用于電能表直流和偶次諧波影響試驗(yàn)的負(fù)載自動(dòng)匹配方法研究

胡 斌，晏 依，董 琳

（1.國(guó)網(wǎng)九江市濂溪區(qū)供電公司，江西 九江 332207；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)管理中心，江西 南昌 330096；3.南昌科晨電力試驗(yàn)研究院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

非線性負(fù)荷的增加使電網(wǎng)信號(hào)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)畸變，包括新的諧波種類和直流分量，在此環(huán)境下電能表是否能夠保證準(zhǔn)確計(jì)量是電力企業(yè)以及用戶共同關(guān)心的問題[1-4]。GB/T 17215.321—2021中規(guī)定了電能表在直流和偶次諧波下的計(jì)量性能要求，并提供了具體的試驗(yàn)方法[5]。

為確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠，要求平衡阻抗與被檢表的阻值近似相等。常采用與被檢表同型號(hào)的電能表作為匹配阻抗且在二條支路中各接入一個(gè)10倍于被檢表阻抗的電阻來(lái)減小由于阻抗不平衡帶來(lái)的差異。由于試驗(yàn)時(shí)被檢表的規(guī)格、型號(hào)和數(shù)量不相同，并且兩個(gè)回路的導(dǎo)線連接不可能完全一致，因此每次試驗(yàn)都需重新調(diào)整平衡阻抗[6-7]。該方法存在操作不便、耗時(shí)長(zhǎng)且測(cè)試結(jié)果不夠準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。也可采用繼電器和電阻并聯(lián)的陣列作為匹配負(fù)載，通過(guò)控制繼電器的閉合和關(guān)斷，改變匹配負(fù)載的電阻值，以實(shí)現(xiàn)和被檢測(cè)表電阻的匹配[8]。由于繼電器需不停動(dòng)作直至匹配負(fù)載和被檢表的電阻相等，因此該方法存在繼電器頻繁動(dòng)作易產(chǎn)生電弧且自動(dòng)匹配耗時(shí)較長(zhǎng)的缺點(diǎn)。文中提出一種用于電能表直流和偶次諧波影響試驗(yàn)的負(fù)載自動(dòng)匹配方法，通過(guò)反饋調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻，實(shí)現(xiàn)與被檢表電阻的自動(dòng)匹配，具有精度高和速度快的優(yōu)點(diǎn)。

1 電能表直流和偶次諧波試驗(yàn)方法

靜止式交流電能表在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可用精密電阻或電流互感器作為電流采樣單元，對(duì)于三相電子式電能表由于存在線電壓，不便采用精密電阻直接取樣，多采用電流互感器進(jìn)行電流采樣。

當(dāng)電流線路中存在直流分量時(shí)，可能會(huì)造成電流互感器鐵心飽和，進(jìn)而導(dǎo)致二次側(cè)輸出電流波形畸變，影響電能計(jì)量準(zhǔn)確[9-11]。為考核電能表在直流和偶次諧波影響下的計(jì)量性能，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如圖1所示的實(shí)驗(yàn)方法，標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表的電流線路，如圖2所示的正半周導(dǎo)通且負(fù)半周截止的半波測(cè)試信號(hào)流過(guò)被檢表的電流線路；正半周截止且負(fù)半周導(dǎo)通的半波測(cè)試信號(hào)則流過(guò)平衡阻抗。支路電流不對(duì)稱會(huì)造成直流含量不準(zhǔn)，從而影響試驗(yàn)結(jié)果，因此必須要求各支路電阻阻抗平衡。

圖1 直流和偶次諧波試驗(yàn)原理圖

圖2 直流和偶次諧波測(cè)試信號(hào)

