浅析电力系统中电能计量方法

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　　摘要：电能是国民经济与人民生活的主要能源，电能计量涉及发电、供电与用电三方的经济利益。在市场经济条件下，提高电能计量的正确性尤为重要。文章分析了电力系统电能计量的重要性，介绍了相关电力系统中电能计量方法，并重点对谐波电能计量算法进行了研究。
　　关键词：电能、计量方法、谐波、傅立叶级数
　　
　　随着现代工业的发展，电力系统接入过多的电力电子设备，整流换流设备以及其他非线性负载。给电网带入了大量的谐波电流和谐波电压，对电网环境造成了严重的污染，且使电力营运企业成本增加，给用户也带去很大的麻烦。电能作为一种特殊产品，其质量日益得到电力生产、传输、利用及管理等诸多部门的广泛重视。现代电网对社会和经济起着至关重要的作用，随着电力电子技术的飞速发展，各种大功率整流/换流设备、电弧炉等非线性负荷日益增多，造成供电系统电压、电流波形不同程度畸变，产生大量高次谐波，对供电系统的安全及经济运行造成危害。
　　电能计量是电网经济核算的依据，电能的计量精度关系到电力供需双方的经济效益。在电力系统中的发、输、供过程中，电能计量，尤其是高电压大容量的电力系统的电能计量是非常重要的一环。因为它不仅紧紧系着电力生产部门的安全经济运行和直接经济效益，而且还直接、间接的联系着整个国计民生的经济效益和社会效益。
　　一、电力系统中电能计量方法
　　现行的电能计量方案是在发电机、网络交换关口处安装电能计量装置。电力系统中关口是指厂网之间、区域性电网之间电力设备资产和经营管理范围的分界处。关口电能计量装置是衡量关口分界处电能量的流向及其大小的装置，它记录的电能量作为技术经济指标统计、核算的基础数据，是保证电力市场能否正常运行的关键。
　　（一）确定电力系统关口的原则
　　目前，为考核地区线损率、网损率、上网电量、过网电量、购网电量、地区负荷及地区负荷率等指标，定义了产权关口、结算关口、协议关口、调度关口、线损关口和负荷关口等多种关口。这些关口的划分方法不一致，标准不统一，亦无审核机构。在管理上又各自为政，不能适应电网的发展。为了实施电网商业化运营，以经济核算替代指标考核，以表位法替代余量法管理线损，应统一标准，明确电量关口，划清网级电力市场的界面，规范管理。规范电力系统关口的首要原则是：第一，以产权分界点为界限，建立网级电力市场界面，以达到统计电量、结算电费的目的，为商业化运营奠定基础；第二，以电量关口为基础，规范管理线损，消除“吃网损”的现象，公平分配网级电力市场公司的利益；第三，以适合于商业化运营的、规范化的经济方式核算。
　　（二）用户电能计量方法
　　对电能计量的方法可以分成以下几种类型：
　　1.传统手工型。这是最为古老的方式，采用的是“一家一表”模式，到一定时期由电力工作人员挨门挨户收取电费。这种方法的缺点是显而易见的，不但劳动强度大，而且不能对用电户进行统一管理。但是这种方法在我国的广大农村还在广泛的使用。
　　2.IC卡型。为了降低电力部门人员的劳动强度，采用了由用电户上电力公司购电这种方式。为此开发了新型的电能计量仪表――IC卡式电度表，采用预付费式，用户先用卡购电，然后才能使用。这种方式在城镇地区广泛使用。
　　3.自动抄表。自动抄表这种方式是近些年被广泛探讨和实现的一种方式，它是计算机技术和网络通信技术在电力部门应用的一个生动实例。它的基本实现模式是：电能用户的用电量通过计量仪表计量后，由采集器采集，采集器和通信网络相连，通过网络传输到电力部门的管理中心。目前采用的网络传输技术主要有光纤网络、电话网络、电力线载波网络、总线网络以及无线通信网等技术。自动抄表的发展方向和计算机网络的发展紧密相连，它的一个发展方向就是所谓的“三网和一”，即电力网、广播网、通信网和三为一，通过提供一个高带宽、大容量、高速度的网络将通信、数字业务、广播等结合起来。
