避免電力諧波導致電子式電能表計量誤差的研究與設計

楊智勇

摘 要：在簡要介紹電力諧波產生原因及電子式電能表的計量原理的基礎上，探討電子諧波所致的電能計量儀表誤差情況，針對電能計量無法有效區分基波功率與諧波功率的問題，提出解決方案。

關鍵詞：低通濾波器；芯片；功率；諧波；電子式電能表

中圖分類號：TM933 文獻標識碼：A

諧波的頻率為基頻整數倍，其為一個周期電氣量的正弦分量，非線性負載大量應用是電力諧波產生的原因，諧波對計量儀表、通訊設備、測量儀器、輸電設備等均會產生影響，降低了電能質量。電力系統收費的依據就是電能計量，因傳統感應式電能表壽命長、成本低廉、便于維修、易于調整、性能穩定、結構簡單，一直以來被供電部門所使用。但是，感應式電能表雖然具有自身優點，但當電網電流和電壓波形發生畸變時，伴隨不斷增大的高次諧波，其測量誤差也逐漸增大，這就給電能的正確測量帶來干擾，對供電部門和用電用戶的利益帶來不良影響。因此，本文對電子式電能表進行介紹。隨著社會經濟和科學技術水平的不斷提高，微電子技術獲得長足發展。在電力系統電能量計量等方面，電子式電能表的應用越來越廣泛。目前，就設計層面而言，大多數電子式電能表未有效解決測量電能方面電力非線性用戶諧波功率所產生的不良影響。要解決該問題，應從電子式電能表計量核心模塊的工作原理著手，對電網有功功率的測算進行分析，比較諧波功率方向與電網電能理論算法對計算總功率的影響，從而提出避免電力諧波對功率計量誤差影響的設計新方法。

一、電子式電能表結構及其計量原理

基于微電子電路的電子式電能表的作用就是完成計量，為使電能值正確地反映、顯示出被測的電流與電壓，通常情況下，直流電源、計數顯示控制電路、P/f變換器、乘法器、輸入級等共同構成電子式電能表，其中，電能計量單元電路由P/f變換器與乘法器組成。電子式電能表原理如圖1所示。

電壓電流乘積在時間t內的積分則是電子式電能表計算電能的方法，為處理、運算電網交流信號，將代表目標電能參數數字信號的全過程輸出，輸入級就是電子式電能表的計量核心所在，其目的是為了對交流電流、電壓信號實施信號調理，用電子信號替代電網用戶端中大電流、大電壓。主要有電流互感器和電壓互感器輸入電路、以及精密電阻輸入變換電路。乘法器中，相乘被測電流、電壓后，將功率信號輸出，該功率信號在頻率轉換器中被轉換成標準脈沖。P/f變換器與計數器一起實現電能測量中的積分運算。計數器計數由P/f變換器的輸出脈沖，并對電能進行累計，將積分運算完成。功率的大小等同于脈沖頻率的大小，對功率脈沖信號進行積分處理的任務由計數器負責。在乘法器中完成電流與電壓的相乘是電能量計算的主要實現步驟。乘法器可按照處理方法的不同分成數字乘法器與模擬乘法器。

1數字乘法器

時分割正弦周期信號，之后生產一定幅度和脈寬的脈沖波，這就是模擬型乘法器的實現方法。在模擬乘法器中，可無線分割由輸入級輸出的、以微小時間段△t為單位的正弦波信號，正弦信號瞬時值在△t內為直流量I、U，為常數。經過調幅電路處理，I轉變為調幅電流II，經過調寬電路處理，U轉變為調寬電流IU，脈沖生產器負責整合IU與II。

二、計量用戶電能受電力諧波的影響

1計算總有功功率

2電能計量受諧波方向的影響

阻抗元件為非線性元件時，基波功率方向相反于諧波功率方向；若阻抗元件均為線性元件時，φn值為0，基波功率方向相同于諧波功率方向。諧波與基波在電網中傳輸時，都有著各自的潮流，根據不同的用電設備，潮流的方向也會發生不同的變化。因此，在計量用戶的有功功率過程中，應注意各次諧波總功率存在正負。因基波有功功率方向無論在用戶端還是電源端都是一致的，所以，計算用戶總有功的方式會受到諧波方向的影響，從而對整體電力系統中電能的計量產生影響。針對整體電力系統而言，諧波的產生是不利因素，諧波功率會影響設備運行，單就傳輸功率的總量而言，問題須分兩方面來看，一方面，對于線性用戶，多計算了諧波功率在電能計量時的有功電量，增加損失量；另一方面，諧波的產生減少了非線性用戶電能的計算，結果加大供電部門損失。

