基于智能電能表諧波影響測試系統(tǒng)的電能諧波產(chǎn)生方法研究

石振剛,徐建云,史 輪,李 涵,馬紅明,耿建坡,任 鵬

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021)

基于智能電能表諧波影響測試系統(tǒng)的電能諧波產(chǎn)生方法研究

石振剛,徐建云,史 輪,李 涵,馬紅明,耿建坡,任 鵬

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學研究院,石家莊 050021)

介紹了智能電能表諧波影響測試系統(tǒng)的設計方案,研究了電能諧波產(chǎn)生的原理和方法,利用電子開關切換常規(guī)電流源輸出的正弦波,獲得了試驗需要的直流偶次諧波、次諧波、奇次諧波。通過試驗證明,產(chǎn)生的各部分諧波含量符合GB/T 17215.321-2008《12級靜止式有功電能表》對電流直流偶次諧波、次諧波、奇次諧波的波形要求,創(chuàng)造了在諧波條件下試驗電能表的模擬環(huán)境。

智能電能表;諧波;電子開關;測量

近幾年,隨著電子技術的快速發(fā)展,智能電網(wǎng)建設速度加快,智能電能表成為我國智能電網(wǎng)建設的重要組成部分[1]。同時,以電子裝置為代表的非線性負荷在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應用,隨著電力電子裝置等非線性負荷的大量應用,電網(wǎng)中電壓、電流波形往往偏離正弦波形而發(fā)生畸變,因此諧波對電能計量影響的研究受到各方的普遍關注[2-3]。電能計量關系到電網(wǎng)的經(jīng)濟核算,涉及到發(fā)電、供電、用電三方的經(jīng)濟利益。電能表是電能計量的核心部分和基本器具,其計量準確度直接關系到電能計量的精度,因此,深入系統(tǒng)地研究諧波對電能表和電能計量方式的影響意義重大[4]。以下提出了評估諧波對電能表計量誤差的原理和方法,能夠對智能電能表諧波影響進行綜合評定和全面考察,從而提高電能計量的技術水平。

1 諧波影響測試系統(tǒng)介紹

測試系統(tǒng)采用電流諧波發(fā)生器實現(xiàn)整個裝置的諧波輸出,采用程控精密電源提供被試表和標準表所需的試驗電流、電壓。采用偶次諧波匹配箱匹配負載(被測表)兩端的電流以滿足偶次諧波試驗測試條件。測試系統(tǒng)可自動轉換基本誤差試驗、直流和偶次諧波試驗的試驗接線,由計算機、總控中心、表位功能試驗模塊、偶次諧波匹配箱、程控電源、標準電能表、諧波發(fā)生器組成,結構框圖見圖1。

圖1 諧波影響測試系統(tǒng)結構

系統(tǒng)的整體功能是實現(xiàn)電能表在諧波影響下的誤差檢定,在計算機控制下,標準電能表將功率標準電能脈沖送入表位功能試驗模塊,表位功能試驗模塊同時采集被校表脈沖并計算出誤差,利用電能比較法算出的誤差在本地顯示,并通過高速工業(yè)CAN總線上傳到總控中心;控制中心把采集到的數(shù)據(jù)送至計算機進行綜合管理,即完成了電能表諧波影響測試。

2 產(chǎn)生電能諧波試驗研究

2.1 產(chǎn)生電能諧波的原理

諧波影響試驗分為電壓電流回路高次諧波、電流回路直流和偶次諧波、奇次諧波、次諧波4種試驗。電壓電流回路的高次諧波由程控電源產(chǎn)生,計算機將需要的諧波次數(shù)、諧波含量、諧波相位等參數(shù)發(fā)送給程控電源,程控電源計算出全波波形經(jīng)功率放大后輸出給被檢表和標準表,誤差計算器對標準表脈沖和被檢表脈沖進行比對,計算出此種諧波下被檢表的誤差。在計算機的控制下,程控電源可產(chǎn)生多種高次諧波組合進行誤差校驗,也可與純基波誤差進行比對計算高次諧波誤差影響。產(chǎn)生電能諧波的原理見圖2。

圖2 產(chǎn)生電能諧波的原理

試驗時,諧波發(fā)生控制電路接收計算機控制指令,控制K1、K2、K3的閉合和斷開,控制電子開關按設定時序導通和斷開。自動匹配控制電路根據(jù)電流采樣電阻上的電流大小改變可變電阻阻值調節(jié)兩回路電流至相等。非諧波試驗時,K1閉合,K2、K3斷開,程控電源全波電流全波經(jīng)被檢表和標準表,此種接法與常規(guī)校驗臺完全相同。這種方法要求控制電子開關的觸發(fā)信號與電流源同步,控制點準確。