　　4.集中管理。集中管理式自动抄表技术在可以进行集中控制的区域中应用，因为用电户比较集中，那么就可以采用先进的技术实现，并且可以提供更多的控制和管理功能。
　　二、谐波电能计量算法
　　为了区分谐波和暂态现象，根据傅立叶级数的基本理论，被变换的波形必须是周期性的和不变的。但是由于电力系统负荷是变动的，负荷的变动会影响系统中的谐波含量。在实际的分析中只要被分析的现象或情况持续适当的时间或周期，就可应用傅立叶级数变换。
　　（1）
　　
　　（2）
　　设电力系统中电流、电压如式（1）、（2）所示，它们均是周期信号，并且一般满足荻里赫利条件，因此可以分解为如下的傅立叶级数
　　 （3）
　　或（4）
　　
　　式中为相应的角率：为工频频率；n=1，2，3，…为谐波次数。
　　其中
　　
　　 n=1，2，3，…
　　比较（3）、（4），得到如下关系
　　
　　离散化后，有下列公式
　　
　　（5）
　　（6）
　　
　　其中，n=0，1，2，…，N-1为谐波次数；k=0，1，2，…，N-1为采样次数；为第k次采样值。
　　幅值计算公式为参照（1）、（2）式，定义次谐波的功率为
　　（7）
　　
　　这样，可以通过谐波电能考核用户用电。
　　在实际测量中，（1）、（2）式的函数关系是未知的，但是，通过对电压、电流采样，能够得到周期为N的有限长序列
　　
　　根据数字信号处理理论，其离散傅立叶变换（DFT）的表示式为
　　
　　（8）
　　式中―n次谐波分量的大小。
　　根据欧拉公式，将式（8）进行如下变换
　　
　　将式两边同乘以2/N，得
　　
　　与（5）、（6）对照得
　　
　　这样，在实际策略系统中可以通过离散傅立叶变换求得电压电流信号的各次谐波幅值以及同次谐波电压、电流之间的相角，从而通过公式（7）求得各次谐波功率。
　　
　　从而，通过下面公式计算谐波功率。
　　
　　通过上述过程，可以分离供电网络和用户各自产生的谐波，同时分别计量各自产生的电能，以便对谐波释放量超标者进行正确处罚，从而弥补了目前电子式和感应式电能表计量方法的缺陷，也是对目前已有的谐波电能让表计量方法的改进。
　　三、结论
　　随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。像大功率整流在电气化铁路中得到普遍应用，在炼钢中普遍使用电弧，这些技术的应用在提高生产力的同时给电网带来了很大的负面效应，使得电网中有大量的谐波存在。谐波不但对电力设备、电力用户和通信线路构成了危害，而且，还会影响到正常的电力电能计量。因此，对谐波下电能计量方法的研究是非常有必要的。由于、自身水平有限，文中提出的谐波电能计量算法在实际应用中还存在一定缺陷，期待共同探讨改进。
　　
　　参考文献：
　　[1]刘成民．无源滤波器组的综合优化设计．电网技术，1997，(11)：31～34
　　[2]胡广书著.数字信号处理[M].清华大学出版社,1997.
　　[3]梁春贤，冯丽．用MATLAB对电网谐波信号检测及谐波补偿进行仿真．电测与仪表，2002，39(5)：38～41
　　[4]Y.Baghzouz，Owen T.Tan．Harmonic Analysis of Induction Watthour Meter Performance.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1985，104(2)：614～618
　　[5] GB//T14549-93电能质量公用电网谐波[S].
