,包括能耗降低、准确度提升、小型化、操作方便,还极大地推动了工业生产制造、工序执行、过程控制的自动化及效率提高,并对供电电源提出了交流变直流、交流频率和输出幅值及相位可调等多样化需求。在这一进程中,电能表也完成了由感应式向电子式、数字化的转变。但与此同时,电能表又必须面对电力负荷侧出现的整流逆变、电子开关、稳压限幅、调频移相、无功补偿、电容投切等会致使电网电压、电流,尤其是电流出现偏离理想正弦波的问题,即也称用电负荷呈现出复杂多变的非线性特征,表现为会引发电网电压、电流出现动态变化即过渡过程,以及过渡过程消失之后趋于稳定的周期非正弦状态。

针对上述变化,鉴于电能计量是按时间累计电能量的过程,在可认为过渡过程在计量电能量总时长中占比很小的前提下,从简单入手,人们常假定供电系统的运行基本都处于稳态,于是,通常仅针对供电系统达到稳态的情况来考虑如何计量电能。如此,非线性负荷条件下,对电网中任意支路、单元、器件上电压、电流构建的数学模型,便均具有周期非正弦的特征,其相互间的区别,就在于表示成多个不同频率正弦量组合形式后,各频率成分的幅值、初相角,以及含有哪些频率成分不同罢了。含有非线性负荷条件下,典型的电网电压、电流中,工频成分占比很大;而其他频率成分中,主要是频率为工频频率奇数倍的成分,且幅值一般是三次谐波成分的最大,呈谐波次数越高、相应频率成分的幅值越小;而工频频率偶数倍的谐波成分通常极小,往往被忽略不计。与之相应地,就出现了不仅计量基波电能,同时还可以计量更高频率成分即谐波电能的电能表。

最初,非线性负荷的特征相对简单时,谐波电能在总电能中的占比较小。因此,便有人提出仅计量基波电能的实施方案。于是就出现了在计量电能之前,先对形成电能的电压、电流进行低通滤波处理,即先滤除掉基波以外的其他频率成分后,再进行电能计量。早期的数字化电能表,尤其是计量居民用电或一般工商业用电户耗用电能量的数字化电能表,大多就是采用这种原理制成的。

另一方面,最初采用的既计量基波电能也计量高次谐波电能的算法,是基于快速傅里叶变换的电能计量算法,因为对周期非正弦电网电压、电流信号进行傅里叶变换后,就可很方便地实现对基波电能和各高次谐波电能的分别计量,或称测算。

现阶段,我国普遍实行的电能计量方法可分为全(波)电能计量和频域电能计量(包括基波电能计量和谐波电能计量)方法。早期的电子式电能表采用最简单的时域点积和电能计量算法,实现的是对全电能的计量。而随着非线性负荷的不断增多,造成电网电压、电流中出现大量高次谐波成分。根据对电网电压、电流相位关系的分析,谐波源即有些非线性荷,会向电网注入谐波电流,其方向与基波电流方向相反,所产生的谐波有功功率会抵消部分基波有功功率;而不产生谐波的线性负荷用电户,会受到谐波的危害,在其上,谐波电流的方向会与基波电流的方向相同,故按全电能计量算法得到的有功功率会多于基波有功功率[1]。如此,全电能计量方式下,谐波源即非线性负荷产生谐波、污染电网的同时,它所计量到的有功电能反而要比它实际消耗的电能少,即会少计电费;而线性负荷用电户不仅受到谐波的污染,却还要多交电费。

为规避全电能计量方法存在的不合理性,又发展出了频域电能计量方法,即,先设法将电网电压、电流的基波和谐波参数测量准确,之后,再依据IEEE 1459标准中的相关定义去测算基波和各整数次谐波的电能[2]。目前,先进的智能电能表和电能计量中心主站,均已能分开实施基波电能和谐波电能的计量,进而分别进行计费。

