在线电能表更新工程与产品差异化设计

　　2005年，中国的电子式电能表市场突起，各类电表全面需求，那是国家电网和南方电网正在实施在线电能表更新工程，从计量技术全面升级抓起，强化电能计量管理，同时，也预示着电能表产业面临新的发展机遇，电子式电能表渐入品质时代。推进这次在线电能表更新工程的要素：

●电力体制改革的深化，发、供电双方对关口计量给予高度关注，就全国范围来说，关口表具有0.1％的偏差，每年将有24亿千瓦时的电量波动。

●电网建设快速发展，每年新增计量点约10％，2005年新增的关口计量点约1400个，变电站10千伏计量点约9万个，居民用电户2400万户。

●随着全社会用电量迅速增长，出台新的电价政策，扩大大工业户峰谷电价，两部制电价的实施范围。

●城网、农网改造以来，网上运行的劣质电能表估计有3000万台；在线电能表的整体计量性能缺乏保障机制。

●前几年实施的一户一表工程，在线电能表数量增长约10倍，对自动抄表系统提出新的需求。

●电网的谐波电流污染严重，污染范围扩大到城镇居民用电区，电能质量监测逐步引起重视。

●电网是企业，追求优良服务和经济效益，着力于正确执行电价政策，扩大电力营销，降低线路损耗。

　　鉴于这些因素，2005—2006年国家电网和南方电网已经或将要投入巨资，大规模的推进在线电能表更新工程。对此，电能表厂商显得准备不足，2005年只是频繁应付电能表招标，提供现有电能表产品。

　　本文将叙述在线电能表应用技术更新的要求由来以久，在线电能表更新工程规模的估计，电能表产品差异化设计，以期在2006年及以后的时间，通过产品差异化设计，不断为在线电能表更新工程提供高品质电子式电能表。