三、設計方案

普通電子式電能表之所以會因諧波產生誤差，原因在于其乘法器數學方法有限，對于總有功功率的基波功率與諧波功率而言，電子式電能表核心單元無法實現有效區分，在統計用戶耗電量時，只能對基波功率與諧波功率的區分加以忽略，全部統計了用戶端的基波與諧波電能，這樣，誤差的出現成為必然，同時違背了公平原則。

對此，為限制諧波作用，讓供電部門與用戶對非線性用戶諧波功率有個清楚的了解，設計出新型電子式電能表方案，來避免諧波對有功的計量影響，新型電子式電能表構成如圖2所示。針對用戶電壓、電流，新型電能表分別進行兩路采樣，且將同樣的電能計量芯片安置與每條之路上。唯一的不同是電能信號在B路上，在進入電能計量芯片前，需要通過低通濾波器，其設置在電能采樣模塊與芯片之間，由圖2可見，電能計量芯片A計算的電能是諧波功率與基波功率之和，而電能計量芯片B計算的僅

是輸入用戶端的基波功率。經過微處理器后，對電能計量芯片所輸入的數據進行差運算，諧波功率值便可得出，差值符號確定諧波方向。

四、設計說明

ATT70224芯片為高精度專用3相電能計量芯片，本文中提出的新型電子式電能表采用該芯片來采集電能參數。為便于讀取測量數據，該芯片配備SPI接口，與此同時，其內部集成專用DSP，可對含有二十一次諧波的無功功率及有功功率進行測量。之所以在B路上設計了低通濾波器，是為了獲得良好相頻特性曲線。在8階低通開關電容濾波器上串聯了每相電壓輸入與電流輸入，通過電容濾波器，一致了所有電能信號頻率分量的延遲時間，這樣一來，提高了信號的傳輸速度及穩定性，減小尖峰幅度，確保波形不發生改變。另外，可將RC等幅移相電路串接于電容濾波器的輸出端上，可有效消除信號相移，這是因為ATT7022A芯片在采集電能時采用電流、電壓分相輸入方法，經過電容濾波器的信號容易發生相移，輸出信號不同于輸入信號，從而對電流、電壓信號參數的乘法計算產生影響所致。低通濾波器截止頻率的設置，能夠將大于截止頻率的諧波電能信號有效過濾，以確保基波電能信號小于截止頻率，對此，可以0.1Hz至50Hz之間來設置截止頻率。控制輸入CLK端口時鐘頻率來實現截止頻率，截止頻率與時鐘頻率的比值是固定的。

結語

感應式電能表雖然具有自身優點，但當電網電流和電壓波形發生畸變時，伴隨不斷增大的高次諧波，其測量誤差也逐漸增大，所以文章主要圍繞電子式電能表開展。因為電子式電能表電能計量芯片對用戶功率進行計算時所依據的數學模型與電力系統中計算用戶功率所依據的數學原理不相同，所以計量芯片不能對基波功率和諧波功率進行有效區分，進而混淆了諧波功率與有功功率的計量，這種誤差給用戶和供電部門帶來影響諸多。從電子式電能表計量核心模塊的工作原理著手，對電網有功功率的測算進行分析，比較諧波功率方向與電網電能理論算法對計算總功率的影響，對此，提出了控制、減少誤差的新型電子式電能表設計方案，為限制諧波作用，設計出新型電子式電能表方案，新型電子式電能表可避免諧波對有功的計量影響，新型電子式電能表構成針對用戶電壓、電流，新型電能表分別進行兩路采樣，且將同樣的電能計量芯片安置與每條之路上。該方案可分別統計基波功率與諧波功率，不僅有助于供電部門加強用電監管力度，還為用戶控制電能消耗提供有效方法。

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