谐波环境下实现智能电能表计量误差影响量分析

谢宏伟，张力军，王强，李源博，高少梅

（国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司，内蒙古兴安盟 137400）

在智能电网技术飞速发展的情形下，智能电能表作为电能计量的重要器具，关系到智能电网进一步的建设，智能电能表在各个行业也越来越多地得到应用。为了提高电能表计量的准确度，需要提高电能表的检测精度。通常电力设备工作的环境复杂多变，容易受外界谐波、磁场等各种环境的影响。在关于电能表检定相关规程中（比如JJG596-2012）对电能表的检定标准做出很多规定，以提高电能表检测精度。在其他电能表相关标准中，比如（GB/T17215）也针对电能表在多种环境（比如磁场、杂波、纹波等条件）下计量电能表各项参数，尤其是误差影响量实验。因此，如何在谐波影响下，检测电能表的检测精度是一项热门课题。

现有技术中，文献[1]虽然针对谐波对电能计量装置影响的误差进行了分析[1]，该理论仅仅结合电能表的结构原理进行理论说明，未提出在实验时，如何产生谐波。文献[2]在谐波条件下以计量误差量化分析为基础，提供一种电能计量方案，针对电子式电能表全波计量和基波计量方式之间的计量误差进行了量化分析，但没有说明谐波次数不同时谐波对电能表的误差影响分析[2]。文献[3]仅仅对电源短时中断及偶次谐波情况下对电能表的误差影响量进行分析[3]，对奇次谐波的情况，并没有说明。上述方案均未提到载波通信。

1 电能计量误差分析方案

1.1 硬件结构设计

在硬件设计中，其主要包括计算机、总控中心、载波模块、诊断模块、谐波发生器、标准电能表、被测电能表、奇偶次谐波匹配模块等构成。通过程控精密电源向各个模块提供正常工作的电压，通过配备电流谐波发生器产生各种谐波，用户可以根据实验的需要，设定不同的谐波类型，实现N次谐波的输出[4]。通过载波通信模块能够实现实验装置的载波通信，通过奇、偶次谐波匹配模块满足奇、偶次谐波实验测试条件。计算机向总控中心发送控制命令，电能表检定装置在谐波发生器产生的谐波下进行电能表误差检定工作。实验还采用载波通信的方式，大大减少了电能表表位间载波信号之间的串扰。

该研究设计出的谐波影响量实验能够在用户自主控制谐波产生类型的情况下，进行多种谐波实验，比如直流高次谐波、偶次谐波、奇次谐波、次谐波等。在进行多种谐波实验之前，需要按照图1 中的硬件结构连接。启动程控电源，使图1 中的各个部件均能够处于正常的工作状态。然后将电流、电压回路高次谐波、偶次谐波、奇次谐波、次谐波等各种相位参数信息输送至程控电源，电源将接收到的信息进行计算，将计算结果以全波波形的形式输出，并将该波形信息进行功率放大。放大后的功率信息数据输出至电能表检定装置。电能表检定装置按照误差计算法计算电能表各项参数。在该研究中，仅仅以检测误差项目作为示例说明。在检测过程中，智能电能表选择一只标准电能表，再选择一只被测表，然后将这两只表分别设置在电能表检定装置内的检测表位上。然后通过RS232 或RS485 将检测信号传递到计算机。在该研究中，采用载波通信模块。该模块能够减少检测现场载波等杂波信息带来干扰，提高实验的准确率。实现时，标准电能表和被测电能表脉冲信息在总控中心的控制下均被传输到计算机进行存储。利用比较法观察被检表相对于标准表的误差[5]。

图1 实验架构示意图

1.2 谐波发生器产生谐波原理

对产生不同谐波的原理进行说明，示意图如图2所示。

图2 谐波产生原理示意图

参考图2 可以看到，投掷电路中的开关K2，使开关K2 处于通路状态，与此同时，将开关K1、K3 处于空闲状态。通过这种控制方式，再将标准表在电能表检定装置中接入正弦波为全波电流。通过图2中的电流后，电流的正弦波正半周电流信号被输入至被检电能表的接收端，电流的正弦波负半周电流被输入至匹配电阻回路。电路中还设置了偶次谐波自动匹配装置，通过电路中的取样电阻调节电路中的电流[6-7]。

