石振剛,徐建云,史 輪,李 涵,馬紅明,耿建坡,任 鵬

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021)

基于智能電能表諧波影響測(cè)試系統(tǒng)的電能諧波產(chǎn)生方法研究

石振剛,徐建云,史 輪,李 涵,馬紅明,耿建坡,任 鵬

(國(guó)網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021)

介紹了智能電能表諧波影響測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,研究了電能諧波產(chǎn)生的原理和方法,利用電子開(kāi)關(guān)切換常規(guī)電流源輸出的正弦波,獲得了試驗(yàn)需要的直流偶次諧波、次諧波、奇次諧波。通過(guò)試驗(yàn)證明,產(chǎn)生的各部分諧波含量符合GB/T 17215.321-2008《12級(jí)靜止式有功電能表》對(duì)電流直流偶次諧波、次諧波、奇次諧波的波形要求,創(chuàng)造了在諧波條件下試驗(yàn)電能表的模擬環(huán)境。

智能電能表;諧波;電子開(kāi)關(guān);測(cè)量

近幾年,隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,智能電網(wǎng)建設(shè)速度加快,智能電能表成為我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分[1]。同時(shí),以電子裝置為代表的非線性負(fù)荷在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用,隨著電力電子裝置等非線性負(fù)荷的大量應(yīng)用,電網(wǎng)中電壓、電流波形往往偏離正弦波形而發(fā)生畸變,因此諧波對(duì)電能計(jì)量影響的研究受到各方的普遍關(guān)注[2-3]。電能計(jì)量關(guān)系到電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)核算,涉及到發(fā)電、供電、用電三方的經(jīng)濟(jì)利益。電能表是電能計(jì)量的核心部分和基本器具,其計(jì)量準(zhǔn)確度直接關(guān)系到電能計(jì)量的精度,因此,深入系統(tǒng)地研究諧波對(duì)電能表和電能計(jì)量方式的影響意義重大[4]。以下提出了評(píng)估諧波對(duì)電能表計(jì)量誤差的原理和方法,能夠?qū)χ悄茈娔鼙碇C波影響進(jìn)行綜合評(píng)定和全面考察,從而提高電能計(jì)量的技術(shù)水平。

1 諧波影響測(cè)試系統(tǒng)介紹

測(cè)試系統(tǒng)采用電流諧波發(fā)生器實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的諧波輸出,采用程控精密電源提供被試表和標(biāo)準(zhǔn)表所需的試驗(yàn)電流、電壓。采用偶次諧波匹配箱匹配負(fù)載(被測(cè)表)兩端的電流以滿足偶次諧波試驗(yàn)測(cè)試條件。測(cè)試系統(tǒng)可自動(dòng)轉(zhuǎn)換基本誤差試驗(yàn)、直流和偶次諧波試驗(yàn)的試驗(yàn)接線,由計(jì)算機(jī)、總控中心、表位功能試驗(yàn)?zāi)K、偶次諧波匹配箱、程控電源、標(biāo)準(zhǔn)電能表、諧波發(fā)生器組成,結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 諧波影響測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體功能是實(shí)現(xiàn)電能表在諧波影響下的誤差檢定,在計(jì)算機(jī)控制下,標(biāo)準(zhǔn)電能表將功率標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖送入表位功能試驗(yàn)?zāi)K,表位功能試驗(yàn)?zāi)K同時(shí)采集被校表脈沖并計(jì)算出誤差,利用電能比較法算出的誤差在本地顯示,并通過(guò)高速工業(yè)CAN總線上傳到總控中心;控制中心把采集到的數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合管理,即完成了電能表諧波影響測(cè)試。

2 產(chǎn)生電能諧波試驗(yàn)研究

2.1 產(chǎn)生電能諧波的原理

諧波影響試驗(yàn)分為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4種試驗(yàn)。電壓電流回路的高次諧波由程控電源產(chǎn)生,計(jì)算機(jī)將需要的諧波次數(shù)、諧波含量、諧波相位等參數(shù)發(fā)送給程控電源,程控電源計(jì)算出全波波形經(jīng)功率放大后輸出給被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表,誤差計(jì)算器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表脈沖和被檢表脈沖進(jìn)行比對(duì),計(jì)算出此種諧波下被檢表的誤差。在計(jì)算機(jī)的控制下,程控電源可產(chǎn)生多種高次諧波組合進(jìn)行誤差校驗(yàn),也可與純基波誤差進(jìn)行比對(duì)計(jì)算高次諧波誤差影響。產(chǎn)生電能諧波的原理見(jiàn)圖2。

圖2 產(chǎn)生電能諧波的原理

試驗(yàn)時(shí),諧波發(fā)生控制電路接收計(jì)算機(jī)控制指令,控制K1、K2、K3的閉合和斷開(kāi),控制電子開(kāi)關(guān)按設(shè)定時(shí)序?qū)ê蛿嚅_(kāi)。自動(dòng)匹配控制電路根據(jù)電流采樣電阻上的電流大小改變可變電阻阻值調(diào)節(jié)兩回路電流至相等。非諧波試驗(yàn)時(shí),K1閉合,K2、K3斷開(kāi),程控電源全波電流全波經(jīng)被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表,此種接法與常規(guī)校驗(yàn)臺(tái)完全相同。這種方法要求控制電子開(kāi)關(guān)的觸發(fā)信號(hào)與電流源同步,控制點(diǎn)準(zhǔn)確。