一、在线电能表应用技术更新的要求由来以久

1、2005年3月，北京电能表应用技术座谈会讨论并提出：

●国家电网主管部门：

·推进全国电力营销实时系统的建设

·要实施电能计量全过程管理，电能计量装置要从电力设计抓起

●南方电网主管部门：

·要旗帜鲜明的选用高品质的精品电能表

·要创新电能计量管理方式

●部分省、市电力：

·采用Hilbert数字滤波器的非正弦无功表

·时钟的计时误差，采用温度自动补偿技术

·进口三相基波有功表，90％的电表有功电量少计量

·对大工业户，要组建无线式运行管理系统

●电力系统权威电能计量技术机构：

·三相多功能的功能过多，实用功能有限，要进行电表功能规范

·三相多功能表的通信规约版本多，DL/T645—1997要进行修订

·谐波负荷是动态的，要找出典型负荷曲线

●部分电能表企业：

·谐波有功电能计量具有三种方式：基于数字乘法器的谐波有功计量；基于正弦理论的基波有功计量；基于FFT变换的谐波有功功率潮流分析技术。

·三相多功能表的通信接口改进：传统通信接口，现场用红外调制接口，远程用RS485接口；扩展接口，现场用兰牙通信，远程用GPRS。

2、2005年8月，湖北宜昌关口电能计量装置管理与技术经验交流会讨论并提出：

●国家电网主管部门：

·2005—2006年两年投资59亿元，用于改进电能计量装置。其中，2005年计划完成26.6亿元投资

注：南方电网方面，仅广东电力2005年用于电能表、无线式终端投资，估计超过10亿元。

●部分省、市电力：

·电能表实施全生命周期管理

·早期进口的关口表，其计量功能和误差曲线，已经不适应发电市场改革的需求，应进行技术更新

·进口关口表，首次具有谐波/基波有功电能计量功能

●电力系统权威电能计量技术机构：

·电力用户要按重要程度和电力负荷情况，重新划定分类，配置不同性能的电能表

·对电能表品质评价，要补充测试项目：

误差重复性；误差一致性；负荷电流升降变差；表内软件和系统软件通过测试

·电能表通信规约：

DL/T645—1997：曾经对机电式多功能表技术发展，起到积极推动作用。由于原规约的局限性、安全性和不确定性，目前已经不适用电子式电能表技术发展的实际情况

IEC62056：具有先进理念，但与国情还有一些差距；DLMS会员制管理方式，使IEC62056推广受到限制

DL/T645的修订思路：以原有的DL/T645为基础，与现有多功能表通信规约兼容，数据标识扩大到4个字字，8个字段；引入通信规约注册备案机制；通信规约要进行一致性测试

注：有些专业人士提出采用IEC62056的建议

●电力系统权威互感器计量技术机构：

·网上运行的0.2级CVT：准确度只能达到0.5级，如要达到0.2级，实际二次负荷要控制在额定二次负荷的1/3左右

·国内，弱信号的模拟量和数字量校验系统已经建成。

3、2005年8月之后，据了解，国家电网正在组织制定和实施关口表技术条件、电能表通用技术条件、电能计量装置管理工作规定等企业标准，作为全网在线电能表技术更新的统一规范。

　　综合以上情况，“十五”期间，我国的经济和电力工业快速发展，电力体制改革逐步到位，原有在线电能表的计量品质不高，技术性能不一，计量技术标准迟后的状况，已经不适应电网现行电价政策，电力营销需求和电力负荷实际情况，可以说，大规模实施在线电能表更新工程时机合宜。

二、在线电能表更新工程规模的估计

　　目前，国家电网和南方电网拥有直接管理的计费用户，估计有13500万户。这次在线电能表更新工程的范围，从单相居民用电户、大工业户、中等容量用户到关口计量点，从在线电能表到PT、CT及其二次回路，从在线电能表（无线式终端）到自动抄表系统，从在线电能表到标准表、校验装置全方位的。由2005年各省、市电力的电能表招标情况看，国家电网的实际投资将超过早期公布的额度。由于各省、市电力的电价政策和计量管理模式不一，下面就国家电网和南方电网直接管理用户范围，对在线电能表更新工程规模进行估计。

1、关口计量点

●关口计量点工程量，全国的跨区域电网联络线，省级电网联络线，各类发电厂上网电量计量点，省级电网对地市电网供电线路计量点，约有16000个，其中有30％的关口计量点已经配置主表、副表。这次关口表估计更新30％

●更新工程内涵：

·早期进口的关口表，其技术性能、通信规约、校验脉冲输出方式不一，需要进行统一；淘汰非品牌关口表

·有些国际品牌关口表，虽然网上安装量多，但只具有有功、无功电能计量，需要更新补充费率、最大需量计量，负荷曲线内存容量、远程报警、IEC62056通信规约等功能

·有些早期关口表的误差合格、稳定，但实际误差曲线偏离零线一个方向，由计量误差引入的误差电量较大

·扩大国产关口表的用量

2、大工业户

●大工业户工程量：变压器容量为315千伏安及以上或月用电量为10万千瓦时及以上的大工业户，全国约有60万户，估计60％电能表需要更新

●更新工程内涵：

·上世纪90年代进口的三相多功能表，故障率较高

·1995—2000年的国产三相多功能表，包括：采用低位A/D和MCU的三相多功能表，早期进口三相计量芯片的三相多功能表。这些电表的计量准确度低，动态负荷计量不适应，事件记录功能不实用，故障率高

