张 芹，夏水斌，许 健
(1.国网湖北省电力有限公司营销服务中心(计量中心)，湖北 武汉 430080;2.国电南瑞科技股份有限公司,江苏 南京 211106)
电能计量设备包括很多电力电子技术与半导体器件，涉及范围广泛，既有小容量的家用式设备又有超大容量的发电厂等。国内的电能计量设备按其所能服务的发电量共分为四种：第一种是计量105kW及以上发电机的发电量，主要应用于跨省电网之间的联络线；
第二种是考量月平均用电量105kW及以上或变压器容量为315 kVA及以上的高压计费用户，主要应用于发电厂用电[1]；
第三种是计量月平均用电量105kWh以下或变压器容量为315 kVA以下的高压用户和用电容量较大的低压用户[2]；
第四类主要用于计量低压用户。
传统的电能表不仅笨重而且不够精确，需要人工现场抄表，给电力工人增加了工作量，并且存在偷电、漏记的风险隐患。电能表随着供电企业的出现而诞生，也随着供电企业的发展而不断进步，是社会拥有量较大的计量器具之一。其主要用于电力的贸易结算和电力生产技术经济指标的考核。
电能表按工作原理可以分为两类，其一是电气机械式电能表，其二是电子(固态)式电能表。感应式电能表主要应用在交流电路中，由四部分组成。当交流电通过电能表时，铝盘上会产生感应涡流。涡流与交流磁通产生作用力使铝盘转动。制动磁铁与铝盘产生制动力矩。制动力矩与转动力矩达到稳定平衡时，铝盘以匀速转动。铝盘转动的圈数与消耗电能成正比，以此测得电能。
单相脉冲式电能表的光电转换器主要由光电头和光电转换电路组成。其中，光电头有穿透式和反射式两种。两种光电头相同的部分包括光敏管、发光管、转盘等。光电头结构如图1所示。
图1 光电头结构示意图
一般情况下，采集和处理电信号是非常困难的，因此需要设计一种光电转换电路。当较强的光照到光探头时，探头处于导通状态，光电流增大，作用到射极耦合放大器上，使得输出电压为高电平；
反之，输出电压为低电平[3-4]。
近些年发展起来的无线抄表技术主要考虑的因素有自动抄表、低功耗、双向交互功能等。无线抄表技术的实现不仅节约了很多的人力、物力成本，而且提高了电能计量的时效性、准确性等，更能避免偷电、漏记的情况发生，对电能计量设备来说是质的提升。无线抄表功能模块如图2所示。
图2 无线抄表功能模块图
电子式电能表结构与感应式电能表相似，由测量机构和辅助部件两大部分组成。测量机构以电子电路为主，测量元件由ui乘法器、U/f转换器和计数器构成。辅助部件与感应式电能表相同。其中，内部电路图主要为光电转换电路。
光电转换电路如图3所示。
图3 光电转换电路示意图
图3中：电功率P=ui，电能W=Pt。电子式电能表的关键部分是ui乘法器。其采用较多的是时分割乘法器。待测信号通过分压器和互感器被缩小，之后输入到时分割乘法器中相乘，就可得到一个与功率P成正比的模拟电压U，再把U经U/f转换器转变为频率。根据频率计在Δt时间内的计数N，便可得到此段时间内的平均功率。而对于某一段时间内的电能测量，就变为此段时间内所转换得到的累计电脉冲数[5-7]。电子电能表工作原理如图4所示。
图4 电子电能表工作原理框图
2.1 小波变换
对于线性负载或者没有谐波源的负载而言，传统的计量方法已经足够满足人们的需求，无需再增加特殊功能来计量电能。但对于现代电网而言，尤其是在电力电子技术高速发展的年代，非线性和不可控器件的数量猛增，需要一些与之前不同的算法来保证计量电能的准确性。
连续小波转换式为：
(1)
式中：b为时间平移参数；
a为时间轴尺度伸缩参数。
