摘要：电工仪器仪表广泛应用于电能量采集与管理、电能质量测量与分析、谐波测量、无功功率测量与补偿以及自动抄表系统中。节约电能和控制电能质量是节能减排的一个重要方面，而电量及电能质量的测量技术是这些工作的基础。通过对电量及电能质量的测量、分析和管理，为能源的准确计量、公平交易和质量控制提供可靠的技术支撑。本文着重论述有关电能量测量、电能质量测量分析、谐波测量、无功功率测量和自动抄表系统等技术进展及其在节能减排工作中的作用。
关键词：仪器仪表；电工；节能减排；电能质量
一、 引言
无论是在我国，还是全球，电力工业在整个能源供应中所占的比例都是很高的，大部分工业、商业和民用的能源主要依靠电能供应，预计到2050年，我国能源需求发电装机为25 亿kW 至 30 亿 kW 。近年来，随着世界各国对能源和环境问题的高度重视，特别是我国提出建设“资源节约型、环境友好型”社会，明确节能减排的要求，更加需要研究高效利用能源、节约能源的技术方法和措施。要实现这些目的，就必须对能源的主要组成部分——电力能源进行精确的测量、细致的分析，并提出相应有效的管理方法。电工仪器仪表技术领域重点研究开发电力系统及工业自动化测控系统的电磁参量测量,技术方法、仪器仪表和测试系统。为了达到节能减排的目的, 在电工仪器仪表的设计阶段,就应充分考虑其节能特性;另外,节约电能和控制电能质量是节能减排的一个重要方面,而在电力系统中,电能的损耗主要是由无功功率引起,电能质量则主要取决于谐波的含量, 因此开发谐波抑制和无功补偿装置对于节能减排具有重要意义。总之,在节能减排的工作中,电工仪器仪表正在发挥着非常重要的作用。在风能、太阳能等可再生资源的利用中,风力发电和光伏发电的工业化和并网紧密依靠着电工仪器仪表和测控技术。
二、 电工仪器仪表的节能设计
电工仪器仪表设计中, 充分利用新技术、新理论、新器件、新电路、新材料,综合考虑产品的结构、工艺、功能，使产品在使用过程中消耗能量最少。电工仪器仪表的节能设计应遵循以下原则。
1.选用低功耗传感器。
近年来,因为传感器发展,新型低功耗传感器不断问世。在选用传感器敏感元件时,应选择价格、性能符合使用设计要求的微功耗、低功耗传感器。
2.简化仪器功能。
多功能势必增加仪器硬、软件的复杂性, 增加电流消耗，降低产品的可靠性，所以不能片面追求多功能模式。在满足仪器必要功能的基础上, 尽量利用软件实现仪器的功能,简化硬件电路设计,是降低仪器功耗的有效方法。
3.设计低功耗电路,采用低功耗器件。
降低仪器功耗的主要设计原则是采用低功耗器件。设计中模拟数字电路可采用CMOS 器件,放大电路采用低(微)功耗运算放大器;并采用可编程器件FPGA从而取代分立元件,实现数字电路功能,降低电路功耗;显示可采用IXTD 显示器。
4.单电源、低电压供电。
单电源供电能够降低功耗，提升电源的使用效率。在单电源供电状态下, 应降低供电电压。大部分模拟电路电路正常工作的动态范围较广, 在允许牺牲电路增益时,降低电源电压可降低降低功耗。低电压供电对于减低器件电流消耗的作用十分明显。以低功耗集成运算放大器LM324 为例, 功耗约为15mW;当电源电压为15V 时,功耗约为220mW；其单电源电压工作范围为5-30V,当电源电压为5V 时,。
5.降低信息处理单元的时钟频率。
在权衡信息处理单元的运算速度后,选用较低的时钟频率可以降低电流消耗。因为仪器中的信息处理单元的功耗与振荡频率有关。此外, 睡眠方式可以减少仪器的工作时间,从而降低功耗。
三、电能量采集及电能质量测量分析
电能量采集和电能质量测量与分析是电工仪器仪表的一个重要构成部分，也是电力工业中发电、输电、配电环节电能交易计量和贸易结算的基础，同时还是电力需求侧管理的基本数据来源。目前电能量计量技术发展很快，技术水平主要表现在高准确度（0.1级）、高稳定性、高可靠性、长寿命（10 年-30 年）、宽量程（5A-120A）、低功耗。通过不断采用新技术和新器件，电能表的种类也日益增加，从电磁感应式电能表逐渐发展到电子式电能表，一直到采用 DSP 数字信号处理的多功能电能表。针对一些窃电现象，在电能表设计上考虑了各种反窃电措施和方法，最大限度地降低因技术手段进行窃电而造成的损失。
