温度影响条件下的关口电能表误差研究

2018年7月10日

第55卷第

Electrical Measurement & Instrumentation

电测与仪表

Vol.55 No. 13Jul. 10,2018

温度影响条件下的关口电能表误差研究

(南方电网科学研究院，广州510663)

摘要:文中选取温度作为影响量，研究了关口电能表关键元器件在温度影响条件下的变化特性和关口电能表误差 变化。通过对各关键元器件建立数学模型，搭建完整的关口电能表仿真模型。通过在采样电阻和计量芯片模型中 增加一个乘法因子，即考虑元件的温度系数，来模拟温度影响下的计量模型。针对电流互感器模型则采用对样本 数据进行拟合的方式得到相位差与温度之间的一个关系式。试验表明，关口电能表误差绝对值以参比温度为基 准，随温度变化量增大而逐渐增大。

关键词:关口电能表;温度影响;误差

中图分类号:TM933 文献标识码:B

文章编号:1001-1390(2018)13^0098^04

王吉，肖勇，张乐平，胡珊珊

Error research of gateway energy meter under the influence conditions

of temperature

Wang Ji, Xiao Yong, Zhang Leping, Hu Shanshan

Research Institute, CSG, Guangzhou 510663, China)(Electric Power Abstract： This paper selected the temperature as the influence quantity to discuss the variation characteristics of the key

components and the error change of the gateway energy meter. It also built a completesimulation model of gateway energy meter by establishing the mathematical model of the key components. By adding a multiplication factor in the sampling re­sistance and metering IC model, which is to consider the temperature coefficient of components, it can simulate the meas­urement model under the influence of temperature. Aiming at the current transformer model，a method of fitting the sample data is used to obtain a relationship between the phase error and the temperature. Laboratory tests showed that the absolute value of ihe meter eiror is based on reference temperature，which increases with lie increasing of temperature.

Keywords ： gateway energy meter, temperature influence, error

关口电能计量点是指发电公司（厂、站)与电网经营 企业之间、不同电网经营企业之间、电网经营企业与其 所属供电企业之间和不同供电企业之间的电量交换点， 以及供电企业内部用于经济技术指标分析、考核的电量

〇引言认。但由于关口电能表现场工作的环境与检定规程的 参比条件不同，电能表的实际误差与检定误差存在差 异。因此，确定环境对电能表误差的影响，对在现场环 境下开展电能表检定工作有重大意义。

文献[1 ]提出了电能表在现场在现场环境下的准

确度问题。文献[2]从工作电压、负载电流、功率因数 三个影响因素出发，X村fl械式、电子式和智能型三种单 相电能表的计量性能进行了研究分析。文献[3]研究 了功率因数降低对电能质量的影响。文献[4]研究了 多维条件对电能表计量性能的影响并建立了模型，重 点探究了湿度和气压及其与温度耦合的工况对电能表 计量性能的影响。

文中选取温度作为影响因素，搭建关口电能表关键 元器件的数学模型,并综合建立关口电能表误差变化模 型。最后，通过实验室模拟测试验证该模型的准确性。

计量点，简称“关口”。由于关口电量十分巨大，即使

0.1%的计量失准，也将影响巨大的结算电量，因此关口 电能表的龍准确性有着非常高的要求。

根据《计量法》的规定，关口电能表作为贸易结算 的工作计量器具，需经检定合格后才允许使用,检定证 书有效期一般为一年。但由于关口电能表需在工作现 场安装使用,不易频繁拆装，因此如何开展关口电能表 检定是一个亟待解决的问题。目前,在实际操作中，一 般按照国家能源局颁布的DI7T 448-2016《电能计量装 置技术管理规程》,采用现场检验的方式进行准确性确

