避免電力諧波導(dǎo)致電子式電能表計(jì)量誤差的研究與設(shè)計(jì)

楊智勇

（國網(wǎng)四川省電力公司南充供電公司，四川 南充 637000）

諧波的頻率為基頻整數(shù)倍，其為一個(gè)周期電氣量的正弦分量，非線性負(fù)載大量應(yīng)用是電力諧波產(chǎn)生的原因，諧波對計(jì)量儀表、通訊設(shè)備、測量儀器、輸電設(shè)備等均會產(chǎn)生影響，降低了電能質(zhì)量。電力系統(tǒng)收費(fèi)的依據(jù)就是電能計(jì)量，因傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表壽命長、成本低廉、便于維修、易于調(diào)整、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單，一直以來被供電部門所使用。但是，感應(yīng)式電能表雖然具有自身優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)電網(wǎng)電流和電壓波形發(fā)生畸變時(shí)，伴隨不斷增大的高次諧波，其測量誤差也逐漸增大，這就給電能的正確測量帶來干擾，對供電部門和用電用戶的利益帶來不良影響。因此，本文對電子式電能表進(jìn)行介紹。隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，微電子技術(shù)獲得長足發(fā)展。在電力系統(tǒng)電能量計(jì)量等方面，電子式電能表的應(yīng)用越來越廣泛。目前，就設(shè)計(jì)層面而言，大多數(shù)電子式電能表未有效解決測量電能方面電力非線性用戶諧波功率所產(chǎn)生的不良影響。要解決該問題，應(yīng)從電子式電能表計(jì)量核心模塊的工作原理著手，對電網(wǎng)有功功率的測算進(jìn)行分析，比較諧波功率方向與電網(wǎng)電能理論算法對計(jì)算總功率的影響，從而提出避免電力諧波對功率計(jì)量誤差影響的設(shè)計(jì)新方法。

一、電子式電能表結(jié)構(gòu)及其計(jì)量原理

基于微電子電路的電子式電能表的作用就是完成計(jì)量，為使電能值正確地反映、顯示出被測的電流與電壓，通常情況下，直流電源、計(jì)數(shù)顯示控制電路、P/f變換器、乘法器、輸入級等共同構(gòu)成電子式電能表，其中，電能計(jì)量單元電路由P/f變換器與乘法器組成。電子式電能表原理如圖1所示。

圖1 電子式電能表原理

電壓電流乘積在時(shí)間t內(nèi)的積分則是電子式電能表計(jì)算電能的方法，為處理、運(yùn)算電網(wǎng)交流信號，將代表目標(biāo)電能參數(shù)數(shù)字信號的全過程輸出，輸入級就是電子式電能表的計(jì)量核心所在，其目的是為了對交流電流、電壓信號實(shí)施信號調(diào)理，用電子信號替代電網(wǎng)用戶端中大電流、大電壓。主要有電流互感器和電壓互感器輸入電路、以及精密電阻輸入變換電路。乘法器中，相乘被測電流、電壓后，將功率信號輸出，該功率信號在頻率轉(zhuǎn)換器中被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)脈沖。P/f變換器與計(jì)數(shù)器一起實(shí)現(xiàn)電能測量中的積分運(yùn)算。計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)由P/f變換器的輸出脈沖，并對電能進(jìn)行累計(jì)，將積分運(yùn)算完成。功率的大小等同于脈沖頻率的大小，對功率脈沖信號進(jìn)行積分處理的任務(wù)由計(jì)數(shù)器負(fù)責(zé)。在乘法器中完成電流與電壓的相乘是電能量計(jì)算的主要實(shí)現(xiàn)步驟。乘法器可按照處理方法的不同分成數(shù)字乘法器與模擬乘法器。

1 數(shù)字乘法器

要得到電能值，先經(jīng)過轉(zhuǎn)換與計(jì)算電流與電壓的采樣信號，之后將其與時(shí)間量進(jìn)行積分即可獲得，數(shù)字乘法器原理較為簡單。