近几年,我国新能源发电发展迅猛,风力和光伏发电量快速增长,且预计到2050年,我国风力和光伏发电将占到总发电量的约64%[3]。但风力和光伏发电有别于燃煤、水力及核能等发电,具有明显的随机性、波动性和间歇性特征。伴随着越来越大规模风力和光伏发电并网,以及越来越多电力电子化电器设备的使用,电网电压、电流中除出现大量高次谐波外,还产生有越来越多的间谐波成分[1-3],即频率与基波频率之比不是整数的谐波成分。除与谐波一样会导致电器设备或仪器过热、使用寿命缩短等典型问题外,间谐波还会在电网中引发次同步振荡或间歇性次同步振荡、电压波动和光闪烁,等等,造成电压、电流失真严重,使电压、电流测量和电能计量的准确性下降,进而降低控制和保护的性能。而这对于大型工业负荷以及对供电电能质量要求较高的数据中心、控制指挥中心等负荷耗用电能量的计量而言,就是需要给予高度关注并设法足够准确计及的[2]。

间谐波的出现,对现有的功率理论提出挑战。目前受到较广泛认可的功率理论是IEEE工作组2010年颁布的IEEE 1459标准。该标准确立的是定义在频域上的功率理论,所基于的前提假设,是在测量区间内,电网电压、电流信号可被认为是稳态的周期信号;且规定采样时间长度是被测电网电压、电流信号的整数倍周期。依据IEEE 1459标准发展出的许多具体谐波功率及电能测算方法,均是先设法将电网电压、电流信号的基波和谐波参数测准,再利用相关定义去测算各功率(电能)量值。然而,实际电网电压、电流中存在的间谐波成分的频率或周期是无法预先知道的[2-3]。而商品化的数字功率计和数字化电能表在设计上,一般都采取固定的采样频率和采样点数对被测电压、电流进行采样,如此,就难以确保对电网电压、电流信号中的间谐波成分做到整周期采样。结果,按照IEEE 1459标准中确定的功率分解定义实施测算,就可能出现偏差,其与通用的有功电能、有功功率和有效值的定义均无法完全对应。即,利用现有功率理论的定义和数学模型,在对电压、电流中含有间谐波的电网的电能传输和计量特性进行阐述时,已无法给出严谨、合理的解释。

再有,人们对间谐波问题的关注,也随着认识的逐渐深入而不断进步。最初,人们将总电能看成是由基波电能和整数次谐波电能所构成,后来增加计及间谐波电能,即认为总电能是由基波电压与基波电流构成的基波电能、同频率的整数次谐波电压与整数次谐波电流形成的谐波电能,以及同频率的间谐波电压与间谐波电流形成的间谐波电能所组成,简称包含基波+谐波+间谐波电能等共三类电能。但实际中,在电能计量和测算方法实现上,从采样环节就暴露出问题,因为供电系统工频电压的实际频率,因受到负荷随机变化等多方面因素影响存在波动,有些情况下该波动很小,但在有些场合条件下还不太小,于是,按理想工频50 Hz设计的对电网电压、电流信号进行整周期采样并实现电能计量的软件算法,在实际实现中存在测算偏差[4-5];且对间谐波电压、电流成分的数字化提取,原本就做不到整周期采样[2-3]。因此实际情况是,除上述三类电能外,至少还存在如下4种电能成分,即：1)由基波电压或电流与整数次谐波电流或电压形成的电能;2)由基波电压或电流与间谐波电流或电压形成的电能;3)由谐波电压或电流与间谐波电流或电压形成的电能;4)由不同频率的间谐波电压与间谐波电流形成的电能。有学者根据更深入的理论研究和分析,把由不同频率的间谐波电压与间谐波电流形成的电能成分划归到前述的间谐波分电能中,并将另外3种电能成分,即基波与整数次谐波、基波与间谐波、谐波与间谐波等形成的电能成分归入另一类,称其为“其他电能”。于是,总电能就细化为由基波电能+谐波电能+间谐波电能+其他电能等四类分电能所组成。