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i

关口电能表计量原理

电能表所选用的器件中，对电能表计量性能产生较

环境温度作为一项重要影响量，给出了误差容许限值。

温度对电能表的性能会产生较大的影响，在不同 的温度下，电能表的性能，尤其是误差会有一定的变 化，这是由于电表各部件的温度特性决定的。温度对 模拟信号采样电路部分有很大的影响,该部分电路主 要由采样电阻、电流互感器、计量芯片等组成,而温度 X#采样电阻的阻值、电流互感器的比差和相位差以及

计量芯片的基准电压Fref都有不同程度的影响，进而影 响计量的精度。2.1 采样电阻

大影响的主要是采样电阻、电流互感器和计量芯片。电 网电压信号经过压敏保护后通过分压电阻和采样电阻 将信号输入到计量芯片内部进行处理，电流信号先经过 电流互感器而后通过采样电阻转化为电压信号,输人计 量芯片内部进行处理。如图1所示。

R^Rxll+axiT-T,)]

图1电能表采样通道结构图 Fig. 1 Energy meter sampling channel structure diagram电压电流的采样信号进人计量芯片后先通过高通 滤波器滤除直流分量，然后进行一定的相位校正后相 乘得到功率信号，然后进行能量的累加，所以计量芯片 对整个计量系统的精度及稳定性尤为关键。2

关口电能表元器件温度特性及数学模型

目前国际上主要的电能表标准有由国际法定计量 机构0ILM颁布的国际建议（IR46)[5]，由美国电气制 造业协会颁布的美国国家标准ANSI C12. 1-2014[6]，由 欧洲电气技术标准委员会颁布的欧洲标准-电力计量设 备部分EN 50470-2006[7],以及国际电工委员会IEC颁 布的IEC 62052-11《交流电测量设备通用要求、试验和试 验条件第11部分:测量设备》及IEC 62053-21《电流测 量设备特殊要求第21部分:静态电度表（1和2 级）》[8_9]。国家标准也有GB/T 17215.322-2008《静止式 有功电能表(〇. 2S级和0. 5S级》[1°]等。这些标准都对 影响电能表误差的各种影响因素进行了规定， 并制定了有关的测试或检定项目。在以上各标准中，均将

图2

根据电阻随温度的变化关系：

(1)

式中为标准阻值;《为温度系数;r。为与标准阻 值相对应的温度值,单位为K;r为实际温度值。

考虑到采样电阻温漂对电压采样的影响，在MAT- LAB/Simulink里自定义了一个阻值随温度变化的变电 阻模块，建立随温度变化而阻值变化的电阻模型，该模 型属于一种物理模型，输人量为温度71,输出量/?为相 应的电阻值,可用于电压采样通道，也可用于电流采样 通道。如图2所示。

SimscapeVariableR

一

T Variably R

R

考虑温度影响的电阻元件

influences

Fig. 2 Resistance component considering temperature 电压取样电路通过^ ~ r6对电压进行分压,r7 两侧的电压则是取样的电压小信号。温度影响下的电 压取样模型，如图3所示。

Fig. 3 Model of the voltage sampling circuit

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图3电压分压取样电路模型

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图3中的电阻会随输入温度的变化而变化，从而能 得到不同温度对电压取样的影响以及误差范围。将40 ^ ~70_ 丈的温度值以及对应的电压取样误差绘在一 张图中，可以看出在高、低温情况下，温度对电压采样的 误差影响较大，误差值在±0.5%左右，如图4所示。

Fig. 4 图Influence of temperature on error4

温度对误差的影响

2.2

电流互感器

一般电流互感器的设计使用温度为-40 T ~ + 80丈，相对湿度<90%，但在温度范围内互感器的 参数还是会有一定的变化的，因为互感器用于电流采 样通道中，所以会对整表的误差造成影响，以某一 〇. 2S 级电能表用的 SK-MCT008 型，1.5(6) A/5 mA，20 II 电流互感器为例，其在-40丈、20<1：、70丈温度下，额 定电流分别为5%/b、20%/b、100% 4、200%八和时 测得的比差、相位差如表1所示。表

