电能表应用研究60年回忆录（第2篇：第1集）

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1997年国际上电子式电能表的技术水准

—-《电能表应用研究60年回忆录（第2篇: 第1集）》

中国现代电网量测技术平台

张春晖

2017年10月30日

第2篇 1997 —2017 年，电子式电能表新技术应用的研究与交流

回望过去，中国电子式电能表一路这样走来:

—1990 年前后，华北电网先期引进斯伦贝谢公司产的电子式单相预付费电能表，这是电表行业的启蒙阶段。

—1993 年，中国第1只电子式电能表问世。

— 1994 年，中国第1只拥有自主知识产权的 0.5 S 级三相多功能电能表在威胜诞生。

—1997 年，威胜第1只英文电子式电能表进入国际市场在印尼雅加达电力公司挂网运行，启开国产电子式电能表出口的新里程。

但是，与国际同类品牌产品相比，那时的国产电子式电能表技术水准尚处初级阶段:

—20 世纪 60 年代末，日本横河公司（YEW）发明时分割乘法器原理，并广泛应用于高端/低级电子式电表。

—兰吉尔公司:

· 1971 年，推出第一代ZR型电子式电能表。

· 1989 年，推出0.5 S 级ZA型三相电子式电能表。

· 1995 年，推出0.2 S级ZU/ ZV 型三相多功能电能表。

—国内电表企业:对电子式电能表的国际、国内信息与电网的应用需求，沟通渠道不畅通。

为推进国产电子式电能表的发展，本文作者从1997年起，连续20 年在电表行业进行电子式电能表新技术应用的研究与交流。其目的是沟通电表企业与电网之间的计量信息，讨论电子式电能表新技术开发的难点及应用需求的定位，为电子式电能表新产品开发的决策提供参考。同时，通过在电表企业和省级电网电力计量中心的所见所闻，可以汇总、评估国产电子式电能表的发展进程，与国际同类产品相比，国产电子式电能表的技术性能、品质等级还有哪些差距，提出相应的改进建议，以期将国产电子式电能表的技术水准与应用推向新的高度。

第1集 1997年国际上电子式电能表的技术水准

1997年1月19日，本文作者首次在长沙威胜电子公司进行电子式电能表新技术应用的交流:《关于电子式电能表实用化研究》。

1、《关于电子式电能表实用化研究》摘要

1）电子式电能表的国际水准

—测量原理

·时分割乘法器: 兰吉尔公司产的 0.2 S级 ZU/ ZV型电子式三相多功能电能表。

·霍尔乘法器:兰吉尔公司用于生产2 级— 0.5 S 级电子式三相电能表，实际误差控制在 0.1 %。

·数字乘法器:兰吉尔公司即将生产新型数字乘法器的电子式电能表。

—电能表量程

· GE 公司产宽量程电子式电能表:电压量程为58—480V ，电流量程为 0.2—100A 。

·国内电表企业的电子式电能表尚未开发大电流量程，等于未开发一块电表市场。

·电力行标《电能计量装置管理规程（DL/T 448—91）》要求采用 80 A及以下直通表，需要过载倍数大，国际上，最大11 倍过载电能表。

—电表计量功能

·电能量的计量:电表应具有多种类计量功能，包括单方向有功、无功计量，双方向有功、无功计量，双向有功、四象限无功计量等。其中，无功计量还分正弦无功、余弦无功计量。

·需量:最大需量计量、积累最大需量计量、连续累计最大需量计量。后两类需量计量，国际上有较多的应用。但是，国内只用最大需量计量。

·低功率因数计量:美国、欧洲国家广泛应用Q 表，即电压移相90°电表。

—计量准确度

·国际上，有功计量准确度从 0.2 S级—2 级，无功计量从 0.5—3 级。

·国产 0.2 S 级电子式电表尚未推出。DL/T 448—91电力行标规定:30万kW及以上发电机组上网计量点、月用电量100万kWh及以上用户需安装0.2S 级电表。对大型发电机组上网计量点，还要安装主、付两只0.2S 级电表。