而对单、三相标准电能表或单、三相智能电能表检定装置而言,对它们的需求与对一般民用电能表或计量一般工商业用电户耗电量的单、三相电能表就很不一样,不仅是其测量准确度至少要高出两个等级,而且对其具体性能的要求,也一直随着应用需求和技术进步的变化在不断提高。例如,之前的标准电能表和电能表检定装置(包括标准功率信号源)具有检定基波-21次谐波的能力,而最新版的国家标准规定,标准电能表和电能表检定装置就应具有检定基波-41次谐波成分的能力;可准确检定构成电能的最小电流量程要下探到0.3 mA;应兼容支持全电能计量和谐波电能计量方式;除基本功能的试验测试外,要增加谐波影响量的测试,以及方波、尖顶波、脉冲群触发波、高次谐波扫频、谐波电能计量、动态负荷电流快速改变等检定及试验测试;且计量准确度要达到0.05级甚至0.02级。

综上可见,如果从理论研究、数学建模、更精准计量电能角度出发,旨在将总电能到底是由哪些具体分电能组成的,它们各自在总电能中占比具体有多大,各自对电能计量、供电电能质量的影响程度到底如何等进行周密分辨和测算的话,所构建的电能计量测算模型相对于仅测算基波电能而言,无疑就要复杂很多[4-5]。不同的用电负荷,对供电电能质量的要求有所差异。而按用电户对供电电能质量的需求(低功率因数下,或平均功率或瞬态功率因数下计量电能;普遍增加单独计量谐波电能功能;应单独计及间谐波电能;要响应动态变化,等等)去研发相应的电能表,只要管理跟进、愿做出变化,这是完全可以做到的。而用于计量居民或一般工商业用户耗用电能的电能表,若仍维持其准确度为1级或2级不变的话,那就仍可采用比较简化的电能测算模型[4,6-7]。结论很明确,也就是本节的命题,即一般性、特殊场景以及标准性电能计量所关注的问题存在明显差异,甚至是截然不同的;而对电能表的研发和生产,在电能计量理论和方法研究丰富成果的支撑下[6-7],完全可以为更好地满足不同应用需求而更新和变化。

1 新需求呼唤基于大数据构建电能表检验新方法

电能表是国家实施强制管理的计量器具。按已有法规,各电压等级电网装设的电能计量装置(包括电能表),都要按规定的检定周期对其进行校验,例如对10 kV电压等级的高压电能计量装置,每两年要到现场校验一次;而民用2.0级单相电能表的检定周期一般不超过8年。对使用量巨大的民用电能表,由于从运行现场拆回、实验室检定、配送、再赴现场安装等的工作量非常大,故实际中实行的是“强制检定、限期使用、到期轮换”,即到期后,旧表就直接拆下报废而更换新表。但该做法存在明显缺陷,一方面,对检定周期当中计量性能变差或出现故障的电能表缺乏有效监管;另一方面,随着电能表生产制造水平不断提升,很高比例的智能电能表在线运行虽已到限期,但仍计量准确、运行正常,若实行上述做法将它们统统淘汰,不仅造成资源浪费,还会产生大量电子垃圾[8]。

针对于此,2014年起,由浙江省电力公司牵头,在多个省级电网公司启动了智能电能表状态检验试点工作,即通过对计量生产调度平台积累的智能电能表质量数据信息以及用电信息采集系统在线获取的电能表运行大数据进行仔细甄别、特征提取和多属性深度挖掘[8-9],并结合电能计量相对误差加权平均优化、有效消除随机误差影响,以及借助智能电能表故障检测装置、移动故障诊断工具等,构建了智能电能表计量性能异常远程诊断模型,建设了智能电能表运行误差监测平台[10],实现了智能电能表计量性能、超差、超量程、时钟错、综合倍率错、接线错、疑似窃电等异常的远程在线监测和诊断,建立了智能电能表故障数据库,形成了整表、分故障模式、多应力影响等若干种在运智能电能表剩余寿命预判模型及算法,完成了对智能电能表计量性能和运行状态的远程测算和评估,弥补和完善了在运智能电能表计量准确性和使用寿命监管能力,实现了故障统计分析、预警和对成批次在运电能表剩余寿命的科学合理预测。经权威计量机构试验验证,上述智能电能表状态检验研究成果的远程校准误差与实际误差的不确定度小于2%,满足工程应用需求,在超差阈值3%条件下能做到无漏检,有效降低了在运智能电能表故障风险和运维成本,为确定批次智能电能表延期更换形成了新型检验方法。而且,通过在线精准定位计量失准的智能电能表,能及时发现其计量异常,配合以及时处置更换,不仅可降低异常智能电能表所在台区线损,还可结合现场核查去精准遏制违法窃电行为,切实提升台区能耗精细化管理水平。