Tab. 1 1电流互感器在不同温度点下的比差、相位差值

transformer at different temperatures

Ratio error and phase difference of current

温度/丈

额定电流

5%420% 4loo% 4200%/b^max比差值

0.0020.001-0.002-0.003-0.012-40

（％)

相

位

差

（'）

2.732.381.991.681.25比差值

0.0020.002-0.003-0.004-0.01220

(％)

相

位

差

（'）

3.232.962.422.011.62)

0.0030.002-0.003-0.006-0.01270

比差值

(％相位差

（'）

4.23

3.46

2.85

2.48

1.98

由表i可以看出，低温和高温下互感器的比差变 化较小，几乎可以忽略不计，而相位差受温度的影响相 对较大。由此可画出不同温度下相位差随电流变化的

曲线图，如图5所示。

从图5中可以看出，在小电流时，相位差变化更明 显。因此，在电流取样模型中，只考虑了温度对相位差 的影响。

—100

—

4.5

图Fig. 5 Change curve of phase difference

5

相位差变化曲线

由于相位差受温度的影响没有一个通用的规定公

式，因此建模中采用对样本数据进行拟合的方式得到 相位差与温度之间的一个关系式，选用的数据为电流

为4时的试验数据，如表2所示。

Tab. 2 表Phase 2

Jdifference of b下不同温度对应的相位差值

Ih at different temperatures

m&/°c

-40-30-20-10010相位差

/n

1.992.062.12

2.182.232.36温度

20

3040506070相位差

/(')

2.42

2.51

2.56

2.68

2.72

2.85

利用上述数据，在MATLAB中拟合出一个关系式 如式(2)所示，其中r为温度。

T+ 2.226相位差 值=4.484 2 x 10-5 x 产 + 0.006 73 x

( 2)

该关系式是基于本次样本数撤行的拟合，不具备一 般典型性。将温度对相位差的影响加到互感器通用模型 中，即可得到温度影响下的电流取样模型，如图6所示。

r+fRMSj

Display

RMS

TO

V =150

_lil

ClockTo Workspace

R=6t

i?s=100 S7rLinearansformeranj

m

Product i

| Continuous |powergui

r

角差

温度影响角差模块

图6

电流取样电路模型

Fig. 6 Model of the current sampling circuit2.3

计量芯片

温度主要影响计量芯片的基准电压Frcf的温度系

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数[，进而影响到精度。基准电压U由本身的模拟特 性和数字补偿两部分构成，行业内主流的计量芯片如 矩泉的ATT70 x x和HT70 x x系列，其基准的典型值 为0.01%C/T：，最大值在0.015%C/T：以内，ADI 的 78 x x系列芯片，其基准的典型值为0.01%/T：，最大值为 0.05%C/T。为保证基准的精度，高等级的电能表一般 会在计量芯片外部接专用的基准芯片，其温度系数小

于 0.005%〇/^。

在计量芯片建模时，通过在电压电流相乘时需增 加一个乘法因子，即考虑计量芯片的温度系数，来模拟 温度影响下的计量芯片模型。

P = UxIx[l +/3x(T-T0)] (3)

式中C/为电压采样值;/为电流采样值;P为温度 3系数;为环境温度;凡为参比温度。温度影响下的关口电能表数学模型

由上述关口电能表元器件模型，可得温度影响下 的关口电能表计量模型，如图7所示。

图7温度影响下的关口电能量计量模型 Fig. 7 Model of the gateway energy meter under

the influence of temperature

电压经过电阻分压后得到一个电压小信号，电流 信号经过电流互感器和采样电阻后也得到一个电压小 信号，两个电压信号进入计量芯片内部的乘法器进行 功率计量，并考虑基准电压在温度影响下的变化会对 计量芯片产生影响，因此在乘法器上增加一个乘法因 子，可以得到不同温度影响下的功率值。通过该模型 能够得到不同温度下的功率值，并计算出参比条件下 的相对误差，如表3所示。将表3中的数据绘成柱状 图，如图8所示。