公式中，一個(gè)周期內(nèi)的采樣個(gè)數(shù)由N表示。W為總有功能量，其獲得通過累加計(jì)算某一時(shí)間段內(nèi)各個(gè)分割時(shí)間段△t。

圖2 新型電子式電能表

2 模擬乘法器

時(shí)分割正弦周期信號，之后生產(chǎn)一定幅度和脈寬的脈沖波，這就是模擬型乘法器的實(shí)現(xiàn)方法。在模擬乘法器中，可無線分割由輸入級輸出的、以微小時(shí)間段△t為單位的正弦波信號，正弦信號瞬時(shí)值在△t內(nèi)為直流量I、U，為常數(shù)。經(jīng)過調(diào)幅電路處理，I轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)幅電流II，經(jīng)過調(diào)寬電路處理，U轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)寬電流IU，脈沖生產(chǎn)器負(fù)責(zé)整合IU與II。

二、計(jì)量用戶電能受電力諧波的影響

1 計(jì)算總有功功率

電網(wǎng)中傳輸諧波電流與基波電流時(shí)，諧波電壓與同頻率諧波電流作用產(chǎn)生了諧波功率，而基波電壓則與基波電流產(chǎn)生基波功率，對此，P，即總有功功率是周期T上瞬時(shí)功率的積分均值，如下所示：

公式（2）功率為恒定直流分量所構(gòu)成，其總有功率轉(zhuǎn)化為：

公式（3）為每次諧波有功功率值的相加，其中，φn為第n次諧波電壓與電流的相角差，因頻率相異的電流與電壓間的相角差不穩(wěn)定，因此未產(chǎn)生功率。

2 電能計(jì)量受諧波方向的影響

阻抗元件為非線性元件時(shí)，基波功率方向相反于諧波功率方向；若阻抗元件均為線性元件時(shí)，φn值為0，基波功率方向相同于諧波功率方向。諧波與基波在電網(wǎng)中傳輸時(shí)，都有著各自的潮流，根據(jù)不同的用電設(shè)備，潮流的方向也會發(fā)生不同的變化。因此，在計(jì)量用戶的有功功率過程中，應(yīng)注意各次諧波總功率存在正負(fù)。因基波有功功率方向無論在用戶端還是電源端都是一致的，所以，計(jì)算用戶總有功的方式會受到諧波方向的影響，從而對整體電力系統(tǒng)中電能的計(jì)量產(chǎn)生影響。針對整體電力系統(tǒng)而言，諧波的產(chǎn)生是不利因素，諧波功率會影響設(shè)備運(yùn)行，單就傳輸功率的總量而言，問題須分兩方面來看，一方面，對于線性用戶，多計(jì)算了諧波功率在電能計(jì)量時(shí)的有功電量，增加損失量；另一方面，諧波的產(chǎn)生減少了非線性用戶電能的計(jì)算，結(jié)果加大供電部門損失。

三、設(shè)計(jì)方案

普通電子式電能表之所以會因諧波產(chǎn)生誤差，原因在于其乘法器數(shù)學(xué)方法有限，對于總有功功率的基波功率與諧波功率而言，電子式電能表核心單元無法實(shí)現(xiàn)有效區(qū)分，在統(tǒng)計(jì)用戶耗電量時(shí)，只能對基波功率與諧波功率的區(qū)分加以忽略，全部統(tǒng)計(jì)了用戶端的基波與諧波電能，這樣，誤差的出現(xiàn)成為必然，同時(shí)違背了公平原則。