目前在浙江省,智能电能表状态评价工作已常态化开展,已经对全省近2 900万只单相、三相在运智能电能表实施了有效监测。他们的大量试验研究结果证明了,有相当高比例的到期限智能电能表的计量和运行性能仍很正常,完全可以延期使用。在四川省,也已采用大数据分析与传统校验方法相结合方式,实现对智能电能表的在线监测与失准更换,近两年已延期使用智能电能表133.67万只。而若延期2年后,其中较高比例的智能电能表仍计量准确、运行状态良好,即还可继续使用的话,那将产生十分可观的经济和社会效益。

依据浙江以及其他多个省市基于远程在线监测与大数据分析开展智能电能表状态评价与更换研究工作取得的成功经验,国家市场监管总局2020年第42号公告明确提出,对民用智能电能表,可在安装前首次强制检定、到期轮换基础上,通过采用“互联网+数据监测”与监督抽检相结合方式,并配之以完善的监管机制和制度,积极稳妥地推进依据状态更换或延期使用。以国家市场监管总局上述公告为指导原则,目前全国已有27个省级电力公司开展电能表状态评价与更换试点工作。

运用在线监测、大数据分析等方法对智能电能表的计量性能和运行状态进行评价,实现对智能电能表由定期现场检验向远程在线实时监测及诊断转变,从而科学合理地确定在运智能电能表的计量性能和使用寿命,实行按状态更换或延期使用,在确保电能计量准确合理基础上,切实减少资源浪费[10]。不难预测,基于远程在线监测与大数据分析的智能电能表状态评价与更换工作的全面实施,不仅是电能表现场校验方法的革新,还会产生巨大的经济效益和社会效益。

实际上,智能电能表的设计、制造技术已十分成熟[7],在运智能电能表的运行稳定性和准确性都是不错的,如此,规模、数量庞大的在运智能电能表计量准确度的平均值,也应该具有十分稳定的特征,即它与实物标准电能表的准确度指标之间,可能存在偏差,而该偏差既可能很小,也可已经测量、比较得到,相当于一个系统误差,且还足够稳定。鉴于此,在基于大数据对在运电能表的计量性能实施现场校验方面,就可以将规模、数量庞大的在运智能电能表计量准确度的平均值,当作一个虚拟的电能计量标准来使用。而且,如此的概念和构想,也可推广拓展到对其他电能计量设备,如电压互感器(PT、CVT)、电流互感器,以及充电桩电能计量功能单元等的现场校验当中去。

2 动态电能计量不是新问题但面临新挑战

近两年,有些电网企业和所属科研单位,启动了不少有关动态电能计量关键技术研究或设备研发的课题,开展了相关研究。而翻阅他们撰写的中期报告或结题报告等注意到,所提出的用于计量动态电能的电压、电流数学模型,竟仅仅是周期非正弦的表达式,即其中所有不同频率成分的频率、幅值及初相角等都不是随时间变化的;所研发出的服务于动态电能计量的标准功率源,也仅仅是带功率输出并只能提供若干种典型周期非正弦波形的信号源;而为验证所开发的动态电能计量用现场录波仪器性能而安排的谐波试验项目,仍都是依据稳态试验项目内容及其参数指标、档位等设立的,即竟然是要在施加含有高次谐波的稳态电压、电流条件下,去进行对测量仪器或装置动态性能的测试。很显然,按照如此思路完成的课题成果中所形成或利用的电能计量算法,只可能是稳态电能计量算法。产生这些问题的原因,可能是截至目前还没有动态电能计量特性测试的标准和规范;再者,仍有人将正弦稳态变化、周期非正弦稳态变化误认为就是动态变化,并且缺乏对动态负荷特性、动态电能计量方法、动态特性测试方法及其研究进展的了解和认识。

