基于智能电能表谐波影响测试系统的电能谐波产生方法研究

石振刚,徐建云,史 轮,李 涵,马红明,耿建坡,任 鹏

(国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021)

基于智能电能表谐波影响测试系统的电能谐波产生方法研究

石振刚,徐建云,史 轮,李 涵,马红明,耿建坡,任 鹏

(国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021)

介绍了智能电能表谐波影响测试系统的设计方案,研究了电能谐波产生的原理和方法,利用电子开关切换常规电流源输出的正弦波,获得了试验需要的直流偶次谐波、次谐波、奇次谐波。通过试验证明,产生的各部分谐波含量符合GB/T 17215.321-2008《12级静止式有功电能表》对电流直流偶次谐波、次谐波、奇次谐波的波形要求,创造了在谐波条件下试验电能表的模拟环境。

智能电能表;谐波;电子开关;测量

近几年,随着电子技术的快速发展,智能电网建设速度加快,智能电能表成为我国智能电网建设的重要组成部分[1]。同时,以电子装置为代表的非线性负荷在电力系统中得到广泛的应用,随着电力电子装置等非线性负荷的大量应用,电网中电压、电流波形往往偏离正弦波形而发生畸变,因此谐波对电能计量影响的研究受到各方的普遍关注[2-3]。电能计量关系到电网的经济核算,涉及到发电、供电、用电三方的经济利益。电能表是电能计量的核心部分和基本器具,其计量准确度直接关系到电能计量的精度,因此,深入系统地研究谐波对电能表和电能计量方式的影响意义重大[4]。以下提出了评估谐波对电能表计量误差的原理和方法,能够对智能电能表谐波影响进行综合评定和全面考察,从而提高电能计量的技术水平。

1 谐波影响测试系统介绍

测试系统采用电流谐波发生器实现整个装置的谐波输出,采用程控精密电源提供被试表和标准表所需的试验电流、电压。采用偶次谐波匹配箱匹配负载(被测表)两端的电流以满足偶次谐波试验测试条件。测试系统可自动转换基本误差试验、直流和偶次谐波试验的试验接线,由计算机、总控中心、表位功能试验模块、偶次谐波匹配箱、程控电源、标准电能表、谐波发生器组成,结构框图见图1。

图1 谐波影响测试系统结构

系统的整体功能是实现电能表在谐波影响下的误差检定,在计算机控制下,标准电能表将功率标准电能脉冲送入表位功能试验模块,表位功能试验模块同时采集被校表脉冲并计算出误差,利用电能比较法算出的误差在本地显示,并通过高速工业CAN总线上传到总控中心;控制中心把采集到的数据送至计算机进行综合管理,即完成了电能表谐波影响测试。

2 产生电能谐波试验研究

2.1 产生电能谐波的原理

谐波影响试验分为电压电流回路高次谐波、电流回路直流和偶次谐波、奇次谐波、次谐波4种试验。电压电流回路的高次谐波由程控电源产生,计算机将需要的谐波次数、谐波含量、谐波相位等参数发送给程控电源,程控电源计算出全波波形经功率放大后输出给被检表和标准表,误差计算器对标准表脉冲和被检表脉冲进行比对,计算出此种谐波下被检表的误差。在计算机的控制下,程控电源可产生多种高次谐波组合进行误差校验,也可与纯基波误差进行比对计算高次谐波误差影响。产生电能谐波的原理见图2。

图2 产生电能谐波的原理

试验时,谐波发生控制电路接收计算机控制指令,控制K1、K2、K3的闭合和断开,控制电子开关按设定时序导通和断开。自动匹配控制电路根据电流采样电阻上的电流大小改变可变电阻阻值调节两回路电流至相等。非谐波试验时,K1闭合,K2、K3断开,程控电源全波电流全波经被检表和标准表,此种接法与常规校验台完全相同。这种方法要求控制电子开关的触发信号与电流源同步,控制点准确。

2.2 产生直流和偶次谐波的方法及波形

直流和偶次谐波试验时,由于标准表电流检测回路直接接入偶次谐波电流时存在较大误差,故将标准表接入全波电流,此时K2闭合,K1、K3断开,在电子开关1和电子开关2的控制下电流源电流的正半周流经被检电能表,负半周流经匹配电阻回路,在K2处会合正负半周均经标准电能表回流至电流源。由于程控电流源的瞬态响应问题,当被检表回路和匹配回路电阻不均衡时会引起被检表回路和匹配回路电流不相等,引起系统误差,这里设置自动匹配电路(直流偶次谐波自动匹配仪),偶次匹配箱内部在两路电路回路上设置电流取样电阻,在匹配回路设置可变电阻,自动匹配控制电路根据两路取样电阻上的电流大小调节可变电阻使两路电流相等,从而消除因匹配引起的系统误差。偶次谐波校验时误差计算器将被检表常数设置为标称值的1/2,通过对标准表脉冲和被检表脉冲进行比对计算出直流偶次谐波下被检表的误差,此误差与相同电流下全波误差进行比对可得出直流偶次谐波误差影响量。产生直流偶次谐波的波形如图3所示。

