电力系统之常见基础概念

一、电力基础

1.电压

也称作电势差或电位差，是衡量单位电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。其大小等于单位正电荷因受电场力作用从A点移动到B点所做的功，电压的方向规定为从高电位指向低电位。其单位为伏特(V，简称伏)，常用单位还有千伏(kV)、毫伏(mV)、微伏(μV)。

2.电流

导体中的自由电荷在电场力的作用下做有规则的定向运动就形成了电流。其单位为安培(A，简称安)，常用单位还有千安(kA)、毫安(mA)、微安(μA)。

3.电功率

电流在单位时间内做的功叫做电功率。电功率是用来表示消耗电能快慢的物理量，它的单位为瓦特(W，简称瓦)。在交流电路中，由电源供给负载的电功率有两种，即有功功率和无功功率。

4.有功功率

在交流电路中，电源在一个周期内发出瞬时功率的平均值(或负载电阻所消耗的功率)，称为有功功率，单位有瓦(W)、千瓦(kW)、兆瓦(MW)。

5.无功功率

无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场交换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。由于它不对外做功，所以被称为“无功”，单位为乏(Var)或千乏(kVar)。

请注意：

无功功率不是无用功率，它的用处很大。电动机需要建立和维持旋转磁场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次绕组产生磁场，在二次绕组中感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压器也不能变压，交流接触器也不会吸合。

6.视在功率

在交流电路中，电压与电流的乘积称为视在功率，通常以视在功率表示变压器等设备的容量，其单位为伏安(VA)和千伏安(kVA)。

7.功率因素

在交流电路中，电压与电流之间相位差的余弦叫做功率因数，数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值。

8.频率

频率是指每秒交流电重复变化的次数，单位是赫兹，简称赫(Hz)，常用的频率单位有干赫(kHz)、兆赫(MHz)等。

9.电能

是表示电流做多少功的物理量，常用单位有千瓦时(kWh)、焦耳(J)，它们的关系是：

$$1kWh=3.6x10^{6}J$$

通常，生活当中 1kWh 称为 1度电。

二、能源物联网

1.APN拨号

全称: Access Point Name (APN)

用途: APN用于移动网络中，用来连接到互联网或特定的网络服务。移动设备通过APN配置连接到运营商的网络，APN通常用于配置设备如何访问网络和服务。

工作原理: 设备通过APN拨号连接到运营商的网关（如GGSN、PGW等），进而访问互联网或特定的服务。

应用场景: 常用于手机、平板电脑等移动设备的网络配置。

2.VPDN

全称: Virtual Private Dial Network

用途: VPDN是一种用于在公共网络上建立虚拟专用网络（VPN）连接的技术。它允许用户通过公共网络（如互联网）安全地连接到企业内部网络。

工作原理: 用户通过拨号连接到服务提供商的网络，服务提供商会将用户的流量导向到企业网络，实现安全访问。VPDN可以使用各种技术，如PPTP、L2TP等。

应用场景: 常用于远程访问企业网络，提供安全的连接方式。

3.GRE隧道

用于创建虚拟隧道，将网络流量封装在一个协议中进行传输，以便在两个网络之间传输数据。这通常用于构建VPN或实现网络拓扑的灵活性。GRE隧道通常在企业或网络设备中配置，以实现更复杂的网络连接或建立VPN。

三、虚拟电厂

1.虚拟电厂

虚拟电厂凭借能源互联网技术，将闲散在终端用户的充电桩、空调、分布式光伏等电力负荷资源聚合起来并加以优虚化控制，相当于一个“云端电厂”，是“互联网+源网荷储”一体化的数字化能源管理系统。

2.智慧能源单元（负控单元）

用于实现对空调的控开关、软停机和柔性调节控制。

3.空调智能控制器

用于实现对空调多品牌、多类型的快速接入。

4.资源分类

虚拟电厂的资源按其物理特性分类，应该是分布式电源、储能、可调负荷三类。

四、常见协议

1.DL/T645-2007协议

电力专用协议，多功能电能表与数据终端设备进行数据交换时的物理连接和协议。

2.DL/T645-1997协议

电力专用协议，多功能电能表与数据终端设备进行数据交换时的物理连接和协议。

3.Modbus

下属分为ModbusRTU、ModbusTCP、ModbusASCII，应用于边缘网关，使用 RS-232 或 RS-485 串行接口进行通信。

4.BACnet

针对采暖、通风、空调、制冷控制设备所设计的，同时也为其他楼宇控制系统（例如照明、安保、消防等系统）的集成提供一个基本原则。

五、电压的等级划分

在架空电力线路中，额定电压是根据输送功率的大小及输送的距离来确定的。一般来说，电压越高，输送的功率越大，输送的距离越远。

例如：

• 35kV架空电力线路，输送距离在50km左右时，一般输送功率为1万-2万kw;
• 110kV线路，输送距离为100km左右时，输送功率3万-6万kW；
• 220kV线路，输送距离为200~300km时，可输送功率20万-25万kW。

