諧波對電能表計量及元器件的影響分析

徐建云，石振剛，李 翀，任 鵬

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

諧波對電能表計量及元器件的影響分析

徐建云，石振剛，李 翀，任 鵬

(國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

針對電網諧波對電能表計量準確性造成的影響，結合快速傅里葉變換的諧波成分快速分析方法，分析諧波可以對電能表電流互感器和AD采樣芯片的影響，并通過試驗驗證了諧波可以對元器件產生不同程度的影響。

諧波；電能計量；諧波分析；元器件

0 引言

隨著帶有大功率電力電子器件的工業生產設備在現場大量應用，從而出現了比較嚴重的波形畸變，導致諧波電流成分超標，而由負載端產生的諧波電流，經過導線內阻以及變壓器內阻，產生了諧波電壓，導致原有的正弦電壓波形也發生畸變。這種諧波源負載不僅對電網的運行安全造成影響，也因諧波電流以及諧波電壓的存在，產生相應的有功損耗，對電網的電能計量準確性造成影響。這種影響主要體現為功率三角等式在含有諧波的情況下不再成立。體現在計量方面，當現場負荷向電網注入諧波時，諧波電壓與諧波電流會產生有功電能，抵消到基波有功電能中，造成全波電能少計。當電網電源本身帶有諧波時，產生的諧波有功電能會與基波有功電能疊加，造成全波電能多計[1]。

2013年國家開始重視諧波計量，推出了諧波電能表的國家標準GB/T 17215.302-2013 《交流電測量設備 特殊要求 第2部分：靜止式諧波有功電能表》[2]，該標準對諧波電能表的型式規范，基波有功電能和諧波有功電能的精度等級，以及精度影響量等進行了詳細的規定，但諧波電能表的諧波分析及諧波對關鍵器件的影響都有待研究和改進。

1 快速傅里葉變換的諧波成分快速分析方法

傅里葉變換可以將滿足一定條件的某個函數表示成三角函數(正弦和/或余弦函數)或者它們的積分的線性組合，通過這種方法，將時域的信號變換到頻域，從而得到各個頻率分段的幅值與相位數據。其表達式如下所示：

(1)

采用FFT進行離散快速計算，如下所示：

(k=0,1,…，N-1)

(2)

式中：x(n)為離散化后的時域波形信號采樣點；X(k)為計算的頻域信號復數數據；對X(k)進行復數求幅值和求相位的計算，即可得到各頻率點的幅值和相位信息。

同時為了解決非同步誤差問題，采用對采樣的波形數據x(n)加漢寧窗的方法，對加窗后的數據進行如式(2)的FFT計算，并對計算結果做插值處理。

由于經過了加窗處理，原各個譜值點處的實際頻率值{0～(N-1)}·fs/N將會發生頻率偏差，所以在還原N個點的實際頻率時，需要根據窗函數進行頻率補償。在第k0個譜值點處的實際頻率為：

f0=(k0+Δk0)·fs/N

(3)

式中：Δk0為第k0個譜值點處的頻率補償系數。

由于得出的譜值是實際頻率所對應的譜值與窗函數的譜值的乘積，則幅值和相角可以采用下式來計算：

(4)

φ0=arg(Xw(k0))-arg(W(Δk0))

(5)

Δφ=-Δk0π

(6)

φ0=arg(XW(k0))+Δφ

(7)

通過上述步驟，可以得到波形數據的精確頻譜分布，圖1給出了1個波形頻譜分析的示例。

(a) 中頻爐電流電壓曲線

(b) 中頻爐電流電壓諧波含量

通過圖1可以看出，中頻爐的時域電壓與電流波形被變換到頻譜信號，得到各個頻率段的幅值和相位信號，這組數據從而構成了1個頻域模型的重要參數，通過這些參數，在信號發生裝置中，通過傅里葉逆變換，即可復現現場的諧波信號，達到模擬現場諧波負荷的目的。

2 諧波對電能表關鍵元器件的影響

2.1 電流互感器對諧波輸入的影響

電能表的采樣回路直接影響著信號輸入的帶寬，由于目前電能表的電壓采樣普遍采用電阻分壓方式，因此對諧波的衰減比較小。而電能表的電流采樣有電流互感器方式和錳銅電阻方式。目前錳銅方案技術不成熟，相間隔離及抗噪性能都比較難解決，尤其是對小電流精度影響很大，不適用于0.2 S及0.5 S等對小電流精度要求高的三相電能表，如在一些關口站中，高壓互感器的變比都非常大，所以二次側即使電流很小，依然對應著很大的一次電量，因此這種場合非常考驗表計的小電流計量精度，而錳銅方案由于小電流噪聲影響問題，難以應用在這種場合，所以目前常用于精度等級不高的單相表。而電流互感器采樣比較適合對精度要求較高的三相計量場合，這些場合往往是主要諧波計量點，如工企業大用戶、電氣化鐵路等[3]，因此，諧波計量推薦采用電流互感器采樣方式的電能表。