当实验需求产生次谐波时，投掷电路中的开关K2，使开关K2 处于通路状态，与此同时，将开关K1、K3 处于空闲状态。在每4 个周期电流中，第一个周期和第二个周期的电流的输出端与偶次谐波自动匹配装置的输入端连接。第三个周期和第四个周期的电流的输出端与被检表和标准表回路的输入端连接。然后就可以启动误差计算器，采用上文介绍的标准表法进行误差实验[8-9]。

当实验需求产生次谐波时，投掷电路中的开关K2，使开关K2 处于通路状态，与此同时，将开关K1、K3 处于空闲状态。此时，每个电流正弦周期的前1/4周期和第三个1/4 周期的电流信号输出端与谐波自动匹配装置的输出端连接。第二个1/4 周期和第四个1/4 周期的输入端与被检测电能表和标准表的输入端连接。然后启动误差计算器，采用上文介绍的标准表法进行误差实验[10]。

2 误差影响量量化分析方法

该研究采用时分割乘法实现谐波误差的量化分析，设存在电压脉冲信息为：

其中，ω0表示基波角频率，对上述信息输入h次相同频率的谐波，然后将输入后的谐波信息记作:

在式（3）和（4）中，h表示为输入量频率，Ah和Bh分别为电压信号与电流信号在h次谐波输入下的有效值，ωh表示在h次谐波输入下的角频率，ψh表示在h次谐波输入下，谐波电流相位与谐波电压相位之间的差。假设在信息中输入干扰信号，在调整两种信号时的调整频率为F，则在一个时分割周期中，将基波分割的份数[11]用式（5）来表示：

用f1表示工频，则每等份所对应的弧度表示为2 π/n1,在h次谐波输入下，在单个周期范围内所分割的份数为nh=n1/h。

在h次谐波输入下,uUh和iIh在进行k次分割时的输出函数为：

3 载波通信技术

3.1 滤波器电路设计

在上述实验中，采用了载波通信技术，载波模块中设置有载波通信电路，该电路如图3 所示。载波通信在电能表检定过程中，采用两根电压线，在读表操作时，比如三相电能表，数据信息一相一相地通信，假设在对电能表的A 相进行载波通信时，投掷图3 中的双刀双掷继电器4[12]。当双刀双掷继电器4的JK4A 触点3 投向接触点4 时，同时将继电器JK4B触点6 掷向接触点5，此时，载波信号从ZB_UA 和ZB_UN 两路线进来，通过UA_OUT 和N_OUT 进入三相电能表，同时载波信号经过L7、L8、L1、L4、C8、C9、C2组成的两级衰减电路衰减后，避免载波信号通过UA_IN 和N_IN 两条线进入其他表位电能表，从而起到了隔离载波信号的作用[13]。

通过采用载波通信模块，能够避免电能表表位间载波信号的串扰，尤其是在谐波实现环境下，使得实验过程中免受电力载波的影响。为整个测试系统提供干净、无干扰的纯谐波测试环境。在应用过程中，由于载波衰减比例不同，载波衰减程度也不同[14]。

图3 滤波器电路设计图

3.2 衰减器数学模型

首先构建衰减器的数学计算模型如图4 所示。

图4 滤波器衰减模型

在图4 电路中，用以下公式对其原理进行说明。

将该公式换算成衰减分贝值，则有：

其中，当ω=2πf时，假设衰减程度为50 dB，当f=270 kHz 时，则有：

如果想采用不同的衰减程度，则采用不同的参数即可。更具体地说：

当选择L=500 μH，C=150 nF，衰减器的衰减倍数为52.68 dB；

当选择L=500 μH，C=100 nF，衰减器的衰减倍数为49.15 dB。

按照上述方法以此类推，在长期的应用过程中发现，当按照L=500 μH，C=150 nF 进行设计固定衰减值的衰减器时，不仅具有较好的衰减功能，还能够充当电路负载的作用，用户也将该模块当做抗干扰器使用[15-17]。

滤波器电路设计原理是依据衰减器数学模型进行的，通过利用衰减器数学模型进行计算，能够实现衰减倍速的计算，根据用户实验的需求，通过设置不同的L和C参数，可以进行不同衰减倍数调整，进而实现不同程度的滤波。

4 仿真结果分析

该研究的实验目的有两个，一个是验证在谐波环境下和无谐波环境下，电能表计量误差的影响量情况。另一个目的是验证存在上述载波通信模块下和不存在上述载波通信模块下，载波信号隔离情况。