一般习惯上划分如下:

• 220/380V为低压；
• 3、6、10、20kV称为中压；
• 35、110、220kV称为高压；
• 330、500、750kV称为超高压；
• 1000kV称为特高压。

电力系统电压等级（kV）常见划分，如下：

• 低压 (400V)：常用于家庭和小型商业设施，一般为单相或三相供电。400V是低压配电系统的标准电压。
• 中压 (10kV、35kV)：主要用于地区级的电力传输和配电，适用于工业、商业区域或较大规模的建筑群。10kV和35kV是常见的中压电力线路。
• 高压 (110kV)：用于长距离电力传输和大范围区域的供电。110kV属于中高压的过渡等级，主要用于电力传输网的骨干线路。

六、电能计量

电是商品，是电力企业的产品。电能不便大量的存储，其发电、输电、用电必须同时进行，具有一定的特殊性。作为商品，其交易过程必须做到计量准确、买卖公平。

1.电能计量原因

从发电厂发出电能开始到用户使用为止，中间要经过多级输电线路和配电装置。为了计量在产、供、销各个环节中流通的电能数量，使经济核算更准确、生产调度更合理，线路中装设了大量的电能计量装置，用于计量发电量、厂用电量、供电量和销售电量、线损电量等。

电能计量装置相当于电力企业的一杆秤，这杆秤准确与否，不仅关系到电力企业投资者、经营者的经济利益，同时也关系到每一个使用者的利益。

2.电能计量装置组成

一般我们把电能表、与电能表配合使用的互感器以及互感器到电能表之间的二次回路。统称为电能计量装置。
$$计量装置=电能表+互感器+二次回路$$
电能表俗称电度表，是电能计量装置的核心部分，其作用是计量负载消耗的或电源发出的电能。电能在我们日常生活中，常被叫做电量。

互感器是将电网一次侧的高电压和大电流转化为二次侧的低电压和小电流的计量设备。它是一次系统和二次系统的联络单元。

二次回路是指互感器的二次线圈、电能表的线圈以及连接二者的导线所构成的回路。

3.电能计量的各设备详解

3.1 互感器（Current Transformer, CT / Voltage Transformer, VT）

• 定义：互感器是一种将高电压（或高电流）信号转换为低电压（或低电流）信号的设备，以便安全、准确地进行电力测量。
• 作用：电流互感器（CT）：将高电流信号按一定比例缩小，并转换为可安全测量的低电流信号。CT 通常用于电流的测量和保护。
  • 电压互感器（VT）：将高电压信号转换为低电压信号，便于电能表和其他测量仪器进行测量。VT 用于电压的测量。
• 工作原理：互感器通过电磁感应原理工作，能够在电力系统中提供准确的电流或电压信号供电能表使用。

3.2 电能表（Electric Meter）

• 定义：电能表是用来测量和记录电能消耗量的设备，常见的有机械式电能表和电子式电能表。
• 作用：电能表根据互感器提供的低电压或低电流信号计算电力（包括有功功率、无功功率等）并记录数据。常见的电能表有：单相电能表：通常用于家庭和小型商用电力计量。
  • 三相电能表：用于工业或大型商用电力计量，能同时测量三个相的电流和电压。
• 测量方式：电能表通过内部电路对电流、电压进行采样和计算，最终得出电能消耗的数据，并通过显示屏或通信模块将数据输出。

3.3 二次回路（Secondary Circuit）

• 定义：二次回路是指连接互感器和电能表之间的低电压或低电流回路，它负责将互感器输出的电流和电压信号传输到电能表。
• 作用：信号传输：二次回路将互感器产生的低电流或低电压信号传递给电能表，使电能表能够读取测量数据。
  • 保护功能：二次回路通常包括保护装置，避免高电压或电流直接影响到电能表的测量和精度。
• 结构：二次回路一般由电缆、连接端子和保护装置组成，保证信号传输的稳定性和安全性。