· IEC标准: 无功计量只有 2 级、 3 级。因此， 0.5 级、 1 级无功计量产品标准，只能制订电表企业标准。

·国际上，同一计量点的电能表，有功与无功计量的准确度一般只差一个等级，即有功 0.2 S 级、无功 0.5 级或有功 0.5S 级、无功 1 级。

—TOU

· TOU，目前尚未有国际标准。斯伦贝谢公司将IEC 687 、IEC 1036 、IEC1038合起来构成多功能电表标准。

·石英晶振:主要有 3 项误差，参比条件下的误差、– 20° —80°C的误差、停电情况下的误差。用户关注的是第2 项误差。

·停电后的时间修正:GE公司的电能表，停电 1 天，修正时间 0.5 秒，最多修正30 秒。

·费率:国外电表费率多，8个或12个计度器。国内，3费率，有功、无功都是3 费率。

·死机问题:如何考核没有统一办法。理论上说不会死机，有看门狗技术、双CPU等。

·国外电表的费率内容丰富，有季节、周日费率，国内暂时用不上。

产品设计，既要考虑目前需求，又要顾及未来发展。

·清零的逻辑关系:表计有电量、需量、停电或断相累计时间的清零，以及电池使用时间的清零。其中，需量，每次抄表都要清零。电量与停电、断相计时是累计的，只能在整机清零时清除，重新编程时也不能清零。电池使用时间，只能在更换电池后立即清零。

·允许停电时间:内部有电容器而无电池的表计，允许停电7天。有电池的停电时间，待查证。

—新提出的电表性能指标

·兰吉尔公司提出锁定电流的要求: 0.5 S级电表的锁定电流为 0.02 % Ib。但是，感性与容性之间的转换有死区，尚未提出指标考核。

· IEC标准的高频电磁场试验:由10 V/m 提高到 30V/ m ，电表在两种不同工作状态下试验。

· IEC标准的交流耐压试验: 由工频 2kV提高到 4 kV 。

· IEC标准的冲击电压试验:由 6 kV提高到 8kV 。

应该说，这种产品质量的提升，也是市场竞争。

·兰吉尔公司产的电表有些指标有降低:

防水、防尘指标，户外电表应为 IP 54，兰吉尔公司提出IP 52 。可能是IP 54 的工作环境条件差，产品质量要达到，需要作较大的改进。

还有静电指标，也有降低，电表在不同工作状态下试验。

作为品牌电表企业，应该汇总国标和IEC标准的指标要求，提升产品质量。

—表计丢脉冲问题

· GE电表的说明书:上电时会丢脉冲。

·还有:看门狗恢复时丢脉冲、掉电时丢脉冲、正反向转换时丢脉冲。

·丢脉冲的量，估计可以忽略不计，但是需要有限量指标。

GE公司产的电表，只要有功计量校准后，无功计量肯定是准的，不需要再检验。

—输出接口

·面板上的光电输出:IEC 1107 或美国标准，都采用磁吸式。专用接插件，主要是现场安全问题。每月要操作，接插件的寿命成问题。

·输出脉冲有多种形式:

a1 水银接点，无抖动、可靠性高

a2 干簧继电器

a3 晶体管继电器

a4 继电器接点:有高压、低压两种

·通信接口类别:

兰吉尔公司产的电表，传统输出为电流环形（IEC 1107）。现在的ZU/ZV型电表有RS 485（IEC 870—5—2）、RS 232 C , 还有RS 232C 与 RS 485转换的。

·输出信号:最大需量的同步信号，费率与时段的同步信号，负荷控制信号，负荷记录。其中，负荷记录有4—15 个通道，如采样周期为15 min, 可记录 32 天。还有打印记录接口信号。