　　[6]潘云江，赵书强，陈斌发等．电力系统不对称谐波潮流的一种实用计算方法．电力系统自动化，2000，24(9)：29～32
　　[7]张鹏．谐波对感应式电能表计量影响分析及控制对策的研究[J]．仪器仪表用户，2004．
　　[8]张存礼．谐波对感应式电能表的影响[J]．电气时代，2005．
　　

　　摘要：电能是国民经济与人民生活的主要能源，电能计量涉及发电、供电与用电三方的经济利益。在市场经济条件下，提高电能计量的正确性尤为重要。文章分析了电力系统电能计量的重要性，介绍了相关电力系统中电能计量方法，并重点对谐波电能计量算法进行了研究。
　　关键词：电能、计量方法、谐波、傅立叶级数
　　
　　
　　前 言
　　随着我国经济的蓬勃发展，城市结构和功能的不断完善，给排水工程规划已成为城市规划中不可或缺的组成部分，然而依据《城市规划编制办法实施细则》以下简称“细则”编制城市给排水工程规划，有些细则要求是很难规划合理的，下面择其一二，与大家共同探讨。
　　
　　1. 给水工程规划的问题
　　1.1 合理选择城市的给水水源是给水工程规划中首先要解决的问题。按常规，必须掌握现有的水源情况，然后以现状为基础，再科学地预测未来，但事实上以现状水源预测若干年后的变化却是十分困难的。尽管国家三令五申要保护水资源，治理水环境，甚至严令建造污水处理厂以确保水体恢复生机，但具体到各级地方政府，也许由于经济及其它种种原因的制约，往往执行的力度很小，而且很多城市根本就没有完善的污水收集系统，工业废水和生活污水均直接排入水体。因此，在我国目前国情形势下，一般认为水体的环境在可预见的未来是不可能好转的，规划新的给水水源只能跨地区、跨流域去落实。或者就在现状水源中取水经过预处理和深度处理，使出水水质达到饮用标准，但这种做法同样需要付出很大的投资和昂贵的运营费用。然而上述两种规划思想虽然都可以解决水源问题，但如果若干年后，本地区的水环境有显著改善，岂不造成难以挽回的损失。)
　　1.2 细则中要求在规划中确定“取水方式”、“净水方案”和“水源井位置”，笔者认为值得商榷。因为要确定这几项要求，就必须收集工程地质、水文地质、水文分析、水质化验、勘察测量等大量基础资料，并进行技术经济分析比较，而这些恰恰是工程可行性研究和设计方案阶段的内容。另外，细则中要求工程规划的图纸中，除标出管道位置和走向外还要给出“管径”。但由于在总体规划阶段，很多因素是处于变化之中的，因此要给出比较正确的管径是比较难的，但为了不违反规范，而委托方又认为越细越好，有的规划人员就根据总体规划中界定的不同性质用地估算出管道的沿线用水量，进行流量分配和管网平差。这样求出的管径到底有多准确，就不得而知了，有时有可能还起到误导作用。
　　1.3 确定自来水厂的出厂水压通常是根据城市最不利点和所需的自由水头进行管网平差决定。但现状是多层建筑普遍设置屋顶水箱进行昼夜用水调节，这种模式可以调节自来水厂的昼夜负荷变化，在较低水压情况下就可以满足居民用水的压力要求。但是屋顶水箱供水方式存在着明显的弊端，首先在总体投资上并不经济，而且有碍观瞻，其次是维护管理不便；更令人担心的是水质得不到保证，易造成二次污染。衡量利弊得失，显然是提高市政管网压力直接供水（废除水箱）为好。但水厂不希望提高出厂水压，认为水压控制在0.35-0.45MPa最为经济。另外，许多城市管道敷设年代已久，如果提高管网内压，易造成爆管事故。有鉴于此，在给水工程规划中，特别是近期规划，究竟是维持屋顶水箱的供水模式还是取消屋顶水箱由市政管网直接供水也是城市供水的诸多热点之一。
　　
　　2.关于浇洒道路、绿地、市政用水、管网漏失水量及不可预测用水量估算的问题