电能质量测量与分析是解决电力系统中各种谐波污染，提高供电电能质量的重要基础，其核心是谐波测量。电力系统中各种扰动引起的电能质量问题分为稳态和暂态两大类：稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷及噪声等；暂态电能质量问题则以频谱和持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态，表现为瞬时电压上升或下降，出现瞬时谐波、振荡。
目前国内外电能质量测量技术主要有 FFT 算法、基于 MALLAT 算法、小波包变换、连续小波变换、复小波变换、自适应小波和基于神经网络测量方法等。应用小波变换等快速、准确的测量方法和可靠的测量仪器对电能质量进行长期的监测，对检测出的扰动数据进行分类和分析，应用模糊-神经网络方法确定有效信息的传输、存储，找到影响电能质量的原因，采取相应的解决办法，消除谐波污染并提高功率因数。
影响电能质量的主要因素是各种非线性用电设备、变压器和各类铁心电抗器，可分为以下几类：
1.电力电子装置，特别是变频器，这是最严重的谐波源，一般用于电动机的变频调速，如电力机车、水泵、风机、中央空调、锅炉等，这些装置在整流、逆变、调压及变频可程中产生大量的谐波；
2.电弧炉，如炼钢用的交流电弧炉；
3.家用电器，如日光灯、电视机、空调、电冰箱等；4.有开关电源的设备，如计算机等。必须对这些设备进行电磁兼容性设计和检测，以符合国家标准的要求，减少和消除对电网的污染。
四、无功功率测量与无功补偿
长期以来，减少供电线损一直是电力部门努力的目标，在我国全面落实“十一五”规划中降低万元GDP能耗指标的前提下，最大可能地减少线损更为重要和迫切。国家电网公司和南方电网公司的在2006年损失电量分别为1169亿kWh和282亿kWh，足足吃掉 2个三峡电站的电力。这其中，10kV及以下电网占43.01%，而无功功率造成的不合理线损是我国电网节能降耗所面临的主要问题。
电网节能降耗的关键是全网无功优化运行，而全网无功真正优化运行的前提是无功补偿的优化配置，包括无功补偿配置点和补偿容量的优化，最理想的是无功需求点的就地、足额、动态补偿。这就要求采用高性能的实时无功功率测量和动态无功补偿设备，在产生无功功率的电力用户配置，同时考核用户实时功率因数，以 cosφ趋近 1.0 为目标，实现无功功率优化运行。动态无功补偿器和有源电力滤波器（APF）具有能够实现动态连续实时补偿的特点，不受电网元件的影响，在无功补偿、抑制谐波、提高电能质量等方面有很多优势，其性能的好坏决定于所采用的谐波及无功电流检测方法。如何快速、实时、准确地测量非线性负载电流中的谐波和无功电流，以得到补偿电流信号，是动态无功补偿器和有源电力滤波器的关键技术。三相电路谐波及无功电流检测的方法较多，最好的有基于三相电路瞬时无功功率理论的一系列检测算法，如 p-q 法和 ip-iq 法等。单相电路谐波及无功电流实时检测是将三相电路无功功率理论的思想扩展到单相电路，通过构造另外两相电路或对畸变电流进行 90°移相来实现。
五、结语
电工仪器仪表在工业和民用领域的应用都非常广泛,涉及工业生产、人身健康、财产安全、节约能源、环境保护等诸多方面。电工仪器仪表的技术进步为电力能源管理提供了至关重要的基础,不断发展和提高电工仪器仪表技术对提倡节能减排,建设资源节约型、环境友好型社会具有重要意义。
参考文献
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