·1995年以来，各省、市电力的大工业户，经批准实施峰谷电价，采用机电式三相多费率有功表和机械式三相无功表，需要改用有功、无功合一计量的三相多功能表

·根据电力负荷实际情况，采用具有谐波/基波有功电能计量功能的三相多功能表。

3、100千伏安及以上普通工业、非工业和商业户

●这类用户工程量：两网直管用户约有240万户，估计40％电能表需要更新

●更新工程内涵：

·原来实行《功率因数调整电费办法》的用户，将机械式有功表和无功表合一计量，采用电子式三相多功能表

·扩大大工业户峰谷电价或两部制电价实施范围的用户，采用电子式三相多功能表

·原有的大型商业户，由三相有功表改用三相多功能表。

4、100千伏安以下三相用户

●这类用户工程量：两网直管约960万户，估计60％电能表需要更新

●更新工程内涵：

·原有2级机械式三相有功表，改用1级电子式三相有功表

·采用LCD显示和RS485通信接口的电子式三相有功表。

5、变电站和配电变压器计量点

●这类计量点工程量：两网直管约有128万个，估计40％电能表需要更新

●更新工程内涵：

·原有的机械式三相有功表和无功表合一计量，改用具有LCD显示和RS485接口的电子式三相多功能表

·采用具有变电站和配电变压器计量特殊要求的专用三相多功能表

·配置无线式终端，扩展远程自动化系统。

6、低压居民用电户

●低压居民用电户工程量：两网直管约有12150万户，估计30％电能表需要更新

●更新工程内涵：

·随着电力负荷的增长，每年新增1900万户

·城网、农网改造以来，网上运行劣质单相电能表估计1000万户

·原有2级机械式单相表改为1级电子式单相表

·采用具有LCD显示和RS485通信接口的电子式单相表

·单相多费率表，随着地方出台的居民用户多费率电价政策的实施，每年新增单相多费率表估计150万户

·单相低压载波表，每年新增估计200万户

·单相付费表，每年新增估计200万户。

7、无线式电力负荷控制、管理系统，大工业户电能量实时监测系统，估计更新或新增终端20万台

　　概括以上在线电能表更新工程规模的估计，仅国家电网和南方电网的直接管理用户，在线电能表共七类4424万台需要更新。从更新工程的内涵，可以看出这些电能表应用技术发展的趋向。

●机械式电能表逐步淡出：

·2级机械式单相表，改用1级电子式单相表

·机械式单相表、三相表，改用具有LCD显示和RS485接口的电子式单相表、三相表

·机械式有功、无功表，改用有功、无功合一计量，具有LCD显示的电子式三相多功能表

●早期的多费率、多功能表将分批更换

·采用模拟乘法器、霍尔乘法器、低位A/D和MCU的三相多费率、多功能表，改为采用数字乘法器的三相多费率、多功能表

·采用双机械计度器的单相多费率表，改用具有LCD显示的电子式单相多费率表

●在线电能表要求具有长期误差稳定性、可靠性；关口表误差曲线分布合理；

●三相多功能表同时具有DL/T645和IEC62056两种通信规约

●继无式线负荷控制系统发展与争议之后，无线式大工业户用电量实时监测系统正在成为技术热点；低压电力线载波通信新技术和近距离无线式自动抄表系统受到电力系统的关注

●三相谐波/基波有功电能计量技术扩大应用

　　总之，电力系统正在进行在线电能表更新工程，其实质是淘汰低准确度、低品质、功能不实用、限制自动抄表系统发展的机械表和早期电子式电能表，换上较高准确度、较高品质、功能简单实用、适应正弦、稳定负荷计量的电子式电能表，同时，为推进自动抄表系统做准备。2005年的在线电能表更新工程，由各省、市电力按在线电能表分类，参照现行IEC标准、国标和电力行标，提出相应的技术条件。

　　需要说明：本文叙述的在线电能表更新工程，没有包涵两网非直接管理的用户，估计有8500万户。目前，正在进行县城电网改造，部分省、市新一轮农网扩容改造已经开始，西部电网还有劣质电能表2000万台，这些都将作为在线电能表更新工程的后续工程，但是其更新工程规模和时间表，暂时难以作出估计。

三、在线电能表差异化设计

　　2006年是在线电能表更新工程实施第二年，国家电网将颁发并组织实施全网统一的在线电能表技术条件。面对激烈竞争的电能表市场，电能表厂商要尽快熟悉电力系统的新要求，推出具有差异化设计的电能表产品，为实施差异化营销、嬴得市场提供技术保障。