2.2 產(chǎn)生直流和偶次諧波的方法及波形

直流和偶次諧波試驗(yàn)時(shí),由于標(biāo)準(zhǔn)表電流檢測(cè)回路直接接入偶次諧波電流時(shí)存在較大誤差,故將標(biāo)準(zhǔn)表接入全波電流,此時(shí)K2閉合,K1、K3斷開(kāi),在電子開(kāi)關(guān)1和電子開(kāi)關(guān)2的控制下電流源電流的正半周流經(jīng)被檢電能表,負(fù)半周流經(jīng)匹配電阻回路,在K2處會(huì)合正負(fù)半周均經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電能表回流至電流源。由于程控電流源的瞬態(tài)響應(yīng)問(wèn)題,當(dāng)被檢表回路和匹配回路電阻不均衡時(shí)會(huì)引起被檢表回路和匹配回路電流不相等,引起系統(tǒng)誤差,這里設(shè)置自動(dòng)匹配電路(直流偶次諧波自動(dòng)匹配儀),偶次匹配箱內(nèi)部在兩路電路回路上設(shè)置電流取樣電阻,在匹配回路設(shè)置可變電阻,自動(dòng)匹配控制電路根據(jù)兩路取樣電阻上的電流大小調(diào)節(jié)可變電阻使兩路電流相等,從而消除因匹配引起的系統(tǒng)誤差。偶次諧波校驗(yàn)時(shí)誤差計(jì)算器將被檢表常數(shù)設(shè)置為標(biāo)稱值的1/2,通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表脈沖和被檢表脈沖進(jìn)行比對(duì)計(jì)算出直流偶次諧波下被檢表的誤差,此誤差與相同電流下全波誤差進(jìn)行比對(duì)可得出直流偶次諧波誤差影響量。產(chǎn)生直流偶次諧波的波形如圖3所示。

圖3 直流偶次諧波的波形

2.3 產(chǎn)生次諧波的方法及波形

次諧波試驗(yàn)時(shí),將標(biāo)準(zhǔn)表電流檢測(cè)回路接入次諧波電流,此時(shí)K3閉合,K1、K2斷開(kāi),在電子開(kāi)關(guān)1和電子開(kāi)關(guān)2的控制下,每4個(gè)周期電流的前2個(gè)周期流經(jīng)匹配回路,后2個(gè)周期流經(jīng)被

檢表和標(biāo)準(zhǔn)表回路。誤差計(jì)算器通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表脈沖和被檢表脈沖進(jìn)行比對(duì)計(jì)算出次諧波下被檢表的誤差,此誤差與相同電流下全波誤差進(jìn)行比對(duì)可得出次諧波誤差影響量。產(chǎn)生次諧波的波形見(jiàn)圖4。

圖4 次諧波的波形

2.4 產(chǎn)生奇次諧波的方法及波形

奇次諧波試驗(yàn)時(shí),將標(biāo)準(zhǔn)表電流檢測(cè)回路接入奇次諧波電流,此時(shí)K3閉合,K1、K2斷開(kāi),在電子開(kāi)關(guān)1和電子開(kāi)關(guān)2的控制下,每周期電流的前1/4周期和第3個(gè)1/4周期流經(jīng)匹配回路,第2個(gè)1/4周期和第4個(gè)1/4周期流經(jīng)被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表回路。誤差計(jì)算器通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)表脈沖和被檢表脈沖進(jìn)行比對(duì)計(jì)算出奇次諧波下被檢表的誤差,此誤差與相同電流下全波誤差進(jìn)行比對(duì)可得出奇次諧波誤差影響量。奇次諧波的波形見(jiàn)圖5。

圖5 奇次諧波的波形

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)過(guò)程中,系統(tǒng)裝置電壓波形失真度為0.3%,電流波形失真度為0.2%,功率穩(wěn)定度為0.04%/120s,頻率輸出范圍為45～65Hz,電壓輸出調(diào)節(jié)范圍為0～120%,電流輸出調(diào)節(jié)范圍為0～120%,頻率調(diào)節(jié)細(xì)度0.01Hz。

通過(guò)諧波試驗(yàn),得出以下數(shù)據(jù):在0～50Hz、50～100kHz、100～150kHz的范圍內(nèi),直流諧波的含量分別為83%、60%、8%,在37.5Hz、62.5Hz時(shí),次諧波的含量為81.3%、59.0%,奇次諧波次數(shù)分別為3次、5次、7次、9次、11次、13次、15次的情況下,諧波含量分別為54.2%、19.5%、17.3%、13.2%、11.1%、8.1%、8.2%。滿足GB/T17215.321-2008《12級(jí)靜止式有功電能表》對(duì)電流直流偶次諧波,次諧波,奇次諧波波形的要求。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)研究,得出以下結(jié)論:

a.通過(guò)試驗(yàn),裝置電壓、電流波形失真度≤0.5%,裝置精度高;

b.功率輸出穩(wěn)定度≤0.05%/120s,穩(wěn)定性較好;

c.能夠產(chǎn)生電流直流偶次諧波、次諧波、奇次諧波,波形清晰、準(zhǔn)確,其含量符合國(guó)標(biāo)規(guī)定的試驗(yàn)要求,滿足了電能表在諧波環(huán)境下進(jìn)行的誤差影響量試驗(yàn)。

[1] 林曉明,肖 勇.智能電網(wǎng)建設(shè)中加強(qiáng)電力需求側(cè)管理研究[J].中國(guó)電力教育,2011(30):46-48.

[2] 孫衛(wèi)明,趙 偉.諧波和間諧波對(duì)全電能計(jì)量準(zhǔn)確度的影響[J].電測(cè)與儀表,2011,48(9):49-52.

[3] 賀七杰.諧波對(duì)電能計(jì)量的影響分析[J].電子測(cè)試,2013 (20):49-50.

[4] 陳志恩.解析計(jì)量管理中智能電能表的應(yīng)用[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014(16):168-168.

本文責(zé)任編輯: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

石振剛(1982-),男,工程師,主要從事電力計(jì)量研究工作。