其实,电网中电压、电流及功率的动态变化,即电网从一个稳定状态变化到另一个稳定状态之间的过渡过程,自有电网以来就一直存在。这种动态的变化,最早主要是由电力负荷按需求执行动作、做出改变等引发的,就像前边曾提到的,电力负荷侧的整流逆变、开关动作、稳压限幅、调频移相、无功补偿、电容投切,等等,均会使电网电压、电流,尤其是电流偏离理想正弦波,会引发动态变化即过渡过程。最初,非线性负荷占比较少,其非线性特性相对简单,且使电网电压、电流出现动态变化的时间占比也较低,故当初人们曾做简化,假定电网运行基本处于稳态,便仅对稳态计量电能。如此,对含有非线性动态负荷电网的电压、电流构建模型,就简化为仅具有周期非正弦的特征;且对准确度要求不高的,就滤除高次谐波、仅计量基波电能;而对需求稍高的,则不仅计量基波电能,还增加计量谐波电能。

但随着更精准控制、更快速操作、更大量自动检验、更智能灵活决策等在几乎所有工业生产制造领域的实施,以及越来越多的高比例新能源发电并网,致使现行电网中发生的动态变化,已远比上述可做简化处理的情况要复杂得多,已鲜明地表现出具有大波动、快时变、强随机且持续不断的特征[2-3,5]。稍加具体分析,是因为构成电力负荷的元器件种类日益多样,大功率动态负荷以及具有强非线性端口特性的电力电子器件占比越来越高,结果致使不仅有开关开断造成电网拓扑结构变化,或理想电源的投切,或电力负荷参数的突变,或大功率动态负荷快速、随机、突然吸收或释放功率,而且供电电源也本征地表现出波动性(电动汽车快速充电)、随机性变化(风力和太阳能发电)等[11-13]。而可再生能源发电输出功率的波动,就会导致电源电压产生波动,进而致使网端电压出现波动。发生在电网中越来越复杂、时长占比越来越高的快速动态变化、随机波动以及突升和突降等,无疑会致使电能表计量电能的动态误差增大甚至严重超差,导致电能计量不准确[2-3]。在这方面,文献[14]开展了大量的试验研究,2013年,对国内3家电能表厂商生产的三相四线电能表,在功率因数为1.0条件下,分别进行了多个典型的动态误差测试试验,结果发现,仅有一家的被试电能表的动态测量误差未超标,而另两家的被试电能表的动态测量误差甚至高达30.81%。2016年,文献[15]又选取国内外3个厂家生产的三相四线电能表,在不同功率因数、单向和双向功率条件下进行了动态误差测试试验,结果发现,单向功率动态负荷模式下,国外厂家生产的被试电能表的动态误差处在其标称误差0.2%范围内,而国产的2种电能表则对不同测试模态表现出0～75%的较大误差波动,远超出了其标称的误差范围;而在双向功率动态负荷模式下,国外产电能表和一款国内产电能表的动态误差均在其标称误差0.2%范围内,而另一款国内厂家生产的电能表的动态误差则已明显超出其标称的误差范围。

其实,对动态电能计量问题的研究,国内外已开展多年,并已取得了较多理论研究成果[2-3,11-16]。在国内,有代表性的一种研究思路,就是对典型大功率动态负荷的冲击和随机波动等特性基于统计分析进行建模,进而找出其影响电能计量准确性的内在特征[14-16]。另一种更常见、追求实时测算动态电能的研究思路,则是通过分析动态电压、电流信号的时-频域特性,并设法规避或有效削弱数字化采样和有限时长计算带来的误差,直接构建频域或时-频域动态电能计量算法[2-3];而且在谐波测量算法动态性能测试方面,IEEE和IEC均已确立有谐波电压电流幅值存在阶跃变化、幅值和相位存在低频调制变化、频率存在斜坡变化等的测试规范[4],将它们用于动态电能计量测算方法性能的测试与评估是合理可行的。

现行电网电压、电流及功率具有大波动、快时变、强随机并且持续不断的复杂特性,可绝非是仅以周期非正弦模型就能准确刻画和本质表征的[2-3,14]。对该问题的研究和探索,从物理机理、计量模型、软件算法、标准源和标准仪表、现场录波仪器,到试验测试方法及校验装置,等等,还有很多工作要做,是近年来电能计量技术研究领域面临的挑战之一。