1、三相多功能表

●传统计费电能表通用设计要求，有功、无功电能计量，最大需量计量，费率时段，单方向、双方向和不完整的四象限计量，多参数测量，多种计时要求，多种通信方式，自检、报警，停电抄表，失压、断相、停电、失流、三相不对称、编程预置、需量复位等事件记录。

●新提出的通用设计要求，运行和备用两套费率时段，0—360°计量，具有时标的视在电能计量，最小需量计量，Qh计量，计量误差的温度自动补偿，防窃电基础技术，同时，计费电能表要准确可靠，功能简单、实用，采用DL/T645和IEC62056两种通信规约。

●关口表的特殊设计要求，最高准确度提高到0.1级，交流采样速率不低于128点/周波，电能表稳定性和可靠性指标要量化，低负荷计量，需量周期、费率时段的同步，主、副表误差实时比对，大容量负荷曲线存储器，电能表远程监测等。

●大工业户计量的特殊设计要求，谐波、动态负荷、三相不对称计量，功率越限报警，主变压器损耗计量，互感器合成误差补偿，电能质量指标计量等。

●中等容量户计量的特殊设计要求，大电流计量，半波通过电流互感器计量，三相不平衡、不对称计量。

●变电站进线、出线计量的特殊设计要求，主变压器损耗计量，变电站的有功、无功、视在电能平衡计量，无功功率控制信号输出，用户线路的特殊设计要求，参照大工业户计量的特殊设计要求内容。

●配电变压器计量的特殊设计要求，停电信息采集，三相不平衡、不对称测量，中性线电流测量，变压器油温测量，变压器损耗计量和有功、无功、视在电能平衡，电力线路损耗电量的核实等。

●无线式负荷控制、管理系统终端的特殊设计要求，功率越限报警和主动上报，电力负荷开关投切信号输出等。

2、谐波电能计量技术

总结近几年谐波电能计量产品入网试用的经验，目前，在线电能表差异化设计的要求是：

●各类三相多功能表宜具有两种功率因数计算：鉴于谐波有功电能计量，目前有些基本问题还有争议，谐波无功电能计量技术标准正在探索，只有基于谐波视在电能计量的谐波功率因数计算，有可能成为进入电力市场的切入点。这是因为谐波功率因数计算符合IEEE-1459谐波功率定义标准、电力营销政策、电力负荷实际情况，因此，各类三相多功能表宜具有矢量法和算术法两种功率因数计算方法，供电力系统和用户选用。

●谐波有功电能计量，对大型企业具有特殊意义。目前继续进行谐波表与基波表之争，具有盲目性。正在开发的高端三相多功能表，通常具有谐波/基于有功电能计量功能，在此基础上要补充谐波有功功率潮流分析方法，提供基波有功电能，正向谐波有功电能，反向谐波有功电能及它们的负荷曲线，还有谐波次数和各次谐波幅值、初相位。总的有功电能量如何计算，有电力系统和用户自定义。

●城镇居民用电区的谐波计量技术需要探索

　　城镇居民区的用电特征，电压谐波含量不大，谐波电流超标严重。为抑制谐波电流过快增长，对配电变压器计量的三相电能表宜补充三项电能质量指标监测功能：

·电压谐波总含量

·电流谐波总含量

·谐波污染程度＝非基波视在电能/基波视在电能

●谐波电能计量溯源：目前，国际上的一些权威计量技术机构，可以提供谐波有功功率、谐波视在功率的监测报告。国内，谐波电能计量工作标准还是空白，已经影响在线谐波电能计量产品的发展，因此，随同在线谐波电能计量技术的设计开发，需要优先研究解决计量溯源问题。

