諧波環境下實現智能電能表計量誤差影響量分析

謝宏偉，張力軍，王強，李源博，高少梅

（國網內蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內蒙古興安盟 137400）

在智能電網技術飛速發展的情形下，智能電能表作為電能計量的重要器具，關系到智能電網進一步的建設，智能電能表在各個行業也越來越多地得到應用。為了提高電能表計量的準確度，需要提高電能表的檢測精度。通常電力設備工作的環境復雜多變，容易受外界諧波、磁場等各種環境的影響。在關于電能表檢定相關規程中（比如JJG596-2012）對電能表的檢定標準做出很多規定，以提高電能表檢測精度。在其他電能表相關標準中，比如（GB/T17215）也針對電能表在多種環境（比如磁場、雜波、紋波等條件）下計量電能表各項參數，尤其是誤差影響量實驗。因此，如何在諧波影響下，檢測電能表的檢測精度是一項熱門課題。

現有技術中，文獻[1]雖然針對諧波對電能計量裝置影響的誤差進行了分析[1]，該理論僅僅結合電能表的結構原理進行理論說明，未提出在實驗時，如何產生諧波。文獻[2]在諧波條件下以計量誤差量化分析為基礎，提供一種電能計量方案，針對電子式電能表全波計量和基波計量方式之間的計量誤差進行了量化分析，但沒有說明諧波次數不同時諧波對電能表的誤差影響分析[2]。文獻[3]僅僅對電源短時中斷及偶次諧波情況下對電能表的誤差影響量進行分析[3]，對奇次諧波的情況，并沒有說明。上述方案均未提到載波通信。

1 電能計量誤差分析方案

1.1 硬件結構設計

在硬件設計中，其主要包括計算機、總控中心、載波模塊、診斷模塊、諧波發生器、標準電能表、被測電能表、奇偶次諧波匹配模塊等構成。通過程控精密電源向各個模塊提供正常工作的電壓，通過配備電流諧波發生器產生各種諧波，用戶可以根據實驗的需要，設定不同的諧波類型，實現N次諧波的輸出[4]。通過載波通信模塊能夠實現實驗裝置的載波通信，通過奇、偶次諧波匹配模塊滿足奇、偶次諧波實驗測試條件。計算機向總控中心發送控制命令，電能表檢定裝置在諧波發生器產生的諧波下進行電能表誤差檢定工作。實驗還采用載波通信的方式，大大減少了電能表表位間載波信號之間的串擾。

該研究設計出的諧波影響量實驗能夠在用戶自主控制諧波產生類型的情況下，進行多種諧波實驗，比如直流高次諧波、偶次諧波、奇次諧波、次諧波等。在進行多種諧波實驗之前，需要按照圖1 中的硬件結構連接。啟動程控電源，使圖1 中的各個部件均能夠處于正常的工作狀態。然后將電流、電壓回路高次諧波、偶次諧波、奇次諧波、次諧波等各種相位參數信息輸送至程控電源，電源將接收到的信息進行計算，將計算結果以全波波形的形式輸出，并將該波形信息進行功率放大。放大后的功率信息數據輸出至電能表檢定裝置。電能表檢定裝置按照誤差計算法計算電能表各項參數。在該研究中，僅僅以檢測誤差項目作為示例說明。在檢測過程中，智能電能表選擇一只標準電能表，再選擇一只被測表，然后將這兩只表分別設置在電能表檢定裝置內的檢測表位上。然后通過RS232 或RS485 將檢測信號傳遞到計算機。在該研究中，采用載波通信模塊。該模塊能夠減少檢測現場載波等雜波信息帶來干擾，提高實驗的準確率。實現時，標準電能表和被測電能表脈沖信息在總控中心的控制下均被傳輸到計算機進行存儲。利用比較法觀察被檢表相對于標準表的誤差[5]。

圖1 實驗架構示意圖

1.2 諧波發生器產生諧波原理

對產生不同諧波的原理進行說明，示意圖如圖2所示。

圖2 諧波產生原理示意圖

參考圖2 可以看到，投擲電路中的開關K2，使開關K2 處于通路狀態，與此同時，將開關K1、K3 處于空閑狀態。通過這種控制方式，再將標準表在電能表檢定裝置中接入正弦波為全波電流。通過圖2中的電流后，電流的正弦波正半周電流信號被輸入至被檢電能表的接收端，電流的正弦波負半周電流被輸入至匹配電阻回路。電路中還設置了偶次諧波自動匹配裝置，通過電路中的取樣電阻調節電路中的電流[6-7]。