　　《中华人民共和国国家标准城市给水工程规划规范》中,人均综合生活用水量指标不包括浇洒道路、绿地、市政用水和管网漏失水量。在给水规划中, 这部分用水量一般取值为15%～25%,但如果考虑到中水回用到冲厕、浇洒道路、绿地、市政用水等方面, 上述用水量可以降低很多。在广州,凡是超过5 万m2 建筑面积的小区,就必须上中水项目,这就是一个很好节约水资源的办法。用一个20 万m2 建筑面积的小区举例,人口在5000人左右,按平均每天0.2T/d 的用水量,总需水量为1000T/d,排水量为850T/d(按0.85 系数),如果将850T 污水全部或一部分处理为中水,用于洒道路、绿地、景观用水、冲厕的话,每天就可以节约大约几百吨的水资源。这是一个很可观的数量, 现在江门水费已到2.5元/吨以上,而中水处理费用在1元/吨左右,推广中水回用是一个控制用水量非常有效的办法。在城市给水规划中,关于浇洒道路、绿地、市政用水、管网漏失水量及不可预测用水量估算的问题,应结合这一行之有效的办法, 合理降低规划用水量。就目前江门的实际情况来讲, 推广中水回用有几个客观影响因素, 其中最突出的就是中水水质如何保鲜、清洁和收费过低。中水水质是一个技术层的问题, 现在有一种保鲜的技术,在污泥池中用火山灰培育细菌,将培育的细菌循环到原水中,处理完后的水可以保鲜一个月都没问题。而收费则是政策范围,如果政府在这方面扶持的话,特别要对小区物业管理政策放开, 可以考虑在中水项目上实行灵活的模式, 发展壮大一批的中水处理、运行企业通过市场的行为节约水资源。所以在城市给水规划、设计计算时,设计部门应综合考虑中水回用, 降低用水需求, 规划局、自来水公司在审批时严格把关, 控制用水量。
　　
　　3.工业用水重复利用率的问题
　　工业用水在整个的城市用水量中所占的比重比较大。工业给水系统中的重复利用,不仅是解决城市水资源缺乏的一种措施,还可以提高环境效益,减少使城市水体污染的废水量。工业用水的重复利用率是节约城市用水的重要指标。在国家的一些工业开发区中,特别是南方城市,水资源充沛, 自来水价格低,人们没有危机意识, 工业用水重复利用率很低，远没达到国家的总体水平50%～60%,更不用和工业发达的国家相比了。《中华人民共和国国家标准城市给水工程规划规范》中,工业用地的用水量采用土地估算法。如果结合工业用水重复利用率,工业土地规划用水量就会降低很多。要提高工业用水重复利用率, 政府就加强立法,统一制定有关节约用水的法律、法令和条例规定等,建立相应的节水技术法规体系。随节水工作的深入发展, 原有技术法规在数量和技术上已日显不足,为此须从我国国情、城市与工业行业实际情况和节水实践经验出发, 制定一系列有关节水的技术法规体系,包括标准、规范、规程、方法、指标、规定等,使之与节约用水的有关法律、法令和条例等配套实施,以便将节水工作纳入科学化、制度化的轨道。其中至少应包括: 循环用水和冷却塔使用管理规定;城市与工业废水回用规定;冷却塔、循环冷却水系统及废水回用(包括中水回用)系统水质指标。
　　
　　4. 关于城市给水规划、设计应结合实际的问题
　　城市给水系统的布置,应密切配合城市和开发区的建设规划,作到通盘考虑分期建设,既能及时供应生产、生活和消防用水,又能适应今后的发展的需要。重视城市规划法,完善城市功能分区,将各功能分区作细、做详,合理布置管线,预留好城市和开发区未来的发展空间。规划、市政等设计院在规划设计时应充分结合当地的实际情况,承上启下,搞出合理的规划、设计方案。控制性规划应结合总体规划,市政道路、给水工程设计应结合控制性规划, 小区或园区建设应结合市政道路、给水工程设计成果,合理布置管线,包括管径和埋深。在基础设施投资建设的同时, 供水部门应密切配合施工,该预留的部位一定要预留,没有预留的采用顶管施工,尽量不要破坏原有的道路。目前全国各大城市中,“开膛剖肚”的工程比较多,这当然也有政府各部门衔接的问题,最为主要的还是城市给水规划、设计水平问题低下,没有结合实际状况,合理定位,合理规划设计。规划设计方案没有实际意义, 施工单位只有进行图纸变更,加上一些政府部门没有高标准、高起点邀请规划设计部门来做方案,或者是请不同的规划设计部门来做,中间没有衔接好,出现漏洞很多,虽然后来的方案很好,但脱离了实际情况,在实际施工时只能拆东墙补西墙,哪里有问题哪里解决。
　　参考文献：
　　［1］中华人民共和国国家标准城市给水工程规划规范[S].北京:中国计划出版社.
　　［2］给水排水工程标准规划应用手册[S].北京: 中国计划出版社.
　　［3］室外给水工程规范[S].北京:中国建筑工业出版社.
　　［4］GB50014-2006,室外给水设计规范[S].北京: 中国计划出版社.
　　

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