基于电能表谐波影响量试验的研究

基于电能表谐波影响量试验的研究

石振刚史轮冯波马红明耿建坡任鹏徐建云

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院石家庄050021；2.郑州三晖电气股份有限公司郑州450016）

摘要：由于电网中谐波的存在，使得电能计量变得不准确，给各个用电单位和行业带来很大的损失。本文针对谐波对智能电能表计量的影响做了深入的研究与分析，提出产生谐波及在所产生谐波的环境下对电能表影响量的考察，通过试验，产生的各部分谐波含量符合满足国标GB/T17215.321-2008（12级静止式有功电能表）对电流直流偶次谐波、次谐波、奇次谐波的波形要求，创造了在谐波条件下试验电能表的模拟环境，也说明了本文研究的技术方案对提高电能计量做出了重要贡献。

关键词：电能表；谐波；影响量；检测；试验

0前言

近几年，随着电子技术的快速发展，智能电能表成为了我国智能电网建设的重要组成部分[1-3]。电能计量是电网经济核算的依据，电能的计量精度直接关系到电力供需双方的经济效益和社会效益。由于电力电网中存在大量的谐波，不仅影响到电网的安全经济稳定运行，同时在谐波存在的情况下，给电能表计量引入了附加误差[4]。谐波对电能表计量的影响非常严重，直接影响电能计量的精度，给电力计量部门、用电公司带来很大的损失，本文提出了在谐波环境下对电能表的计量，能够评估谐波对电能计量的误差，提高了电能计量的技术水平。

1谐波的产生分析

谐波是与工频频率不同的波形，比如正弦波施加电压于诸如UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等的非线性负载、基波电流发生畸变也能够产生谐波。

谐波的主要来源有：发电源质量不高产生谐波、输配电系统产生谐波、用电设备产生谐波等，在电力系统设备中，发电设备和用电设备也是产生谐波的主要来源。谐波无处不在，很难做到彻底的避免，通常在谐波源及电子电器装置中，通常在电子电器装置上装设有谐波补偿的设备来补偿装置带来的谐波，但这种方法也存在弊端，其补偿特性受控于电网阻抗以及其运行状态的干扰，容易与装置一起产生并联谐振，使谐波进一步放大。市场上现有技术中还采用无功补偿的方法来避免谐波带来的危害，通常的这种方法通过发电机发电，电力然后经过长距离传输，这种方法也很难实施。电能质量的好坏，对工业产品、电子产品的质量以及电能表质量的评价等起着举足轻重的作用，威胁电网的正常运行，对于关系到国际民生的电能质量的衡量，尤其是在电能表谐波下，谐波对电能表影响量有多大也是我们研究的重要课题，只有正确地衡量谐波对电能表的影响量，才能正确地对待谐波的影响，采取避免谐波或者减少谐波对电能的影响。

2谐波产生及谐波影响量试验

在本文中，将谐波影响量试验装置能够分别产生电压电流回路高次谐波、电流回路直流和偶次谐波、奇次谐波、次谐波四种不同的谐波，通过这四种不同谐波类型环境下，分析谐波对电能表计量的影响，其原理图如图1所示。

2.1电压电流回路高次谐波

电压电流回路的高次谐波由程控电源产生,计算机将需要的谐波次数,谐波含量,谐波相位等参数发送给程控电源,程控电源计算出全波波形经功率放大后输出给被检表和标准表,误差计算器对标准表脉冲和被检表脉冲进行比对计算出此种谐波下被检表的误差。在计算机的控制下程控电源可产生多种高次谐波组合进行误差校验,也可与纯基波误差进行比对计算高次谐波误差影响。

2.2电流回路直流谐波

开始试验，命令程控电源升电压，提升电压完成后，命令功耗模块进入电压测试状态，命令表位电压继电器断开，延时等待被检表背景灯熄灭，然后读取被检表电压回路功耗值并记录，开始连续与被检表用通讯模块通讯，读取被检表电压回路功耗值并记录，停止与被检智能电能表通讯，命令程控电源降电压，命令表位电压继电器复位，命令功耗模块退出电压测试状态，检测完毕。