2.2 產(chǎn)生直流和偶次諧波的方法及波形

直流和偶次諧波試驗時,由于標準表電流檢測回路直接接入偶次諧波電流時存在較大誤差,故將標準表接入全波電流,此時K2閉合,K1、K3斷開,在電子開關1和電子開關2的控制下電流源電流的正半周流經(jīng)被檢電能表,負半周流經(jīng)匹配電阻回路,在K2處會合正負半周均經(jīng)標準電能表回流至電流源。由于程控電流源的瞬態(tài)響應問題,當被檢表回路和匹配回路電阻不均衡時會引起被檢表回路和匹配回路電流不相等,引起系統(tǒng)誤差,這里設置自動匹配電路(直流偶次諧波自動匹配儀),偶次匹配箱內部在兩路電路回路上設置電流取樣電阻,在匹配回路設置可變電阻,自動匹配控制電路根據(jù)兩路取樣電阻上的電流大小調節(jié)可變電阻使兩路電流相等,從而消除因匹配引起的系統(tǒng)誤差。偶次諧波校驗時誤差計算器將被檢表常數(shù)設置為標稱值的1/2,通過對標準表脈沖和被檢表脈沖進行比對計算出直流偶次諧波下被檢表的誤差,此誤差與相同電流下全波誤差進行比對可得出直流偶次諧波誤差影響量。產(chǎn)生直流偶次諧波的波形如圖3所示。

圖3 直流偶次諧波的波形

2.3 產(chǎn)生次諧波的方法及波形

次諧波試驗時,將標準表電流檢測回路接入次諧波電流,此時K3閉合,K1、K2斷開,在電子開關1和電子開關2的控制下,每4個周期電流的前2個周期流經(jīng)匹配回路,后2個周期流經(jīng)被

檢表和標準表回路。誤差計算器通過對標準表脈沖和被檢表脈沖進行比對計算出次諧波下被檢表的誤差,此誤差與相同電流下全波誤差進行比對可得出次諧波誤差影響量。產(chǎn)生次諧波的波形見圖4。

圖4 次諧波的波形

2.4 產(chǎn)生奇次諧波的方法及波形

奇次諧波試驗時,將標準表電流檢測回路接入奇次諧波電流,此時K3閉合,K1、K2斷開,在電子開關1和電子開關2的控制下,每周期電流的前1/4周期和第3個1/4周期流經(jīng)匹配回路,第2個1/4周期和第4個1/4周期流經(jīng)被檢表和標準表回路。誤差計算器通過對標準表脈沖和被檢表脈沖進行比對計算出奇次諧波下被檢表的誤差,此誤差與相同電流下全波誤差進行比對可得出奇次諧波誤差影響量。奇次諧波的波形見圖5。

圖5 奇次諧波的波形

3 試驗結果與分析

在試驗過程中,系統(tǒng)裝置電壓波形失真度為0.3%,電流波形失真度為0.2%,功率穩(wěn)定度為0.04%/120s,頻率輸出范圍為45～65Hz,電壓輸出調節(jié)范圍為0～120%,電流輸出調節(jié)范圍為0～120%,頻率調節(jié)細度0.01Hz。

通過諧波試驗,得出以下數(shù)據(jù):在0～50Hz、50～100kHz、100～150kHz的范圍內,直流諧波的含量分別為83%、60%、8%,在37.5Hz、62.5Hz時,次諧波的含量為81.3%、59.0%,奇次諧波次數(shù)分別為3次、5次、7次、9次、11次、13次、15次的情況下,諧波含量分別為54.2%、19.5%、17.3%、13.2%、11.1%、8.1%、8.2%。滿足GB/T17215.321-2008《12級靜止式有功電能表》對電流直流偶次諧波,次諧波,奇次諧波波形的要求。

4 結論

通過對研究,得出以下結論:

a.通過試驗,裝置電壓、電流波形失真度≤0.5%,裝置精度高;

b.功率輸出穩(wěn)定度≤0.05%/120s,穩(wěn)定性較好;

c.能夠產(chǎn)生電流直流偶次諧波、次諧波、奇次諧波,波形清晰、準確,其含量符合國標規(guī)定的試驗要求,滿足了電能表在諧波環(huán)境下進行的誤差影響量試驗。

[1] 林曉明,肖 勇.智能電網(wǎng)建設中加強電力需求側管理研究[J].中國電力教育,2011(30):46-48.

[2] 孫衛(wèi)明,趙 偉.諧波和間諧波對全電能計量準確度的影響[J].電測與儀表,2011,48(9):49-52.

[3] 賀七杰.諧波對電能計量的影響分析[J].電子測試,2013 (20):49-50.

[4] 陳志恩.解析計量管理中智能電能表的應用[J].電子技術與軟件工程,2014(16):168-168.

本文責任編輯:秦明娟

Study on Electric Power Harmonic Pruducing Method Based on Harmonic Influence Test System for Smart Electricity Meter

Shi Zhengang,Xu Jianyun,Shi Lun,Li Han,Ma Hongming,Geng Jianpo,Ren Peng
(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

This paper proposes a design scheme of harmonic influence test system,analyzes the principle and methods of electrical energy harmonic generated by test system,using two-way electronic switch transformed the sine wave that outputed by the conventional current source and abtained the DC even harmonic,subharmonic,odd harmonic that the test requires by studying the design ideas of electronic switch,the amount of each part of the harmonic content of generation meet with the waveform requirements of the National Standard GB/T17215.321-2008(Static meter for active energy(Classes 12))for the current DC even harmonic,harmonic,odd harmonic,creates the simulation environment for testing the electricity meter in the conditions of the harmonic.

smart electricity meter;harmonic;electronic switch;measurement

TM933.4

A

1001-9898(2016)04-0015-03

2016-03-29

石振剛(1982-),男,工程師,主要從事電力計量研究工作。