2 直流和偶次諧波影響試驗(yàn)的負(fù)載自動(dòng)匹配方法

電子負(fù)載的原理是控制內(nèi)部功率MOSFET或晶體管的導(dǎo)通量，通過(guò)功率管的耗散功率消耗電能，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出負(fù)載電壓，精確調(diào)整負(fù)載電流，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載短路，模擬負(fù)載感性、阻性和容性。用電子負(fù)載取代平衡阻抗，對(duì)比被檢表二端的電壓與電子負(fù)載所在支路的電壓，輸出反饋信號(hào)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電子負(fù)載阻抗值，最終實(shí)現(xiàn)負(fù)載的快速精準(zhǔn)匹配。圖3是直流和偶次諧波影響試驗(yàn)的負(fù)載自動(dòng)匹配裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖3 直流和偶次諧波影響試驗(yàn)的負(fù)載自動(dòng)匹配裝置結(jié)構(gòu)圖

具體原理是：反饋電路通過(guò)比較匹配負(fù)載支路上二端的電壓與被檢表二端的電壓以判斷二者的阻抗是否匹配，并將匹配信息轉(zhuǎn)換成反饋信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)電路；驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)反相器和反饋電路單元的輸出信號(hào)大小，調(diào)節(jié)其輸出的電壓值；電子負(fù)載單元根據(jù)驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓值調(diào)節(jié)內(nèi)部MOSFET管的導(dǎo)通阻抗，以改變自身阻抗，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載的自動(dòng)匹配。時(shí)序提取電路提取匹配負(fù)載支路的信號(hào)時(shí)序，以控制驅(qū)動(dòng)電路工作，使匹配負(fù)載支路在正半周導(dǎo)通的半波信號(hào)和負(fù)半周導(dǎo)通的半波信號(hào)下均能正常工作。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

選取三塊不同廠家同型號(hào)的電能表進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證裝置在負(fù)載自動(dòng)匹配后輸出波形的準(zhǔn)確性，電能表的規(guī)格為：基本電流Ib=1.5 A，最大電流Imax=6 A，參比電壓Un=220 V，有功常數(shù)C=6 400 imp/kWh。圖4所示是輸出半波但并未經(jīng)負(fù)載匹配時(shí)直流和偶次諧波波形，可知測(cè)試波形存在明顯畸變；圖5所示為經(jīng)過(guò)負(fù)載匹配后直流偶次諧波波形，測(cè)試波形的畸變已基本消除。

圖4 匹配前的直流和偶次諧波輸出波形

圖5 匹配后的直流和偶次諧波輸出波形

國(guó)際法制計(jì)量組織制定OIML R46規(guī)定：匹配后標(biāo)準(zhǔn)表電流線路中信號(hào)的直流分量不高于交流分量的0.5%。為檢測(cè)上述樣表在直流和偶次諧波下的計(jì)量準(zhǔn)確，需在不同的負(fù)載點(diǎn)準(zhǔn)確輸出測(cè)試波形，選取的負(fù)載點(diǎn)的功率因數(shù)分別為1.0 L、0.5 L和0.8 C，電流幅值分別為0.05 Ib、0.1 Ib、0.2 Ib、Ib和Imax，分析通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)表的電流信號(hào)，分別測(cè)試直流分量與交流分量，得到二者之間的比值如表1所示。

表1 直流分量與交流分量的比值%

由表1可知，在功率因數(shù)為1且負(fù)載點(diǎn)電流值為最大負(fù)載電流Imax時(shí)，輸出的諧波波形更準(zhǔn)確，但是負(fù)載點(diǎn)為容性或感性時(shí)，輸出的直流和偶次諧波測(cè)試波形均滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

電能表直流和偶次諧波試驗(yàn)時(shí)，被檢表電阻和匹配電阻的匹配精度會(huì)直接影響測(cè)試結(jié)果的可信度，文中通過(guò)電壓反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻，實(shí)現(xiàn)了其與被檢表電阻的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)匹配，匹配后標(biāo)準(zhǔn)表電流線路中信號(hào)的直流分量不高于交流分量的0.5%，滿足OIML R46測(cè)試需求。