對此，為限制諧波作用，讓供電部門與用戶對非線性用戶諧波功率有個(gè)清楚的了解，設(shè)計(jì)出新型電子式電能表方案，來避免諧波對有功的計(jì)量影響，新型電子式電能表構(gòu)成如圖2所示。針對用戶電壓、電流，新型電能表分別進(jìn)行兩路采樣，且將同樣的電能計(jì)量芯片安置與每條之路上。唯一的不同是電能信號在B路上，在進(jìn)入電能計(jì)量芯片前，需要通過低通濾波器，其設(shè)置在電能采樣模塊與芯片之間，由圖2可見，電能計(jì)量芯片A計(jì)算的電能是諧波功率與基波功率之和，而電能計(jì)量芯片B計(jì)算的僅

是輸入用戶端的基波功率。經(jīng)過微處理器后，對電能計(jì)量芯片所輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行差運(yùn)算，諧波功率值便可得出，差值符號確定諧波方向。

四、設(shè)計(jì)說明

ATT70224芯片為高精度專用3相電能計(jì)量芯片，本文中提出的新型電子式電能表采用該芯片來采集電能參數(shù)。為便于讀取測量數(shù)據(jù)，該芯片配備SPI接口，與此同時(shí)，其內(nèi)部集成專用DSP，可對含有二十一次諧波的無功功率及有功功率進(jìn)行測量。之所以在B路上設(shè)計(jì)了低通濾波器，是為了獲得良好相頻特性曲線。在8階低通開關(guān)電容濾波器上串聯(lián)了每相電壓輸入與電流輸入，通過電容濾波器，一致了所有電能信號頻率分量的延遲時(shí)間，這樣一來，提高了信號的傳輸速度及穩(wěn)定性，減小尖峰幅度，確保波形不發(fā)生改變。另外，可將RC等幅移相電路串接于電容濾波器的輸出端上，可有效消除信號相移，這是因?yàn)锳TT7022A芯片在采集電能時(shí)采用電流、電壓分相輸入方法，經(jīng)過電容濾波器的信號容易發(fā)生相移，輸出信號不同于輸入信號，從而對電流、電壓信號參數(shù)的乘法計(jì)算產(chǎn)生影響所致。低通濾波器截止頻率的設(shè)置，能夠?qū)⒋笥诮刂诡l率的諧波電能信號有效過濾，以確保基波電能信號小于截止頻率，對此，可以0.1Hz至50Hz之間來設(shè)置截止頻率。控制輸入CLK端口時(shí)鐘頻率來實(shí)現(xiàn)截止頻率，截止頻率與時(shí)鐘頻率的比值是固定的。

結(jié)語

感應(yīng)式電能表雖然具有自身優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)電網(wǎng)電流和電壓波形發(fā)生畸變時(shí)，伴隨不斷增大的高次諧波，其測量誤差也逐漸增大，所以文章主要圍繞電子式電能表開展。因?yàn)殡娮邮诫娔鼙黼娔苡?jì)量芯片對用戶功率進(jìn)行計(jì)算時(shí)所依據(jù)的數(shù)學(xué)模型與電力系統(tǒng)中計(jì)算用戶功率所依據(jù)的數(shù)學(xué)原理不相同，所以計(jì)量芯片不能對基波功率和諧波功率進(jìn)行有效區(qū)分，進(jìn)而混淆了諧波功率與有功功率的計(jì)量，這種誤差給用戶和供電部門帶來影響諸多。從電子式電能表計(jì)量核心模塊的工作原理著手，對電網(wǎng)有功功率的測算進(jìn)行分析，比較諧波功率方向與電網(wǎng)電能理論算法對計(jì)算總功率的影響，對此，提出了控制、減少誤差的新型電子式電能表設(shè)計(jì)方案，為限制諧波作用，設(shè)計(jì)出新型電子式電能表方案，新型電子式電能表可避免諧波對有功的計(jì)量影響，新型電子式電能表構(gòu)成針對用戶電壓、電流，新型電能表分別進(jìn)行兩路采樣，且將同樣的電能計(jì)量芯片安置與每條之路上。該方案可分別統(tǒng)計(jì)基波功率與諧波功率，不僅有助于供電部門加強(qiáng)用電監(jiān)管力度，還為用戶控制電能消耗提供有效方法。

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