该实验在国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司实验室内进行，实验方案为采用图1 中的硬件设备，比如总控中心、载波通信模块、计算机、诊断模块（该实验采用示波器）、谐波发生器、标准电能表、被测电能表、奇偶次谐波匹配模块等，标准电能表采用三相电能表，载波箱内设置有东软、鼎信及力合微等厂家载波抄控器，采用的示波器的带宽为100 MH，采样率为2.5 GS/s。实验时，通过总控中心控制谐波发生器产生谐波，标准电能表和被测电能表分别接收谐波发生器发出的信号，分别观察二者的谐波变化。仿真软件应用Multisim，依据仿真模型在不同的谐波指标情况下进行具体仿真分析，以输出不同的仿真波形。

那么谐波发生器如何产生谐波以及如何产生不同次的谐波，1.2 节有具体说明，在实验过程中，不做详细说明。

4.1 谐波方案验证

按照文中第一部分的方案进行实验，假设分别加入的谐波及含量如表1 所示。

表1 谐波输入量数值表

通过3 个小时的实验，可以看到，电能表检定装置供电单元的电压波形失真度范围为0.2%～0.5%，电流波形失真度范围为0.2%～0.4%，功率准确度范围为0.1%～0.5%，频率输出范围为0～70 Hz。通过实验，还可以看到，在0～45 Hz、45～90 kHz、90～150 kHz的范围内，高次谐波的含量分别为82%、61%、8%。其中在36.5 Hz、60.5 Hz 的范围内，次谐波的含量为80.3%、59.4%，奇次谐波次数分别为3 次、5 次、7 次、9 次、11 次、13 次、15 次时，谐波含量分别为51.2%、20.5%、18.4%、14.6%、11.5%、9.4%、8.6%。该项目指标符合相关国际标准的要求。

在加入谐波之前，先在未加入任何谐波的情况下进行实验，谐波对电表功率、电量、电压、电流都有影响，电能表最后计算出的脉冲是功率，功率是电压和电流的乘积，利用标准功率来反映谐波情况下和非谐波情况下的脉冲输出。在无谐波时，电压的有效输出值为63.5 V，相位为0°，输入的有效电流值为500 A，相位也为0°，电能表检定装置的输入功率为31.75 MW[18-20]，然后再加入表2 中谐波，利用第一部分介绍的技术方案进行实验，得出如表2 所示的数据(单位：W)。

通过表3 可以得出以下各种误差数据，误差率[21-23]的计算公式为：

通过实验对比，能够明显看出谐波对电能表的功率影响量。

表2 实验数据表

表3 误差实验表

4.2 载波通信验证

实验时，首先，将智能电能表放置于测试平台上，测试平台可根据现场或实验室需要设置，规格、大小、型号根据实际情况调整（不限），放置位置也是根据实际情况放置，不固定测试平台位置。测试工具为载波信号转换工具。

实验时，示波器设置在三相电能表检定装置中表位1 的电能表载波模块的UA 和UN 中，利用软件控制东软抄控器向表位1 电能表的载波模块发送载波信号，提取示波器中的载波信号，然后将示波器插至表位2 电能表载波模块的同样位置中，观察是否有载波信号，并与表位1 提取的载波信号进行对比如图5 和图6 所示。

图5 衰减前的载波通信波形信号图

图6 衰减后的载波通信波形信号图

其中，图5 为表位1 衰减前的载波通信波形信号图，图6 为表位2 衰减后的载波通信波形信号图。通过图5 和图6 可以看到，该文的载波通信模块实现了对载波信号的明显衰减。该文设计的载波通信方法能够滤除载波信号，从而避免相邻表位计量、测试时存在的载波信号引起的干扰，实现了载波信号隔离的作用[22]。

通过波形仿真，该文的载波通信模块能够大大衰减杂波信息，有利于提高电能表实验的精确度。通过图5 和图6 可以看出，采用本研究的载波通信方式能够实现电能表临表位之间的载波信号引起的串扰，使得该实验处于比较纯净的环境，避免由于其他杂波信息引起实验误差，导致测量不准确，这也是该研究的创新点之一。

5 结论

该研究针对各个企业及相关用户对电能表精度的需要，提出了在实验环境下实验电能表的方案。该研究通过设置能够产生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、次谐波等不同谐波的谐波发生器，并在该环境下对电能表进行功能测试[23]，通过检测可知，在谐波环境中比在基波（无谐波）环境中误差较大，说明不同级别谐波对电能表的误差具有不同层次的影响。该技术方案已在国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司进行推广，为下一步电能表谐波影响量研究奠定了技术基础。