3.4 电力计量装置的工作流程

电力计量装置的工作流程：

• 步骤 1：互感器：电力系统中的高电流或高电压通过互感器（CT/VT）转换成低电压/低电流信号。
• 步骤 2：二次回路：低电压/电流信号通过二次回路传输到电能表。
• 步骤 3：电能表：电能表对接收到的信号进行计算，得出电能消耗量（通常是有功电能或无功电能），并记录数据。

3.5 总结

电力计量装置是通过互感器、二次回路和电能表这三部分协同工作来完成电力计量任务的：

• 互感器 提供了高电压或高电流信号的安全转换；
• 电能表 负责计算并记录电能消耗；
• 二次回路 确保信号安全稳定地从互感器传递到电能表。

这种装置在电力监控、计费、故障检测和电能管理等方面都起到了至关重要的作用。

4.互感器比对值

互感器比对值，通常指的是互感器的额定比值（或者叫标称比值），它是互感器在工作时，将一次侧的电流或电压转换为二次侧信号的比例关系。这个比值非常重要，因为它直接影响到电力计量和保护装置的精确度。

4.1 互感器比对值的定义：

• 电流互感器（CT）的比对值：即一次侧电流与二次侧电流之间的比例。通常用“额定比值”表示，常见的比值为 100/5，这意味着一次侧电流为 100 安培时，二次侧电流为 5 安培。
• 电压互感器（VT）的比对值：即一次侧电压与二次侧电压之间的比例。例如，常见的比值可能是 10kV/100V，这意味着一次侧电压为 10 千伏时，二次侧电压为 100 伏。

4.2 互感器比对值的计算公式：

• 电流互感器（CT）：

$$比值=\frac{一次侧电流}{二次侧电流}$$

例如，如果电流互感器的额定比值是 100/5，则意味着每 100 安培的电流，电流互感器输出 5 安培的信号。

• 电压互感器（VT）：
  $$比值=\frac{一次侧电压}{二次侧电压}$$

如果电压互感器的比值是 10kV/100V，则意味着每 10 千伏的电压，电压互感器输出 100 伏的信号。

4.3 互感器比对值的选择与影响：

电流互感器（CT）比值的选择：

• 电流互感器的比值通常是根据负载电流来选择的。在电力计量和保护系统中，互感器的比值需要与实际电流匹配，以确保测量结果的精确性。
• 比值过大或过小都会导致测量误差。例如，电流比值过小可能导致二次电流过大，增加设备的负荷；比值过大可能导致二次电流过小，影响测量精度。

电压互感器（VT）比值的选择：

• 电压互感器的比值通常依据一次侧电压的额定值来设定。选择不当会导致二次侧电压无法准确反映一次侧电压，进而影响测量和保护系统的正常工作。
• 一般来说，电压互感器的额定比值会根据电力系统的工作电压等级来选择。

4.4. 比对值校验和误差：

互感器在工作时，可能由于多种因素（如温度变化、负载变化等）导致其实际比值发生偏差。这时，需要定期进行校验，以确保计量的准确性和设备的正常运行。

• 电流互感器（CT）误差：一般在实际使用中，CT 的误差会有一个误差范围，通常是 0.5 或 1 类误差，指的是它与理想比值之间的偏差。
• 电压互感器（VT）误差：电压互感器的误差通常较小，但也需要校验，以确保其输出信号的准确性。

4.5. 常见互感器比值示例：

• 电流互感器（CT）：100/5、200/5、300/5、500/5 等。这些是常见的电流互感器比值，表示每 100、200、300 或 500 安培的电流，互感器输出 5 安培的信号。
• 电压互感器（VT）：10kV/100V、11kV/110V、220V/220V 等，这些常见的比值表示不同电压等级的转换比例。

4.6.总结

• 互感器比对值是互感器（CT、VT）输出与输入之间的比例关系，用于保证电力计量和保护设备的精确性。
• 选择合适的比值对于电力系统的正常运行至关重要，过大或过小的比值都会影响测量的准确性，进而影响电能计量和设备的保护。
• 需要定期校验互感器的比值，确保其符合标准，以防误差积累导致设备损坏或计量不准。

总之，互感器比对值的准确性是电力系统中测量、保护和控制系统精度的关键因素之一。

5.采集精度

在电力系统中，精度等级表示测量误差的上限，数值越小，精度越高。例如：

• 1.0级精度表示误差在±1%的范围内，这在电力计量领域属于较高精度，通常用于有功功率的计量。
• 2.0级精度表示误差在±2%的范围内，相对较低，适用于无功功率等对精度要求不那么高的测量。

因此，将有功功率标为1.0级、无功功率标为2.0级是合理的说法，这样的描述符合电力设备的通用精度等级标准。