小波变换的实质是对信号进行分解，对产生非平衡效果的无功功率进行拆分，使得感性负载和容性负载相互独立计算。这种算法使非线性负载存在的电路计量有了突飞猛进的发展。现代电网非线性负载形式多种多样，如不可控整流设备、工业机械设备、冶金机械设备(即轧钢机、感应炉和电弧炉等)、电解化工设备等。基于小波变换建立的Wiener泛函可以在很大程度上解决由谐波给电网信号造成的偏差问题。通过数学建模分析结果可知，利用三阶Wiener泛函模拟输出函数与实际输出数值几乎一致。这也说明了小波变换在非线性负载电能计量算法方面有着举足轻重的作用[8-9]。若系统的输出为多个(即F、G、S)，U(t)为输入信号，X(t)为输出信号，则由复合非线性系统传递函数理论，二阶Wiener泛函模拟输出如图5所示。
图5 二阶Wiener泛函模拟输出
2.2 傅里叶变换
傅里叶变换的本质指的是任何周期函数的曲线，都可以由不同振幅、不同相位的正弦波叠加组成。傅里叶变换的本质决定了它在数字信号处理方面的重要性，可以用于分析一些在特定的时间域内很难被确定的信号。
傅里叶变换基本式为：
(2)
式中：an和bn为实频率分量的振幅；
L为函数的周期。
傅里叶变换主要解决当电网中存在谐波时电能计量设备无法准确计量的问题，有离散傅里叶变换(discrete Fourier transform，DFT)、快速傅里叶变换(fast Fourier fransform，FFT)和连续傅里叶变换(continuous Fourier transform，CFT)。DFT可以将信号从时域变换到频域。在这种情况下，时域和频域都是离散的，通过DFT可以求出一个信号由哪些正弦波叠加而成。所得的结果就是这些正弦波的幅度和相位。
把DFT应用到电能计量设备算法中，在处理谐波时会遇到一些问题，比如在采样时收到的频率信号过大或者太低会产生频率混叠现象，以及频谱泄漏和栅栏效应等。频谱是有限、不连续的频率点，如果实际中的点落在了间断区就会出现频谱泄漏。栅栏效应就如通过栅栏向外看，总有一部分有用的点被挡到，损失了一部分实际点。这种有效的频率点无法被采集到的现象即栅栏效应[10]。
CFT可以把一个复杂的算法函数分解成一组连续的频谱率。如果需要分析非周期性的变换函数，则可以把它的周期看成无穷大。也可以说，具有无穷大周期的周期函数，频谱间隙趋向于无限小，离散函数变成连续点，便可分析非周期性的傅里叶函数。
电能计量装置在线监测与状态评估系统整体功能如图6所示。
图6 电能计量装置在线监测与状态评估系统整体功能图
电能表的在线监测功能和状态评估解决方案是一套非常完善的电能计量设备系统。传统的电能计量设备靠远程抄表的方式统计计量数据，只能传输电能表内部的数据，而无法对自身的状态进行评估，比如对误差的修正等。
电力计量设备在线监测与状态评估系统的主要功能模块分别是基础信息、在线监测、在线校验、告警管理、状态评估和系统管理[11]。
3.1 状态监测的需求分析
状态监测需要记录有关电量的各种实时信息(如常见的电压、电流、功率、相角、频率等瞬时电能指标)，自动读取并存储这些信息，监测回路中的各种数据，对其进行记录、计算、分析、鉴别等。
在电能计量过程中，实现公平交易是非常重要的，对公平交易产生影响的不仅是谐波带来的冲击，还有运行过程中产生的误差。自动监测偏差并进行自动修复是电能表必须具备的功能之一。此功能可以根据电能表误差限值和误差值显示报警数据，自动保存各项测试结果，方便后期查看、下载[12]。
3.2 技术需求分析
使用标准表法对电能表进行误差测试的纠正方法可以分为两种，分别是自动在线监测和远程遥控。两种方法方便了工作人员在使用电能表时的操作控制。同时，后台监控系统管理软件可自动对电能表误差监测数据进行统计、生成报表；
具备图形分析功能，使得对电能表误差的分析、对比更加直观。
3.3 系统结构设计
电能计量设备系统的设计主要涉及状态监测、状态评估以及后台显示界面的一些功能，以保证整个装置精确、实时、高效及安全地运行。
整个系统结构分为主站层、站控层、间隔层和过程层。主站层包括结果表示层、计量服务层以及基础服务层。结果表示层主要是为用户提供数字化的访问窗口，使用户更容易看到想要的统计数据；