當實驗需求產生次諧波時，投擲電路中的開關K2，使開關K2 處于通路狀態，與此同時，將開關K1、K3 處于空閑狀態。在每4 個周期電流中，第一個周期和第二個周期的電流的輸出端與偶次諧波自動匹配裝置的輸入端連接。第三個周期和第四個周期的電流的輸出端與被檢表和標準表回路的輸入端連接。然后就可以啟動誤差計算器，采用上文介紹的標準表法進行誤差實驗[8-9]。

當實驗需求產生次諧波時，投擲電路中的開關K2，使開關K2 處于通路狀態，與此同時，將開關K1、K3 處于空閑狀態。此時，每個電流正弦周期的前1/4周期和第三個1/4 周期的電流信號輸出端與諧波自動匹配裝置的輸出端連接。第二個1/4 周期和第四個1/4 周期的輸入端與被檢測電能表和標準表的輸入端連接。然后啟動誤差計算器，采用上文介紹的標準表法進行誤差實驗[10]。

2 誤差影響量量化分析方法

該研究采用時分割乘法實現諧波誤差的量化分析，設存在電壓脈沖信息為：

其中，ω0表示基波角頻率，對上述信息輸入h次相同頻率的諧波，然后將輸入后的諧波信息記作:

在式（3）和（4）中，h表示為輸入量頻率，Ah和Bh分別為電壓信號與電流信號在h次諧波輸入下的有效值，ωh表示在h次諧波輸入下的角頻率，ψh表示在h次諧波輸入下，諧波電流相位與諧波電壓相位之間的差。假設在信息中輸入干擾信號，在調整兩種信號時的調整頻率為F，則在一個時分割周期中，將基波分割的份數[11]用式（5）來表示：

用f1表示工頻，則每等份所對應的弧度表示為2 π/n1,在h次諧波輸入下，在單個周期范圍內所分割的份數為nh=n1/h。

在h次諧波輸入下,uUh和iIh在進行k次分割時的輸出函數為：

3 載波通信技術

3.1 濾波器電路設計

在上述實驗中，采用了載波通信技術，載波模塊中設置有載波通信電路，該電路如圖3 所示。載波通信在電能表檢定過程中，采用兩根電壓線，在讀表操作時，比如三相電能表，數據信息一相一相地通信，假設在對電能表的A 相進行載波通信時，投擲圖3 中的雙刀雙擲繼電器4[12]。當雙刀雙擲繼電器4的JK4A 觸點3 投向接觸點4 時，同時將繼電器JK4B觸點6 擲向接觸點5，此時，載波信號從ZB_UA 和ZB_UN 兩路線進來，通過UA_OUT 和N_OUT 進入三相電能表，同時載波信號經過L7、L8、L1、L4、C8、C9、C2組成的兩級衰減電路衰減后，避免載波信號通過UA_IN 和N_IN 兩條線進入其他表位電能表，從而起到了隔離載波信號的作用[13]。

通過采用載波通信模塊，能夠避免電能表表位間載波信號的串擾，尤其是在諧波實現環境下，使得實驗過程中免受電力載波的影響。為整個測試系統提供干凈、無干擾的純諧波測試環境。在應用過程中，由于載波衰減比例不同，載波衰減程度也不同[14]。

圖3 濾波器電路設計圖

3.2 衰減器數學模型

首先構建衰減器的數學計算模型如圖4 所示。

圖4 濾波器衰減模型

在圖4 電路中，用以下公式對其原理進行說明。

將該公式換算成衰減分貝值，則有：

其中，當ω=2πf時，假設衰減程度為50 dB，當f=270 kHz 時，則有：

如果想采用不同的衰減程度，則采用不同的參數即可。更具體地說：

當選擇L=500 μH，C=150 nF，衰減器的衰減倍數為52.68 dB；

當選擇L=500 μH，C=100 nF，衰減器的衰減倍數為49.15 dB。

按照上述方法以此類推，在長期的應用過程中發現，當按照L=500 μH，C=150 nF 進行設計固定衰減值的衰減器時，不僅具有較好的衰減功能，還能夠充當電路負載的作用，用戶也將該模塊當做抗干擾器使用[15-17]。

濾波器電路設計原理是依據衰減器數學模型進行的，通過利用衰減器數學模型進行計算，能夠實現衰減倍速的計算，根據用戶實驗的需求，通過設置不同的L和C參數，可以進行不同衰減倍數調整，進而實現不同程度的濾波。

4 仿真結果分析

該研究的實驗目的有兩個，一個是驗證在諧波環境下和無諧波環境下，電能表計量誤差的影響量情況。另一個目的是驗證存在上述載波通信模塊下和不存在上述載波通信模塊下，載波信號隔離情況。