图3 直流偶次谐波的波形

2.3 产生次谐波的方法及波形

次谐波试验时,将标准表电流检测回路接入次谐波电流,此时K3闭合,K1、K2断开,在电子开关1和电子开关2的控制下,每4个周期电流的前2个周期流经匹配回路,后2个周期流经被

检表和标准表回路。误差计算器通过对标准表脉冲和被检表脉冲进行比对计算出次谐波下被检表的误差,此误差与相同电流下全波误差进行比对可得出次谐波误差影响量。产生次谐波的波形见图4。

图4 次谐波的波形

2.4 产生奇次谐波的方法及波形

奇次谐波试验时,将标准表电流检测回路接入奇次谐波电流,此时K3闭合,K1、K2断开,在电子开关1和电子开关2的控制下,每周期电流的前1/4周期和第3个1/4周期流经匹配回路,第2个1/4周期和第4个1/4周期流经被检表和标准表回路。误差计算器通过对标准表脉冲和被检表脉冲进行比对计算出奇次谐波下被检表的误差,此误差与相同电流下全波误差进行比对可得出奇次谐波误差影响量。奇次谐波的波形见图5。

图5 奇次谐波的波形

3 试验结果与分析

在试验过程中,系统装置电压波形失真度为0.3%,电流波形失真度为0.2%,功率稳定度为0.04%/120s,频率输出范围为45～65Hz,电压输出调节范围为0～120%,电流输出调节范围为0～120%,频率调节细度0.01Hz。

通过谐波试验,得出以下数据:在0～50Hz、50～100kHz、100～150kHz的范围内,直流谐波的含量分别为83%、60%、8%,在37.5Hz、62.5Hz时,次谐波的含量为81.3%、59.0%,奇次谐波次数分别为3次、5次、7次、9次、11次、13次、15次的情况下,谐波含量分别为54.2%、19.5%、17.3%、13.2%、11.1%、8.1%、8.2%。满足GB/T17215.321-2008《12级静止式有功电能表》对电流直流偶次谐波,次谐波,奇次谐波波形的要求。

4 结论

通过对研究,得出以下结论:

a.通过试验,装置电压、电流波形失真度≤0.5%,装置精度高;

b.功率输出稳定度≤0.05%/120s,稳定性较好;

c.能够产生电流直流偶次谐波、次谐波、奇次谐波,波形清晰、准确,其含量符合国标规定的试验要求,满足了电能表在谐波环境下进行的误差影响量试验。

[1] 林晓明,肖 勇.智能电网建设中加强电力需求侧管理研究[J].中国电力教育,2011(30):46-48.

[2] 孙卫明,赵 伟.谐波和间谐波对全电能计量准确度的影响[J].电测与仪表,2011,48(9):49-52.

[3] 贺七杰.谐波对电能计量的影响分析[J].电子测试,2013 (20):49-50.

[4] 陈志恩.解析计量管理中智能电能表的应用[J].电子技术与软件工程,2014(16):168-168.

本文责任编辑:秦明娟

Study on Electric Power Harmonic Pruducing Method Based on Harmonic Influence Test System for Smart Electricity Meter

Shi Zhengang,Xu Jianyun,Shi Lun,Li Han,Ma Hongming,Geng Jianpo,Ren Peng
(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

This paper proposes a design scheme of harmonic influence test system,analyzes the principle and methods of electrical energy harmonic generated by test system,using two-way electronic switch transformed the sine wave that outputed by the conventional current source and abtained the DC even harmonic,subharmonic,odd harmonic that the test requires by studying the design ideas of electronic switch,the amount of each part of the harmonic content of generation meet with the waveform requirements of the National Standard GB/T17215.321-2008(Static meter for active energy(Classes 12))for the current DC even harmonic,harmonic,odd harmonic,creates the simulation environment for testing the electricity meter in the conditions of the harmonic.

smart electricity meter;harmonic;electronic switch;measurement

TM933.4

A

1001-9898(2016)04-0015-03

2016-03-29

石振刚(1982-),男,工程师,主要从事电力计量研究工作。