计量服务层主要是为用户提供电能计量数据、信息监测、状态评估、误差纠正、故障报警等业务；
基础服务层主要是为电能计量设备监测与状态评估系统提供基础服务业务，如任务调度服务、报表分析服务、系统安全服务、基础资源管理服务、评估服务(评估算法、评估决策分析)、系统接口服务等，通过采集及数据分析梳理，完成服务层所需的信息采集。
一套完善的系统结构对电能计量设备而言是非常重要的，因为电能计量设备所要服务的范围很大，并且现场情况复杂多样，同时又要求具有很高的精度。任何一个微小的错误都会影响电网环节的公平性，并会导致设备损坏从而带来经济损失等。
3.4 装置状态评估
电能计量设备的不间断运行是常态化的，如需保证电能计量设备的准确性，则需要对电能计量设备运行状态作整体评估。评估时，不仅要考虑各种一般情况，还要考虑一些特殊的情况。如果某一个元器件出现严重异常的情况，得出的计量装置整体的运行状态就会产生很大的偏差。只有在所有部件都没有出现异常的情况下，才能根据各自的权重值进行整体运行状态的综合评估。
众多电力行业计量装置的专家学者经过无数次的研究验证，并结合实际工程应用中收集到的历史运行故障分析数据，总结了各元器件的故障占比率，形成了一套模块评估权重的系数。
计量装置结果评估的内容主要包括四个方面：G为电能表评估、P为电压互感器评估、C为电流互感器评估、H为二次回路评估。经过一系列调查、研究，各模块状态评分比重如表1所示。
表1 各模块状态评分比重表
电能计量设备整体状态评估评分计算式为：
(3)
电力行业是国计民生的重要支柱。如今的生活已离不开电能，而有用到电的地方就必须有电能计量设备。电能计量设备在电力行业的发展过程中起到了巨大的作用。因此，做好电能计量设备的技术实施、工程应用等工作，使其能够进一步保证电能计量的准确性以及促进电力行业的发展是非常重要的。
根据电能计量设备状态评估在实际中的应用，本文选择了四地的电能计量设备进行评估。各地供电单位状态监测结果如图7所示。
图7 各地供电单位状态监测结果
随着我国国民经济的快速发展，截止到2019年初，电力使用覆盖率将近100%。如此庞大的用户数量，就如何平衡发、输、变、配、用电之间的关系，保证每一阶段的交易具有准确性、公平性、简便性等，迫切需要一套完善的电能计量设备。传统的电能计量设备已经不能满足现代如此多的电网谐波和非线性负载加入的情况的要求。电力半导体器件的研制对我国科技的发展有至关重要的作用，特别是在一些科技核心领域。但这些发展带来的非线性负载及谐波对电网质量产生一定的影响，造成一些用户的经济损失。吸收谐波的用户需要缴纳比本身消耗电能更多的费用。这种现象违背了市场公平交易的原则。正因为如此，才需要研发更多精密的算法、更加精准的计量装置。
根据策略输出状态，对图7的测试结果进行抽样验证。测试结果表明，处于稳定状态的电能表所占的比例为82%，预警所占的比例为0.61%。该验证结果与监测结果相差较小，说明本文所述方法具有一定的参考价值。
我国电力行业近年来发展迅速。预计到2035年，全社会用电量将达到11.7万亿千瓦时。因此，电力行业发展空间巨大。电力系统的日益发展，推动着电能计量设备的研究热潮。同时，电能计量设备的算法，如傅里叶变换、小波变换、神经网络算法等日渐趋于成熟，增加了电能计量设备的时效性、准确性、简便性。各种各样的电能表也相继得到研发。这些电能表形式种类各异，可以满足不同场合、不同负荷形式的电能表使用需求，在满足电力行业发展需求的同时，也能促进电力行业的发展。目前，我国的经济形势正处于高速发展阶段，电力行业尤其突出，电化学储能行业的迅速崛起，更进一步地平衡、稳定了我国的电网运行状态。电力行业的稳定、高速发展离不开电能计量设备，未来的电能计量设备一定会更加精确、更加高效。
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