—软件

·现在常用协议IEC 1107 , 又有新版本

·最近收到IEC 870 —5—2

·软件设计的基本原则:电表与HHU、电表与PC机、HHU 与 PC机一定要环起来编程与抄表。

·本地、远程抄表的软件不同。GE公司可以提供远方编程软件，但是国内不推荐使用，主要是编程的可靠性问题。

—输入接口

·输入脉冲接口

a1 输入无功脉冲，用以计算视在功率或功率因数

a2 输入有功脉冲，用以多回路有功电能量的总加。

·输入最大需量的同步信号

·输入费率的同步信号

—附加功能

·兰吉尔公司产的ZV型电表，具有铜损、铁损计算功能，用于大型变压器的中压、低压计量或农村 10 kV 供电的低压计量，用处较多。其中，I 的平方还可以计量线损。

· Q 表的无功计量:前面已经叙述，美国、欧洲国家用于低功率因数计量。

·电压、电流、功率、功率因数综合电参数计量: 将代替电量变送器，用于无人值班变电站。美国新加莫公司产的Quantum电表就有这类多功能。近期，陕西电网进口了几十只 Quantum电表。

·故障自动回叫电表

—硬件结构

·输出板均为单独设计，因为用户使用要求不一。同时，功能板也是多种的，有简单功能板，还有复杂功能板。

·端钮盒、显示器:（略）

—误差保证期

·国际上，对电表误差保证期尚未有统一的承诺

a1 在英国，电子式电表经过 8 年抽样检验1 次。

a2 电表抽样检验案例: 兰吉尔公司采用 40/ 1 —5 / 4的方案，即在 500 — 5000 只电表为1 组中，先抽出40 只电表进行检验。如只有1 只不合格，整批判定为合格。如有 5 只不合格，整批不合格。如果有2/3/4 只不合格，则再抽40 只电表进行检验。在80 只电表中，如果4 只不合格，则整批合格。如果5 只不合格，则正批不合格。

a3 在美国新泽西洲电力公司，电表抽样采用3 个公式计算。

a4 国内，对运行中的电表尚未有统一抽样检验方法，还是按运行周期轮换。

据说，计量行政部门正在考虑制订电表抽样轮换方案。

·电表误差改变量的限定

a1 斯伦贝谢公司在美国的新加莫公司承诺 0.5 级电表经过 10 年，仍保证误差在 0.5 级限值内。

a2 近期，兰吉尔公司提出:电表经过10 年后，0.5 级电表的误差不超过+/– 0.6 % 。

a3 由于电子技术的发展，电子式电表影响量引起的实际误差改变，要比IEC标准低得多。西门子公司产的1 级电表，其电压、温度、频率影响特性，要比IEC 标准高将近1 个等级。

a4 最近，山东电网进口某公司产的标准表，5 只标准表中有 2 只超差，都是片电阻阻值改变，估计贴片时未处理好。因此，电子式电表的误差稳定性，需要研究改进。

a5 霍尔乘法器的性能是否长期稳定，也需要长期进行考核。

2）从实用化视角，对国产电子式电能表的基本要求

按照国内分时电价刚刚起步的情况，那时多功能电表的设计功能多，常用功能少，其余功能可以隐含备查或需要分析时用。

—抄表的量: 抄表日期、抄表时间、本月总电量、本月峰/谷/平段的电量、本月最大需量、关口表的负荷记录、时钟校准、四象限无功功率等。

—重要辅助量: 停电或断相时间（h）、电池使用时间等。

—输出接口:有功电量脉冲输出、无功电量脉冲输出、通信接口（RS485）、本地抄表接口、最大需量周期输出。

—计量准确度: 从 3 级— 0.2 S 级都需用。

—电流量程: Ib= 0.3 A 及以上，Imax= 80A 或100 A 。

—LCD: 15年、– 20 °C

—最大需量复位方式:按钮复零、自动复零、HHU复零、PC机复零。

—随着分时电价实施的深化，对电子式电表的功能要求将逐步增多。

3）1997 年电力计量的热点与难点

—预付费电表的应用

预付费制度是电力走向市场的一个方向。但是，目前的表计不适合国情:

·电价更改时，电费计算不适应。

·预付费，不能满足线损计算的要求。

·银行的利息应归用户。

·还有其它的不适应。

改进的路子还是有的。只要在预付费用上加上抄表期的电量，就能满足补电费与线损计算的要求。利息问题，可以在售电机上解决。因此，预付费电表经改进后，还是有一定的使用价值。

—关于一户一表

全国的一户一表工程，上海市走在前列。1993 年，作为上海市政府实事工程的一户一表工程启动，计划改造居民户 130 万户，将于 1998 年完成。而且，此后新建居民户，都实行一户一表。