3 应该将超谐波电能计量提上日程

超谐波是一个较新的研究方向,对它的关注,主要是因为近年来,电力负荷的电力电子化进程不断加快,越来越多电力负荷的用电特性呈现出断崖式跳变、尖峰脉冲不断、弱惯性启停、持续单调上升或下降、随机波动等多样化非线性动态变化的特征。由IGBT、IGCT等电力电子器件制成的新型电器设备向电网注入或发射的2 kHz～150 kHz频率范围的高次谐波成分,就被称为超谐波[17]。超谐波在供电系统引发新的电磁干扰问题,正受到电气工程领域多个国际组织和一线工程技术人员越来越多的关注。欧洲多国以及我国的试验研究发现,超谐波干扰会造成有些电器设备运行出现异常甚至损毁;使电力线通信受到干扰甚至中断;在它作为激励源所在的电气回路或邻近电气回路中引发谐振;致使某些电器设备出现非人为控制的起停,等等,如此,必然会致使硬软件均未做出相应调整的电能表的电能计量准确性明显降低[18]。

国外一些专家学者,以及相关国际组织针对超谐波已开展了不少研究工作。如德国和瑞典等国多家科研机构以及大学,对电网信号中超谐波的传播特性、作用机理等,通过物理试验和建模仿真开展了相关研究;一些国际会议,如国际供电会议CIRED等,也针对超谐波专门设置并举办了专题学术论坛;欧洲电工标准化委员会CENELEC已发布了有关超谐波引发电磁干扰问题的研究报告《Study report on electromagnetic interference between electrical equipment/systems in the frequency range below 150 kHz》;国际电工委员会IEC、电气电子工程师学会IEEE等国际标准化组织,也已针对超谐波成立了专门工作组,启动研究并制定超谐波的发射限制、兼容水平、抗扰度以及测试方法等相关国际标准。特别是IEC国际电工委员会委托英国国家物理实验室NPL牵头,正在就多国学者研究提出的不同超谐波测算方法的适用性能等进行仿真验证,旨在为修订IEC 61000-4-30标准提供更为科学有效的超谐波测算方法参考[17-20]。

国内针对超谐波问题也开展了一些研究工作,并已取得了可喜成果。在国内,《电网谐波问题的新发展—谈超级谐波》的研究报告最早提到了超谐波。随后,文献[20-21]也针对超谐波问题发表了综述性文章,并通过开展博士学位论文课题研究,提出了多种高分辨率超谐波测算方法,研究成果发表在国际期刊和国际会议上,并应邀参加了英国国家物理实验室NPL组织的超谐波标准测算方法国际对比实验测试。近期,国内又有天津大学等高校研究超谐波问题的最新文章发表,体现着我国在超谐波领域的理论研究和测算方法建立等工作的不断深入。

而随着电力电子化电器设备,如光伏逆变器、无线充电、电动汽车充电桩的普及和推广应用,以及更多分布式新能源发电并入电网等,由超谐波引发的高频电磁干扰、电能表计量失准降等问题无疑将更加严重。针对于此,就要求人们给予关注和加强研究,深入探索并回答超高次谐波干扰下,应该怎样计量相应的电能消耗才更科学合理。即在电能计量上,在怎样的准确度要求下,可以考虑不计及超谐波的影响;而在怎样的供电质量需求下,必须设法借助实时补偿等抑制措施和采用新的测算方法,才能保证电能计量装置能足够准确地测算用户消耗的电能。

