韓志強(qiáng)/上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院

0 引言

在理想的平衡三相交流電力系統(tǒng)中，三相電壓應(yīng)有同樣的幅值和頻率，且相位角互差120°，但在實(shí)際應(yīng)用中，電力系統(tǒng)往往不是完全平衡的。引起電力系統(tǒng)三相不平衡的因素主要有事故性和正常性兩大類。事故性不平衡是由于三相系統(tǒng)中某一相出現(xiàn)故障所致，正常性不平衡則由于系統(tǒng)三相元件或負(fù)荷不對(duì)稱引起。后者在實(shí)際應(yīng)用中是普遍存在的現(xiàn)象，往往也是不可避免的。電力系統(tǒng)三相電壓或電流不平衡會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和用戶造成一系列的危害，如影響電機(jī)的正常出力危及其安全運(yùn)行，也會(huì)使電網(wǎng)中的多種繼電保護(hù)元件誤動(dòng)作，同時(shí)對(duì)通信系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生干擾等等。所以GB/T 15543-2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了電壓不平衡度限值，同時(shí)規(guī)定電壓不平衡度測(cè)量?jī)x的誤差要小于0.2%，電流不平衡度測(cè)量?jī)x的誤差要小于1%。目前三相不平衡度測(cè)量?jī)x種類繁多，根據(jù)測(cè)量原理的不同可分為：負(fù)序?yàn)V過器型測(cè)量?jī)x、調(diào)整型負(fù)序測(cè)量?jī)x、旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)型負(fù)序測(cè)量?jī)x、數(shù)字型序分量測(cè)量?jī)x。由于這些儀器測(cè)量的原理和結(jié)構(gòu)不同，質(zhì)量差別懸殊，為了保證電能質(zhì)量監(jiān)督的合理性和準(zhǔn)確性、方便三相不平衡度量值的校準(zhǔn)和傳遞，需對(duì)三相不平衡度測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)方法進(jìn)行研究。

本文首先介紹三相不平衡度的計(jì)算方法，然后根據(jù)測(cè)量?jī)x的工作原理和使用情況提出校準(zhǔn)方案。

1 三相不平衡度的計(jì)算和測(cè)量

在研究不對(duì)稱三相電路中，廣泛使用對(duì)稱分量法，這種方法將電路不對(duì)稱部分化為電壓、電流不對(duì)稱的邊界條件，其余的電路仍視為對(duì)稱的線性電路。而任何一組不對(duì)稱的三相相量（如電壓、電流）都可以分解成相序各不相同的3組對(duì)稱的三相相量，即零序分量正序分量和負(fù)序分量各序量的三相關(guān)系為：

其中 a = ej(2/3)π。

由式3可見計(jì)算三相交流電力系統(tǒng)的不平衡度，首先要計(jì)算三相交流電力系統(tǒng)的正序和負(fù)序分量。在測(cè)出各相電量的幅值大小及其相位的基礎(chǔ)上，按照對(duì)稱分量法計(jì)算出三個(gè)序分量，最終得到三相不平衡度。

以測(cè)量三相電流不平衡度為例加以說明。首先得到三相電流幅值Ia、Ib、Ic和它們之間的相位角a、b、c，用相量法分別求得零序電流、正序電流和負(fù)序電流。

在得到負(fù)序電流和正序電流后利用公式（3）即可得到三相電流不平衡度。三相電壓不平衡度計(jì)算同上，這里不再介紹。

2 校準(zhǔn)方案

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量三相不平衡度，必須注意幾點(diǎn)：

●由于交流信號(hào)中諧波的存在會(huì)對(duì)測(cè)量帶來影響，所以在校準(zhǔn)過程中盡量采用失真度小的源作為信號(hào)輸出源。

●由于在讀取被校儀表不平衡度數(shù)據(jù)和實(shí)際不平衡度數(shù)據(jù)時(shí)不能做到完全同步，所以要求源有較高的輸出穩(wěn)定性，避免由于不同步產(chǎn)生的測(cè)量誤差，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)讀數(shù)并計(jì)算的方法來提高校準(zhǔn)精度。

2.1 校準(zhǔn)設(shè)備

校準(zhǔn)設(shè)備主要有：三相交流標(biāo)準(zhǔn)源、三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表、計(jì)算機(jī)等。

本方案采用可分別調(diào)整三相電壓、電流幅值和相位角大小的三相交流標(biāo)準(zhǔn)源CL301V2作為輸出源，其輸出穩(wěn)定度可達(dá)0.01%并且輸出信號(hào)失真度小，能很好滿足本校準(zhǔn)裝置對(duì)電壓和電流輸出信號(hào)的要求。使用0.01級(jí)的三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表COM3000來測(cè)量三相交流標(biāo)準(zhǔn)源各相輸出量的幅值、相位角，即三相電壓值Ua、Ub、Uc和它們之間的相位角a、b、c，或者三相電流值Ia、Ib、Ic和它們之間的相位角a、b、c。三相交流標(biāo)準(zhǔn)源和三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表都帶有RS232通訊接口，方便同計(jì)算機(jī)的互聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化校準(zhǔn)（圖1）。

圖1 校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)框圖

通過計(jì)算機(jī)控制CL301V2，使其輸出滿足要求的不平衡三相電壓或電流值。同時(shí)通過計(jì)算機(jī)讀取COM3000的數(shù)據(jù)得到三相電壓值Ua、Ub、Uc和它們之間的相位角a、b、c或者三相電流值Ia、Ib、Ic和它們之間的相位角a、b、c。通過軟件按照公式（3）計(jì)算得到實(shí)際三相不平衡度εs，再?gòu)谋粰z三相不平衡度測(cè)量?jī)x中得到指示值εx，被檢儀器的三相不平衡度測(cè)量誤差為Δεr= εx-εs，根據(jù)誤差限值就可判定被檢儀器是否合格。

2.2 校準(zhǔn)流程

根據(jù)GB/T 15543-2008的要求調(diào)節(jié)CL301V2輸出相應(yīng)的電壓、電流幅值和相角，通過計(jì)算機(jī)控制COM3000每次按3 s讀取測(cè)量值，計(jì)算得到實(shí)際三相電壓不平衡度和三相電流不平衡度，與此同時(shí)讀取被檢三相不平衡度測(cè)量?jī)x指示值，最終得到被檢不平衡度測(cè)量?jī)x的誤差。

表1和表2分別列出本裝置在不同輸出值時(shí)實(shí)際的三相電壓不平衡度和三相電流不平衡度測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

三相不平衡度測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)方案，采用高穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)源和0.01級(jí)高精度三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表組成，通過計(jì)算機(jī)控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)三相不平衡度測(cè)量?jī)x的自動(dòng)化校準(zhǔn),滿足了電力系統(tǒng)中對(duì)三相不平衡度測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)的問題。另外要注意GB/T 15543-2008明確規(guī)定三相不平衡度是基波的不平衡度，所以在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中需注意電網(wǎng)中諧波對(duì)測(cè)量的影響。

表1 三相電壓不平衡度測(cè)試

表2 三相電流不平衡度測(cè)試

[1]全國(guó)電壓電流等級(jí)和頻率標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 15543-2008[S].北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[2]程浩忠, 艾芊, 張志剛等. 電能質(zhì)量[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社,2006.