一户一表工程实施中需要关注的问题:

·计量方式

a1 感应式单相脉冲表与采集器安装在一个计量箱内，适用的楼层不高于 6–7 层。

a2 几只感应式单相电表合用1 台RTU。RTU要有CMC标志，还要有通信接口。

电子式电表，本身有通信接口。

·感应式、长寿命单相电表

a1 脉冲要长寿命是个问题:

从原理上要长寿命，光电采样或用间隙的光电采样达不到要求，要选合适的采样原理。

元器件要长寿命，至少要用工业级器件。

工艺上要保证，电路板要经过高温老化。

设计上，表计内的变压器要按 250 V设计运行。指示灯，要按高于 220 V 的额定电压定做。

·电子式电表的长寿命，目前还没有标准。LCD ，达到 15 年可以用。

·采集器的长寿命，是否可以达到 10 年需商讨。

·自动抄表系统的构成: 电表的读出信息，经采集器到集中器，再经居民小区抄表工作站后，应用调制解调器传输到当地供电单位的抄表主站。

·居民交费系统:当地供电单位与银行联网。抄表后，居民可在所在小区附近的储蓄所交费，通过银行网络与当地供电单位结算电费。

·过负荷开关有手动合闸、自动合闸多种方式。需要安排好过负荷开关跳闸后的合闸操作程序。

·一户一表工程还有一些政策性问题有待解决。

—关于全方位远程抄表系统: （略）

—国际上电子式电表推广应用出现反复

感应式电表应用已经有 100 年的历史，感应式长寿命电表推出很久。前几年，兰吉尔公司将感应式电表的生产线卖给了印度、西班牙，专做电子式单相电表。经过几年，电子式单相表销量不大。1990 年前后，兰吉尔公司又要重新生产感应式电表。

那个时期，为何电子式电表销量不大？主要是可靠性未能达到长寿命。应该说，电子式电表计量功能的拓展是有前景的，短期误差尚稳定。

国际上，电子式电表推广应用有反复过程，国产电子式电表的发展，应该引以为戒。

2、1997年国产电子式电能表发展水准评估

1）1997年国产电子式电表推出才 5 年，初步取得的应用成果:

—国内市场占有率:全国电网应用计费电表约为 2675 万只。其中，电子式电表估计占 5 %。

—新产品开发:国内 0.5 S 级三相多功能电表已经生产。

—国际电表市场: 国产电子式电表已有批量出口。

2）那时，与国际同类产品相比，国产电子式电表技术性能尚有较大的差距:

— 0.2 S 级电子式有功表、0.5 S 级/ 1 级电子式无功表: 待开发。

—数字化乘法器、霍尔乘法器: 待开发。

—电压、电流宽量程: 待开发。

—计量功能

·视在功率、电能计量: 需讨论

·低功率因数计量: 未采用

— TOU

·晶振计时误差的时基校准和自动补偿技术: 待开发。

·死机的考核办法: 待制订。

—软件设计技术规范: 需讨论。

—输入接口

·需量周期的同步信号: 是否需要，看法不一。

·费率周期的同步信号: 暫未采用。

—附加功能

·铜损、铁损计算功能: 待制订技术规范。

·故障自动报警功能: 待制订技术规范。

—电表误差保证期

·电子式电表抽样检测方法:待制订。

·电子式电表误差改变量的限定: 需讨论。

从以上电表产业发展评估，可以预期1997 年后，国产电子式电表开发应用的重点将有: 0.2 S 级电子式有功电表、0.5 S 级 / 1 级电子式无功表、数字化乘法器、计量误差的稳定性、可靠性、时钟校准和计时误差自动补偿技术，还有，电表软件设计需要制订技术规范。同时，更要注重电子式电表的市场开拓。

3、关键技术参考

1995年，兰吉尔公司产的0.2 S 级ZU/ZV型电子式多功能电表:

ZU / ZV 系列高精度电能表是专门为高电压、大容量、跨地区输电线准确计量而设计。这类应用不仅要求有优良的测量技术，还要有非常高的抗干扰能力和可靠性。它采用高集成测量元件（开关式电容技术）来满足这要求。

