謝宏偉，張力軍，王強，李源博，高少梅

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司興安供電公司，內(nèi)蒙古興安盟 137400）

在智能電網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展的情形下，智能電能表作為電能計量的重要器具，關(guān)系到智能電網(wǎng)進一步的建設(shè)，智能電能表在各個行業(yè)也越來越多地得到應(yīng)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(shè)備工作的環(huán)境復(fù)雜多變，容易受外界諧波、磁場等各種環(huán)境的影響。在關(guān)于電能表檢定相關(guān)規(guī)程中（比如JJG596-2012）對電能表的檢定標準做出很多規(guī)定，以提高電能表檢測精度。在其他電能表相關(guān)標準中，比如（GB/T17215）也針對電能表在多種環(huán)境（比如磁場、雜波、紋波等條件）下計量電能表各項參數(shù)，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(xiàn)有技術(shù)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(jié)合電能表的結(jié)構(gòu)原理進行理論說明，未提出在實驗時，如何產(chǎn)生諧波。文獻[2]在諧波條件下以計量誤差量化分析為基礎(chǔ)，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(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計

在硬件設(shè)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(fā)生器、標準電能表、被測電能表、奇偶次諧波匹配模塊等構(gòu)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(fā)生器產(chǎn)生各種諧波，用戶可以根據(jù)實驗的需要，設(shè)定不同的諧波類型，實現(xiàn)N次諧波的輸出[4]。通過載波通信模塊能夠?qū)崿F(xiàn)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(fā)送控制命令，電能表檢定裝置在諧波發(fā)生器產(chǎn)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?dāng)_。

該研究設(shè)計出的諧波影響量實驗?zāi)軌蛟谟脩糇灾骺刂浦C波產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(tài)。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(shù)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(jié)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(shù)據(jù)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(shù)。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(shè)置在電能表檢定裝置內(nèi)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(xiàn)場載波等雜波信息帶來干擾，提高實驗的準確率。實現(xiàn)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?shù)接嬎銠C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(gòu)示意圖

1.2 諧波發(fā)生器產(chǎn)生諧波原理

對產(chǎn)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(chǎn)生原理示意圖

參考圖2 可以看到，投擲電路中的開關(guān)K2，使開關(guān)K2 處于通路狀態(tài)，與此同時，將開關(guān)K1、K3 處于空閑狀態(tài)。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(shè)置了偶次諧波自動匹配裝置，通過電路中的取樣電阻調(diào)節(jié)電路中的電流[6-7]。

當(dāng)實驗需求產(chǎn)生次諧波時，投擲電路中的開關(guān)K2，使開關(guān)K2 處于通路狀態(tài)，與此同時，將開關(guān)K1、K3 處于空閑狀態(tài)。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(dāng)實驗需求產(chǎn)生次諧波時，投擲電路中的開關(guān)K2，使開關(guān)K2 處于通路狀態(tài)，與此同時，將開關(guān)K1、K3 處于空閑狀態(tài)。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(xiàn)諧波誤差的量化分析，設(shè)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(shè)在信息中輸入干擾信號，在調(diào)整兩種信號時的調(diào)整頻率為F，則在一個時分割周期中，將基波分割的份數(shù)[11]用式（5）來表示：

用f1表示工頻，則每等份所對應(yīng)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(nèi)所分割的份數(shù)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(shù)為：

3 載波通信技術(shù)

3.1 濾波器電路設(shè)計

在上述實驗中，采用了載波通信技術(shù)，載波模塊中設(shè)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(shù)據(jù)信息一相一相地通信，假設(shè)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(dāng)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(jīng)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?dāng)_，尤其是在諧波實現(xiàn)環(huán)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(tǒng)提供干凈、無干擾的純諧波測試環(huán)境。在應(yīng)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(shè)計圖

3.2 衰減器數(shù)學(xué)模型

首先構(gòu)建衰減器的數(shù)學(xué)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(dāng)ω=2πf時，假設(shè)衰減程度為50 dB，當(dāng)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(shù)即可。更具體地說：

當(dāng)選擇L=500 μH，C=150 nF，衰減器的衰減倍數(shù)為52.68 dB；

當(dāng)選擇L=500 μH，C=100 nF，衰減器的衰減倍數(shù)為49.15 dB。

按照上述方法以此類推，在長期的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)按照L=500 μH，C=150 nF 進行設(shè)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(dāng)電路負載的作用，用戶也將該模塊當(dāng)做抗干擾器使用[15-17]。

濾波器電路設(shè)計原理是依據(jù)衰減器數(shù)學(xué)模型進行的，通過利用衰減器數(shù)學(xué)模型進行計算，能夠?qū)崿F(xiàn)衰減倍速的計算，根據(jù)用戶實驗的需求，通過設(shè)置不同的L和C參數(shù)，可以進行不同衰減倍數(shù)調(diào)整，進而實現(xiàn)不同程度的濾波。

4 仿真結(jié)果分析

該研究的實驗?zāi)康挠袃蓚€，一個是驗證在諧波環(huán)境下和無諧波環(huán)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(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司興安供電公司實驗室內(nèi)進行，實驗方案為采用圖1 中的硬件設(shè)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(fā)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(nèi)設(shè)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(fā)生器產(chǎn)生諧波，標準電能表和被測電能表分別接收諧波發(fā)生器發(fā)出的信號，分別觀察二者的諧波變化。仿真軟件應(yīng)用Multisim，依據(jù)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(fā)生器如何產(chǎn)生諧波以及如何產(chǎn)生不同次的諧波，1.2 節(jié)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(shè)分別加入的諧波及含量如表1 所示。

表1 諧波輸入量數(shù)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(nèi)，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(nèi)，次諧波的含量為80.3%、59.4%，奇次諧波次數(shù)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(guān)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(shù)方案進行實驗，得出如表2 所示的數(shù)據(jù)(單位：W)。

通過表3 可以得出以下各種誤差數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(jù)現(xiàn)場或?qū)嶒炇倚枰O(shè)置，規(guī)格、大小、型號根據(jù)實際情況調(diào)整（不限），放置位置也是根據(jù)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(zhuǎn)換工具。

實驗時，示波器設(shè)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(fā)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(xiàn)了對載波信號的明顯衰減。該文設(shè)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(xiàn)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?qū)崿F(xiàn)電能表臨表位之間的載波信號引起的串?dāng)_，使得該實驗處于比較純凈的環(huán)境，避免由于其他雜波信息引起實驗誤差，導(dǎo)致測量不準確，這也是該研究的創(chuàng)新點之一。

5 結(jié)論

該研究針對各個企業(yè)及相關(guān)用戶對電能表精度的需要，提出了在實驗環(huán)境下實驗電能表的方案。該研究通過設(shè)置能夠產(chǎn)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(fā)生器，并在該環(huán)境下對電能表進行功能測試[23]，通過檢測可知，在諧波環(huán)境中比在基波（無諧波）環(huán)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(shù)方案已在國網(wǎng)內(nèi)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(shù)基礎(chǔ)。