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(guó)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(duì)計(jì)量?jī)x表、通訊設(shè)備、測(cè)量?jī)x器、輸電設(shè)備等均會(huì)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(zhǎng)、成本低廉、便于維修、易于調(diào)整、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一直以來(lái)被供電部門(mén)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(cè)量誤差也逐漸增大，這就給電能的正確測(cè)量帶來(lái)干擾，對(duì)供電部門(mén)和用電用戶(hù)的利益帶來(lái)不良影響。因此，本文對(duì)電子式電能表進(jìn)行介紹。隨著社會(huì)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(zhǎng)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(lái)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(cè)量電能方面電力非線性用戶(hù)諧波功率所產(chǎn)生的不良影響。要解決該問(wèn)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(duì)電網(wǎng)有功功率的測(cè)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(duì)計(jì)算總功率的影響，從而提出避免電力諧波對(duì)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(cè)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(jí)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(hào)，將代表目標(biāo)電能參數(shù)數(shù)字信號(hào)的全過(guò)程輸出，輸入級(jí)就是電子式電能表的計(jì)量核心所在，其目的是為了對(duì)交流電流、電壓信號(hào)實(shí)施信號(hào)調(diào)理，用電子信號(hào)替代電網(wǎng)用戶(hù)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(cè)電流、電壓后，將功率信號(hào)輸出，該功率信號(hào)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(cè)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(duì)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(duì)功率脈沖信號(hào)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(guò)轉(zhuǎn)換與計(jì)算電流與電壓的采樣信號(hào)，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(jiǎn)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(guò)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(hào)，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(wú)線分割由輸入級(jí)輸出的、以微小時(shí)間段△t為單位的正弦波信號(hào)，正弦信號(hào)瞬時(shí)值在△t內(nèi)為直流量I、U，為常數(shù)。經(jīng)過(guò)調(diào)幅電路處理，I轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)幅電流II，經(jīng)過(guò)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(hù)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(duì)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(huì)發(fā)生不同的變化。因此，在計(jì)量用戶(hù)的有功功率過(guò)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(wú)論在用戶(hù)端還是電源端都是一致的，所以，計(jì)算用戶(hù)總有功的方式會(huì)受到諧波方向的影響，從而對(duì)整體電力系統(tǒng)中電能的計(jì)量產(chǎn)生影響。針對(duì)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(huì)影響設(shè)備運(yùn)行，單就傳輸功率的總量而言，問(wèn)題須分兩方面來(lái)看，一方面，對(duì)于線性用戶(hù)，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(hù)電能的計(jì)算，結(jié)果加大供電部門(mén)損失。

三、設(shè)計(jì)方案

普通電子式電能表之所以會(huì)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(duì)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(wú)法實(shí)現(xiàn)有效區(qū)分，在統(tǒng)計(jì)用戶(hù)耗電量時(shí)，只能對(duì)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(hù)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(duì)此，為限制諧波作用，讓供電部門(mén)與用戶(hù)對(duì)非線性用戶(hù)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(lái)避免諧波對(duì)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(duì)用戶(hù)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(hào)在B路上，在進(jìn)入電能計(jì)量芯片前，需要通過(guò)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(jiàn)，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(hù)端的基波功率。經(jīng)過(guò)微處理器后，對(duì)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(hào)確定諧波方向。

四、設(shè)計(jì)說(shuō)明

ATT70224芯片為高精度專(zhuān)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(lái)采集電能參數(shù)。為便于讀取測(cè)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(zhuān)用DSP，可對(duì)含有二十一次諧波的無(wú)功功率及有功功率進(jìn)行測(cè)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(kāi)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(guò)電容濾波器，一致了所有電能信號(hào)頻率分量的延遲時(shí)間，這樣一來(lái)，提高了信號(hào)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(hào)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(guò)電容濾波器的信號(hào)容易發(fā)生相移，輸出信號(hào)不同于輸入信號(hào)，從而對(duì)電流、電壓信號(hào)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(hào)有效過(guò)濾，以確保基波電能信號(hào)小于截止頻率，對(duì)此，可以0.1Hz至50Hz之間來(lái)設(shè)置截止頻率。控制輸入CLK端口時(shí)鐘頻率來(lái)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(yǔ)

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(cè)量誤差也逐漸增大，所以文章主要圍繞電子式電能表開(kāi)展。因?yàn)殡娮邮诫娔鼙黼娔苡?jì)量芯片對(duì)用戶(hù)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(hù)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(duì)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(hù)和供電部門(mén)帶來(lái)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(duì)電網(wǎng)有功功率的測(cè)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(duì)計(jì)算總功率的影響，對(duì)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(duì)有功的計(jì)量影響，新型電子式電能表構(gòu)成針對(duì)用戶(hù)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(mén)加強(qiáng)用電監(jiān)管力度，還為用戶(hù)控制電能消耗提供有效方法。

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