— ZU / ZV 高精度电子式电表使用最先进的微电子技术，能提供全面而灵活的测量范围和计费功能:

· ZU 100 电表:有 3 个有功费率和 1 个无功费率，亦能根据用户的要求在多象限、多费率的条件下进行无功电能计量。

·ZU 200 电表:只用作测量有功和无功电能，它不具备多费率。多费率计算可在“DATA GYR 数吉尔”的FAG中处理。

·ZC 200 电表: 使用于特定场合，它能测量铜损和铁损，并用这数据来推算净电能及总电能（包括损耗）。因此，虽然计量点与计费点不一致，ZV 200 仍能准确地测量电能消耗。

—优越的测量技术

·有功符合:IEC 0.2 S 级和 0.5 S 级，无功 1 级（按需提供无功 0.5 级）。

·电压和电流的乘积，采用时分割乘法器和按”ε — 三角形”原理来定量。

—ZU /ZV 型多功能电表工作原理:

·（输入三相电压 U —>电压分压器 / 输入三相电流 I–> 电流互感器）—> [三相模拟量信号处理器计算有功电能 +/- kWh / 三相模拟量信号（经 90°移相器）处理器计算无功电能 +/– kVArh / 三相模拟量信号处理器计算U的平方（ZV 才有）/ 三相模拟量信号处理器计算 I 的平方（ZV 才有）] —> （计算: 参数、费率、通信 / LED 显示输出 / 报警 / 能源方向接点 / 继电器 / 光电开关等）。

说明:

电压互感器提供三相电源供应。

给通信和显示器提供额外电源供应（ZU 100 可选项）

·可编程、配置灵活。其灵活的功能:显示电表数据、显示费率、显示损耗（ZV）、状态信息、报警及参数。

—传输电表原始数据（串值表STOM）,并能与兰吉尔所有的远程计费系统结合使用。

（注: STOM 串值表，串行接口传送电表原始值）

通过传输电表寄存器的原始值来代替脉冲输出，这是STOM 设计的主要特点。

ZU 200 和 ZV 200 （带通信接口）能把寄存器内电电表数据定期地通过RS 485 接口送到FAG 。

即使测量电压掉电，辅助电源能保证可靠的电源，作通信和显示用。

脉冲是通过继电器、光电开关或晶体管来传输，并独立于串行表计值读数。

4、续接计量史料: 2003年电能表技术热点

自 2003 年之后，电能表产业进入由感应式电表向电子式电能表全面转型的时代，电力系统对电子式电表需求量迅速增长，电能计量领域出现勃勃生机。

2003 年电能表技术热点:

1）三相多功能电表的高端、低端走向

—准确度为 0.1 % 的三相电表

—面向系统设计的三相电表

—互联网通信的三相电表

—国产计量专用芯片

—钛基铁芯材料的电流互感器

—多路三相电表的远程检测系统

—国产 0.2 S 级电表如何进入电网关口计量

2）谐功率计量的实用化产品

—国际上，具有谐波功率计量功能的高精度三相标准表

— Hilbert 数字滤波器的谐波无功功率计量

—三相基波有功电表

—三相谐波有功电表

—国际上，标准畸变信号源

— 谐波下无功功率两种定义的分析

3）高压电能表技术初探

— 第1 款高压电能表样机

— 高压大电流、坡印亭原理的功率变送器

4）自动抄表技术如何走出困境？

— 早期开发的扩频通信芯片改进

— SOC 低压电力线载波通信芯片

— 跨变压器台区的自动抄表

— 电网干扰测试仪

— 45 M bp PLC系统通过部级鉴定

— GPRS 系统及终端扩大应用

—国际上，具有增值服务功能的用户远程管理与抄表系统

5）单相多费率电表应用的初步经验

— LCD 显示方式成为主流

— 时钟，采用温度自动补偿技术

— 内置计量模块 MCU 芯片

— 双线测量的单相表防窃电技术

— 计算机视角技术应用于电能表试验

6）电能质量测量

— GB/T 18481 —2001

— CBEMA 电压容限曲线

— 数字化三相不平衡仪校验台。

收录于合集 #中国现代电网量测技术文集

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