用于電能表直流和偶次諧波影響試驗的負載自動匹配方法研究

胡 斌，晏 依，董 琳

（1.國網九江市濂溪區供電公司，江西 九江 332207；2.國網江西省電力有限公司供電服務管理中心，江西 南昌 330096；3.南昌科晨電力試驗研究院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

非線性負荷的增加使電網信號出現動態畸變，包括新的諧波種類和直流分量，在此環境下電能表是否能夠保證準確計量是電力企業以及用戶共同關心的問題[1-4]。GB/T 17215.321—2021中規定了電能表在直流和偶次諧波下的計量性能要求，并提供了具體的試驗方法[5]。

為確保試驗結果的準確可靠，要求平衡阻抗與被檢表的阻值近似相等。常采用與被檢表同型號的電能表作為匹配阻抗且在二條支路中各接入一個10倍于被檢表阻抗的電阻來減小由于阻抗不平衡帶來的差異。由于試驗時被檢表的規格、型號和數量不相同，并且兩個回路的導線連接不可能完全一致，因此每次試驗都需重新調整平衡阻抗[6-7]。該方法存在操作不便、耗時長且測試結果不夠準確的缺點。也可采用繼電器和電阻并聯的陣列作為匹配負載，通過控制繼電器的閉合和關斷，改變匹配負載的電阻值，以實現和被檢測表電阻的匹配[8]。由于繼電器需不停動作直至匹配負載和被檢表的電阻相等，因此該方法存在繼電器頻繁動作易產生電弧且自動匹配耗時較長的缺點。文中提出一種用于電能表直流和偶次諧波影響試驗的負載自動匹配方法，通過反饋調節場效應管的導通電阻，實現與被檢表電阻的自動匹配，具有精度高和速度快的優點。

1 電能表直流和偶次諧波試驗方法

靜止式交流電能表在實際設計時，可用精密電阻或電流互感器作為電流采樣單元，對于三相電子式電能表由于存在線電壓，不便采用精密電阻直接取樣，多采用電流互感器進行電流采樣。

當電流線路中存在直流分量時，可能會造成電流互感器鐵心飽和，進而導致二次側輸出電流波形畸變，影響電能計量準確[9-11]。為考核電能表在直流和偶次諧波影響下的計量性能，標準規定了如圖1所示的實驗方法，標準功率源輸出的正弦信號經過標準表的電流線路，如圖2所示的正半周導通且負半周截止的半波測試信號流過被檢表的電流線路；正半周截止且負半周導通的半波測試信號則流過平衡阻抗。支路電流不對稱會造成直流含量不準，從而影響試驗結果，因此必須要求各支路電阻阻抗平衡。

圖1 直流和偶次諧波試驗原理圖

圖2 直流和偶次諧波測試信號

2 直流和偶次諧波影響試驗的負載自動匹配方法

電子負載的原理是控制內部功率MOSFET或晶體管的導通量，通過功率管的耗散功率消耗電能，能夠準確檢測出負載電壓，精確調整負載電流，同時可以實現模擬負載短路，模擬負載感性、阻性和容性。用電子負載取代平衡阻抗，對比被檢表二端的電壓與電子負載所在支路的電壓，輸出反饋信號動態調節電子負載阻抗值，最終實現負載的快速精準匹配。圖3是直流和偶次諧波影響試驗的負載自動匹配裝置結構圖。

圖3 直流和偶次諧波影響試驗的負載自動匹配裝置結構圖

具體原理是：反饋電路通過比較匹配負載支路上二端的電壓與被檢表二端的電壓以判斷二者的阻抗是否匹配，并將匹配信息轉換成反饋信號輸出給驅動電路；驅動電路根據反相器和反饋電路單元的輸出信號大小，調節其輸出的電壓值；電子負載單元根據驅動電路的輸出電壓值調節內部MOSFET管的導通阻抗，以改變自身阻抗，從而實現負載的自動匹配。時序提取電路提取匹配負載支路的信號時序，以控制驅動電路工作，使匹配負載支路在正半周導通的半波信號和負半周導通的半波信號下均能正常工作。

3 試驗驗證

選取三塊不同廠家同型號的電能表進行試驗，驗證裝置在負載自動匹配后輸出波形的準確性，電能表的規格為：基本電流Ib=1.5 A，最大電流Imax=6 A，參比電壓Un=220 V，有功常數C=6 400 imp/kWh。圖4所示是輸出半波但并未經負載匹配時直流和偶次諧波波形，可知測試波形存在明顯畸變；圖5所示為經過負載匹配后直流偶次諧波波形，測試波形的畸變已基本消除。

圖4 匹配前的直流和偶次諧波輸出波形

圖5 匹配后的直流和偶次諧波輸出波形

國際法制計量組織制定OIML R46規定：匹配后標準表電流線路中信號的直流分量不高于交流分量的0.5%。為檢測上述樣表在直流和偶次諧波下的計量準確，需在不同的負載點準確輸出測試波形，選取的負載點的功率因數分別為1.0 L、0.5 L和0.8 C，電流幅值分別為0.05 Ib、0.1 Ib、0.2 Ib、Ib和Imax，分析通過標準表的電流信號，分別測試直流分量與交流分量，得到二者之間的比值如表1所示。

表1 直流分量與交流分量的比值%

由表1可知，在功率因數為1且負載點電流值為最大負載電流Imax時，輸出的諧波波形更準確，但是負載點為容性或感性時，輸出的直流和偶次諧波測試波形均滿足要求。

4 結語

電能表直流和偶次諧波試驗時，被檢表電阻和匹配電阻的匹配精度會直接影響測試結果的可信度，文中通過電壓反饋自動調節場效應管的導通電阻，實現了其與被檢表電阻的實時精準匹配，匹配后標準表電流線路中信號的直流分量不高于交流分量的0.5%，滿足OIML R46測試需求。