由表3和图8可以看出，在-40 ^ ~70 t温度范 围内，功率的最大误差为-〇. 31 % ,且误差绝对值由参 比温度向两端逐渐增大。

为验证该模型是否准确，在实验室借助高低温交 变湿热试验箱，实际模拟了 -40丈~70 T：下，某0.2S 级关口电能表在4、/max、5%/b，对应c〇S0分别为1. 0 和0.5L时的误差试验结果，测试数据如图9所示。

表3不同温度下的功率值及相对误差

Tab, 3 Power and relative error at different temperatures

温度/

t功率值/l〇-:

)

相对误差

（％)

-404.431-304.43429

-204.436-0

-104.4390

4.442

1 1rU

t4.A 4A4AA4

20(参比温度）

4.44730

4.450

AHC-U

i504.45560

4.457

29

图8不同温度下功率的相对误差值

Fig. 8 Power relative error at different temperatures

0.1

0.517/^

0.05

1.0//-0.517/

1.0//

1.0/5%/0.5IV

0.5/

-0.15

图9不同温度下电能表误差 Fig. 9 Energy meter error under the influence of temperature

由图9可以看出，不同负载情况下，关口电能表 误差变化趋势与模拟结果基本一致。当温度从23T

(下转第131页)

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作者简介：

电测与仪表

Vol.55 No_13Jul. 10,2018

Fu Yan, Huang Jinhai, Wu Qingfan, et al. Key technologies research based on multi-terminal MMC-HVDC protection[ J]. Power System Pro­tection and Control, 2016, 44(18) ： 133-139.

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国电机工程学报，2013, 33(21) : 63-70, 194.

Xue Yinglin, Xu Zheng. DC Fault ride-through mechanism and im­proved topology scheme of C-MMC [ J ]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(21)： 63-70, 194.

周廷冬（1989—），男，硕士研究生，从事电力电子变压 器保护与控制研究。

Email ： zhoutingdong502@ 163. com

徐永海（1966—），男，教授，博士生导师，从事电力电子技术，电能质量分 析与控制研究。Email: yonghaixu@ 263. net

收稿日期:2017*07~06;修回日期:2017-10-22

(田春雨编发）

(上接第101页)

慢慢升高时,误差变化量逐渐增加，到70丈时误差改变 量最大。当温度从23 T慢慢降低时，误差变化量也逐 渐增加，从图上看，在-40丈、0.51^、/_时误差改变量 最大，为-0.128%。由于电流互感器相位误差受温度 的影响相对较大，且电流越大，互感器的相位误差变化 率越大。因此在〇.517/_条件下，电能表误差曲线偏 离较大。小电流情况下可能出现变化，但误差绝对值仍 然遵循由参比温度向两端逐渐增大趋势。4结束语

通过对关口电能表在不同温度下的误差分析，得出 了关口电能表误差在不同温度下的变化趋势。建议在 电能计量装置建设规划中，考虑温度影响，尽量将关口 电能表安装在接近实验室参比温度的恒温环境,减少计量误差。

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作者简介：

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王吉（1987—），女，硕士研究生，工程师，主要研究方向 为智能电能表、计量与检定。

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丁黎，李莉，刘莉，等.不同工况下各类单相电能表计量性能研究

(I) : 1-5-

_ Email ： wangji@ csg. cn

肖勇（1978—），男，博士，教授级高级工程师，从事电能计量以及智能用 电等专业研究。Email: xiaoyong@ csg, cn

张乐平(1982—），男，硕士，高级工程师，从事电能计量、电能通信等技术 研究 〇 Email: minxie@ scut. edu. cn

胡珊珊（1982—)，女，本科，工程师，从事电能计量、计量检测技术研究。

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Yu Haibo, Liu Jia, Wang Ghunyu, et al. Impact of Power Factor on E- lectric Energy Metering[ J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2014, 51(11)： 9-12.

Email ： hushanshan@ csg. cn

收稿日期:2017-1040;修回日期:2017-12-25

(杜景飞编发）

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