3、电子式单相表系列产品

●电子式单相多费率表特殊设计要求：采用LCD显示，时钟的计量误差采用温度自动补偿电路，优先采用多功能SOC单芯片，简单实用的防窃电技术。

● 电子式付费电能表特殊设计要求：选用品质优良的过负荷开关、IC卡座，优先采用预购电量的金额和现行电价进入单相付费表的计算方式，加密方式简单可靠，远程付费技术应用。

4、自动抄表、管理系统

2005年，在自动抄表系统方面推出多项实用新技术，也引发新的技术争议，增加计量产品差异化设计选型的难度。

●低压电力线载波通信技术

·早期推出并经改进的采用BFSK调制的扩频通信专用芯片，嵌入模糊识别、模糊控制和现代信号处理技术

·2004年推出的采用4QPSK直序扩频的多功能芯片，支持CDMA多址保密通信

·2005年推出的智能控制网络SOC单芯片及网络化能源服务系统

·2005年推出的采用阻抗适配滤波技术的中、低压用电综合智能化系统

●近距离无线式自动抄表系统

·ZigBee—基于行业标准的无线网络解决方案：ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本和有着更小容量协议栈的双向无线通信技术，主要用于工业控制，消费性电子设备，汽车自动化，农业自动化等。ZigBee采用直接序列扩频（DSSS），工作于2.4GHz（ISM频段）、868MHz（欧州）、915MHz（美国），传输距离为10—75米。

·Z—Wave无线通信技术：Z—Wave是基于射频、低成本、低功耗、高可靠性的双向无线通信技术，主要用于家居、身份识别和小型工业控制。Z—Wave工作于900MHz（ISM频段）、868.42MHz（欧洲）、908.42MHz（美国）。采用FSK调制，有效覆盖范围，室内30米，室外100米。

●远程无线式自动抄表、控制系统

·早期推出并经改进的基于电力系统230MHz专用通信网的电力负荷管理系统

·2004年推出的基于GPRS/CDMA公用通信网络的电力负荷管理系统

·2006年推出的基于Mobitex无线数据专用网的电力负荷管理系统

　　本部分列出名目繁多的自动抄表、控制系统新技术，近距离自动抄表方面，由低压电力线载波通信和无线式抄表系统，其中，低压电力线载波通信技术，又有经改进的传统载波调制技术、智能网络控制技术、阻抗适配滤波技术；近距离无线抄表有ZigBee、Z—Wave；远程自动化系统方面，由230MHz电力专网，GPRS/CDMA公用网，Mobitex无线数据专用网。这些正在发展中的自动抄表、控制技术，其通信原理、工作频段或带宽、传输速率、传输距离、抗干扰能力，都不同，设计系统方案时，应通过调查电网分布，测试干扰源情况，从信号覆盖面、通信实施性、通信安全性、通信速率、实现监测、通信收费、运行维护与改造、工程投入资金等多方面进行技术经济比较后慎重确定。

　　上面提出的在线电能表产品差异化设计问题是一个适应电力市场变化的新课题，主要是基于现有电子式电能表具有正弦、稳态负荷计量特征，改善与拓展计量性能和功能，因此这种产品差异化设计是初级的，也是实用的。

总结语：

　　由2005年起步、为期2—3年的在线电能表更新工程，意在保障在线电能表整体技术性能不断升级，创新电能计量管理。同时，也是电能表产业发展的一个新的里程碑，电子式电能表渐入品质时代。

　　展望我的经济和电力工业的未来发展，电力系统的在线电能表更新工程，可以预期将以5—8年为一个周期继续推进，保证在线电能表整体上总是具有先进实用的计量技术。作为电能表产业，产品高级别的差异化设计和自主创新，包括：电能表企业独家专有的电能计量芯片、电能计量算法、电能表自适用技术，国产关口表、直接式高压电能表、谐波电能计量溯源标准、各种电能量远程实时监测系统、各级电网总电量远程监测计算技术等课题，已经提到议事日程，需要适时进行统一规划并组织实施。