該實驗在國網內蒙古東部電力有限公司興安供電公司實驗室內進行，實驗方案為采用圖1 中的硬件設備，比如總控中心、載波通信模塊、計算機、診斷模塊（該實驗采用示波器）、諧波發生器、標準電能表、被測電能表、奇偶次諧波匹配模塊等，標準電能表采用三相電能表，載波箱內設置有東軟、鼎信及力合微等廠家載波抄控器，采用的示波器的帶寬為100 MH，采樣率為2.5 GS/s。實驗時，通過總控中心控制諧波發生器產生諧波，標準電能表和被測電能表分別接收諧波發生器發出的信號，分別觀察二者的諧波變化。仿真軟件應用Multisim，依據仿真模型在不同的諧波指標情況下進行具體仿真分析，以輸出不同的仿真波形。

那么諧波發生器如何產生諧波以及如何產生不同次的諧波，1.2 節有具體說明，在實驗過程中，不做詳細說明。

4.1 諧波方案驗證

按照文中第一部分的方案進行實驗，假設分別加入的諧波及含量如表1 所示。

表1 諧波輸入量數值表

通過3 個小時的實驗，可以看到，電能表檢定裝置供電單元的電壓波形失真度范圍為0.2%～0.5%，電流波形失真度范圍為0.2%～0.4%，功率準確度范圍為0.1%～0.5%，頻率輸出范圍為0～70 Hz。通過實驗，還可以看到，在0～45 Hz、45～90 kHz、90～150 kHz的范圍內，高次諧波的含量分別為82%、61%、8%。其中在36.5 Hz、60.5 Hz 的范圍內，次諧波的含量為80.3%、59.4%，奇次諧波次數分別為3 次、5 次、7 次、9 次、11 次、13 次、15 次時，諧波含量分別為51.2%、20.5%、18.4%、14.6%、11.5%、9.4%、8.6%。該項目指標符合相關國際標準的要求。

在加入諧波之前，先在未加入任何諧波的情況下進行實驗，諧波對電表功率、電量、電壓、電流都有影響，電能表最后計算出的脈沖是功率，功率是電壓和電流的乘積，利用標準功率來反映諧波情況下和非諧波情況下的脈沖輸出。在無諧波時，電壓的有效輸出值為63.5 V，相位為0°，輸入的有效電流值為500 A，相位也為0°，電能表檢定裝置的輸入功率為31.75 MW[18-20]，然后再加入表2 中諧波，利用第一部分介紹的技術方案進行實驗，得出如表2 所示的數據(單位：W)。

通過表3 可以得出以下各種誤差數據，誤差率[21-23]的計算公式為：

通過實驗對比，能夠明顯看出諧波對電能表的功率影響量。

表2 實驗數據表

表3 誤差實驗表

4.2 載波通信驗證

實驗時，首先，將智能電能表放置于測試平臺上，測試平臺可根據現場或實驗室需要設置，規格、大小、型號根據實際情況調整（不限），放置位置也是根據實際情況放置，不固定測試平臺位置。測試工具為載波信號轉換工具。

實驗時，示波器設置在三相電能表檢定裝置中表位1 的電能表載波模塊的UA 和UN 中，利用軟件控制東軟抄控器向表位1 電能表的載波模塊發送載波信號，提取示波器中的載波信號，然后將示波器插至表位2 電能表載波模塊的同樣位置中，觀察是否有載波信號，并與表位1 提取的載波信號進行對比如圖5 和圖6 所示。

圖5 衰減前的載波通信波形信號圖

圖6 衰減后的載波通信波形信號圖

其中，圖5 為表位1 衰減前的載波通信波形信號圖，圖6 為表位2 衰減后的載波通信波形信號圖。通過圖5 和圖6 可以看到，該文的載波通信模塊實現了對載波信號的明顯衰減。該文設計的載波通信方法能夠濾除載波信號，從而避免相鄰表位計量、測試時存在的載波信號引起的干擾，實現了載波信號隔離的作用[22]。

通過波形仿真，該文的載波通信模塊能夠大大衰減雜波信息，有利于提高電能表實驗的精確度。通過圖5 和圖6 可以看出，采用本研究的載波通信方式能夠實現電能表臨表位之間的載波信號引起的串擾，使得該實驗處于比較純凈的環境，避免由于其他雜波信息引起實驗誤差，導致測量不準確，這也是該研究的創新點之一。

5 結論

該研究針對各個企業及相關用戶對電能表精度的需要，提出了在實驗環境下實驗電能表的方案。該研究通過設置能夠產生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、次諧波等不同諧波的諧波發生器，并在該環境下對電能表進行功能測試[23]，通過檢測可知，在諧波環境中比在基波（無諧波）環境中誤差較大，說明不同級別諧波對電能表的誤差具有不同層次的影響。該技術方案已在國網內蒙古東部電力有限公司興安供電公司進行推廣，為下一步電能表諧波影響量研究奠定了技術基礎。