但由于電流互感器本身是一個電感，因此對信號有一定的濾波作用，不同類型的互感器對諧波幅值和相位的影響差異都比較大[4]。利用諧波標準功率源、示波器等設備，對電表電流互感器一次側和二次側的諧波幅值、相位進行分析評估，對其在不同二次阻抗下，對諧波的影響進行量化分析，以降低電能表電流互感器對諧波采樣數據的影響。

2.2 AD采樣芯片對諧波采樣的影響

AD采樣電路，包括RC電路和ADC內部濾波器的幅頻特性，會對諧波分量的幅值和相位，特別是高次諧波，產生比較大的影響。根據AD芯片的RC電路，做RC電路的相頻特性如圖2。

目前計量芯片一般使用sigma-delta ADC，優點是精度(位數)可以做到足夠高，但在其帶寬以內，幅值是有衰減的。外圍影響固定，對每次諧波的衰減是基本固定的，可以直接在幅值上進行補償。

圖2 RC電路相頻特性

Sigma-delta的傳遞函數為三階DEC濾波器，基本為速度換精度，位數越高，則速度越慢。圖3為一階的傳遞函數。可以看到，31次諧波時，一階DEC衰減為-0.043 79 db，三階后的衰減為-0.131 4 db，折算到幅值為1.5%的衰減，對于諧波有功功率為3%的衰減。

圖3 一階的傳遞函數

3 諧波對部分元器件的的影響

目前國內電能表所采用的電源多為開關電源，開關電源對電網電壓中的諧波成分比較敏感。一種敏感件為壓敏電阻，電壓中諧波較大時，會出現比較大的尖峰電壓，從而對壓敏電阻的耐壓性進行沖擊，導致壓敏電阻壽命降低或者直接損壞。另外一種敏感件為電容，電壓中的高次諧波較多時，對電源電容處于一種短路狀態，導致電容發熱損壞。

4 試驗分析

通過試驗的方法，來驗證諧波對電能表電源耐受性的影響。對電能表電源疊加多個高次大幅值的諧波電壓，再通過紅外熱像儀測量電能表元器件的溫度，以評估諧波對電能表關鍵元器件的影響。圖4為諧波耐受性試驗，元器件溫度如圖5所示。

圖4 諧波耐受性試驗

圖5 元器件溫度

通過試驗結果可以看出，諧波可以對不同元器件產生不同程度的影響。

5 結束語

隨著電力電子、光伏等非線性設備的增多，對電網諧波計量的準確性提出了更高的要求，因此諧波電能表對諧波計量具有重要意義。基于快速傅里葉變換的諧波成分快速分析方法，可以保證諧波電能表諧波分析的速度和準確度。該文在此基礎上分析了諧波電能表的電流互感器和AD采樣芯片受諧波的影響特性，通過實驗測量了諧波電能表元器件的溫度，以評估諧波對電能表元器件的影響。

[1] 許儀勛.諧波對電能計量的影響與對策[D].上海:上海交通大學,2008.

[2] GB/T 17215.302-2013.交流電測量設備 特殊要求 第2部分：靜止式諧波有功電能表[S].

[3] 郭 捷.諧波對電流互感器的傳變特性及電能計量影響研究[D].重慶：重慶大學,2014.

[4] 陳黎來.電流互感器對電能計量的影響[J].電力自動化設備,2011,31(1):138-141.

本文責任編輯：王麗斌

Influence Analysis of Harmonic on Metering of Electric Energy Meter and Its Conponents

Xu Jianyun,Shi Zhengang,Li Chong,Reng Peng

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

According to the influence of power grid harmonic on the metering of electric energy meter,combined with fast Fourier transform harmonic component fast analysis method,the influence of harmonic on current transformer and ad sampling chip of watt-hour meter is analyzed,and the influence of harmonic on components is verified through experiments.

harmonic;electric energy metering;harmonic analysis;components

TM933

:A

: 1001-9898(2017)04-0020-03

2017-02-07

徐建云(1987-),男,工程師,主要從事電能計量方面工作。