图1谐波影响量试验原理图

2.3直流谐波试验和偶次谐波试验

直流和偶次谐波试验时,由于标准表电流检测回路直接接入偶次谐波电流时存在较大误差,故将标准表接入全波电流,此时K2闭合,K1K3断开,在电子开关1和电子开关2的控制下电流源电流的正半周流经被检电能表,负半周流经匹配电阻回路,在K2处会合正负半周均经标准电能表回流至电流源。由于程控电流源的瞬态响应问题,当被检表回路和匹配回路电阻不均衡时会引起被检表回路和匹配回路电流不相等,引起系统误差,这里设置自动匹配电路(直流偶次谐波自动匹配仪),自动匹配箱内部在两路电路回路上设置电流取样电阻,在匹配回路设置可变电阻,自动匹配控制电路根据两路取样电阻上的电流大小调节可变电阻使两路电流相等,从而消除因匹配引起的系统误差。偶次谐波校验时误差计算器将被检表常数设置为标称值的1/2,通过对标准表脉冲和被检表脉冲进行比对计算出直流偶次谐波下被检表的误差,此误差与相同电流下全波误差进行比对可得出直流偶次谐波误差影响量。直流和偶次谐波试验流程如下:

图2直流和偶次谐波试验流程图

2.4奇次谐波试验

奇次谐波试验时,将标准表电流检测回路也接入奇次谐波电流,此时K3闭合,K1K2断开,在电子开关1和电子开关2的控制下,每周期电流的前1/4周期和第三个1/4周期流经匹配回路,第二个1/4周期和第四个1/4周期流经被检表和标准表回路。误差计算器通过对标准表脉冲和被检表脉冲进行比对计算出奇次谐波下被检表的误差,此误差与相同电流下全波误差进行比对可得出奇次谐波误差影响量。

奇次谐波试验流程如下:

图3奇次谐波试验试验流程图

2.5次谐波试验

次谐波试验时,将标准表电流检测回路也接入次谐波电流,此时K3闭合,K1K2断开,在电子开关1和电子开关2的控制下,每四个周期电流的前两个周期流经匹配回路,后两个周期流经被检表和标准表回路。误差计算器通过对标准表脉冲和被检表脉冲进行比对计算出次谐波下被检表的误差,此误差与相同电流下全波误差进行比对可得出次谐波误差影响量。

次谐波试验流程如下:

图4次谐波试验流程图

实验结果与分析

在试验过程中，系统装置电压波形失真度为0.3%，电流波形失真度为0.2%，功率稳定度为0.04%/120s，频率输出范围为45Hz-65Hz，电压输出调节范围为0-120%，电流输出调节范围为0-120%，频率调节细度0.01Hz，通过试验得出以下数据：在0-50HZ、50-100KZ、100-150KZ的范围内，直流谐波的含量分别为83%、60%、8%，在37.5HZ、62.5HZ范围内，次谐波的含量为81.3%、59.0%，奇次谐波次数分别为3次、5次、7次、9次、11次、13次、15次的情况下，谐波含量分别为54.2%、19.5%、17.3%、13.2%、11.1%、8.1%、8.2%。满足国标GB/T17215.321-2008（12级静止式有功电能表）对电流直流偶次谐波，次谐波，奇次谐波波形的要求。

4结语

本文针对电能谐波产生的影响及危害，提出谐波对电能计量的影响量问题，通过试验装置产生电压电流回路高次谐波、电流回路直流和偶次谐波、奇次谐波、次谐波四种不同的谐波，并在该环境下对电能表进行测试，通过检测，电能表电压回路、电流回路的功率消耗检测精度高、性能稳定，功耗测试中，电压输出设置了4个不同的挡位，电压波形失真度≤0.5%；电流输出设置了15个不同的挡位，电流波形失真度≤0.5%。电能质量受谐波的影响量较小，该技术方案已在河北省各地市、县公司进行推广，具有很好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]孙卫明，赵伟.谐波和间谐波对全电能计量准确度的影响[J].电测与仪表，2011，48（549）：49-52.

[2]梁双林.低压电表测试平台研究与载波性能综合评估[D].华北电力大学，2013.

[3]刘继军.国内电力载波通信芯片技术及市场[J].电器工业，2010（12）：67-71.

[4]陈丹英，方杰，王榕模.电能表计量性能试验影响量试验装置的实现[J].质量技术监督研究,2012(2):35-39.

作者简介

史轮（1972—），男，石家庄，高级工程师，研究方向：从事电力计量方面的研究。