4 不宜将电能计量装置与电能表简单划等号

对电能计量装置,不能简单地理解为就是一块电能表;而且对电能表,也不宜随便将其表述为电能计量装置。但令人遗憾的是,现在在一些文章、项目结题报告、中期检查报告、技术研究报告的正文或汇报用PPT中,会经常见到将这两个词乱用、混用的情况,例如,原本就是一个有关民用单相智能电能表技术研发的报告,其中却不时地将单相智能电能表一词用电能计量装置一词来替代。实际中,视所处供电系统中具体位置的不同,电能计量装置所包含的传统意义上的电器设备和仪表是不同的,比如在高压电能计量点处安装的电能计量装置,不仅有电能表,还必须要有负责将高电压、大电流变换成电能表能够接受的低电压、小电流的电压互感器和电流互感器。在数字化变电站,为获得全站内同步的电压、电流数据,以为电能计量、控制、保护及状态监测等功能的实现提供基础,在电子式互感器与二次设备之间,还要装设合并单元,即在数字化变电站内,合并单元也是电能计量装置不可或缺的组成部分。近些年出现且在有些地方已有使用的高压电能表,其实质,不是省去电压互感器和电流互感器,而是通过采用新的设计和技术实现方式,已将传统意义上分立的电压互感器、电流互感器与电能表集成制造为一体式的。而通常在电力负荷跟前装设的电能计量装置,比如在居民用户处,在工厂企业的车间和办公楼内等场所,由于供电电压已由变压器降低至三相的380V和单相的220V,故用于计量这些场合耗用电能量的电能计量装置,就只有电能表。

5 测量准确度不同于测量精度

尽管好像谁都不会将表征包括功率表、电能表等各种电工仪器仪表测量或计量性能的准确度(等)级的表示法用错,但很多人在写文章,在做报告、汇报工作时,不仅口头上,而且在纸质版的材料或PPT上,还总是将“测量准确度”写成或说成是“测量精度”,或者是将这两个术语混用,即反映出,不少人可能主观上认为,这两个术语的物理含义是相同的。但显然,这种认识和理解是不对的。

其实,在测量理论中,“测量准确度”与“测量精度”是两个不同的概念。“测量准确度”,是指被测对象的测得值与其真值(实际值)之间的接近程度。而“测量精度”也称“测量精密度”,则是指在测量条件不变的情况下,以一种测量方法获得的一个被测对象的多次测量结果量值之间相互接近的程度。即,“测量准确度”对应于对被测对象的仅一次测量,而 “测量精度”,则对应着对同一被测对象的多次测量。可以通过如下阐述系统误差、随机(偶然)误差与疏失(粗大)误差的图例,来认识并体会“测量准确度”与“测量精度”(测量精密度)的本质区别。图1展示出三个打过的靶子,未击中靶心的情况可当作有误差看待;弹落点到靶心的距离,便代表误差的大小。图1(a)所示,多个弹落点都密集在靶心及其附近(除左下角和右上角的共3个弹落点外),但每一颗子弹落在这个区域的哪一点是随机的、无规律的,这意味着只存在随机误差而无系统误差。而靶子左下角和右上角那3个明显远离靶心的弹落点,则代表着存在疏失误差。在图1(b)所示靶子上,多个弹落点都密集地落在偏离靶心的某处,这表明存在明显的系统误差;当然,同时还存在随机误差。而从“测量准确度”与“测量精度”来衡量,图1(a)所示靶子左下角和右上角那3个弹落点,意味着测量准确度和测量精度都不高;图1(b)说明,测量精度虽然高,但测量准确度不高;而图1(c)所示靶子则表明,测量准确度较高,而测量精度不高。而若将图1(a)靶子左下角和右上角那3个明显远离靶心的弹落点去除不予考虑,就表明不仅测量准确度高,测量精度也高,这种情况也称测量精确度高。

图1 误差类别、精度、准确度和精确度等概念的图示解释

在从事计量科学研究或计量检定实际工作中,往往采取多次重复测量的做法。而一般性测量,包括电能计量、功率测量、电压和电流测量等,实际实施的大多是一次性测量。因此对一般电工测量、电能计量质量的评价,就应该用“测量准确度”来表征和阐述,而不应该使用术语“测量精度”或“测量精密度”。

6 结束语

文章依据从事电能计量相关问题研究过程中,由所遇问题、所见文章和研究报告等引发的思考,就不同需求、场景下电能计量所关注问题会截然不同,现实需求呼唤基于大数据构建电能表检验新方法;动态电能计量研究面临新挑战;应该关注超谐波电能计量;不宜将电能计量装置与电能表简单划等号;测量准确度不同于测量精度等问题,基于求证和较全面的分析,阐述了自己的观点和认识,希望能对相关研究工作的更深入开展,以及更清楚理解相关测量方法及概念起到积极作用。