避免电力谐波导致电子式电能表计量误差的研究与设计

杨智勇

（国网四川省电力公司南充供电公司，四川 南充 637000）

谐波的频率为基频整数倍，其为一个周期电气量的正弦分量，非线性负载大量应用是电力谐波产生的原因，谐波对计量仪表、通讯设备、测量仪器、输电设备等均会产生影响，降低了电能质量。电力系统收费的依据就是电能计量，因传统感应式电能表寿命长、成本低廉、便于维修、易于调整、性能稳定、结构简单，一直以来被供电部门所使用。但是，感应式电能表虽然具有自身优点，但当电网电流和电压波形发生畸变时，伴随不断增大的高次谐波，其测量误差也逐渐增大，这就给电能的正确测量带来干扰，对供电部门和用电用户的利益带来不良影响。因此，本文对电子式电能表进行介绍。随着社会经济和科学技术水平的不断提高，微电子技术获得长足发展。在电力系统电能量计量等方面，电子式电能表的应用越来越广泛。目前，就设计层面而言，大多数电子式电能表未有效解决测量电能方面电力非线性用户谐波功率所产生的不良影响。要解决该问题，应从电子式电能表计量核心模块的工作原理着手，对电网有功功率的测算进行分析，比较谐波功率方向与电网电能理论算法对计算总功率的影响，从而提出避免电力谐波对功率计量误差影响的设计新方法。

一、电子式电能表结构及其计量原理

基于微电子电路的电子式电能表的作用就是完成计量，为使电能值正确地反映、显示出被测的电流与电压，通常情况下，直流电源、计数显示控制电路、P/f变换器、乘法器、输入级等共同构成电子式电能表，其中，电能计量单元电路由P/f变换器与乘法器组成。电子式电能表原理如图1所示。

图1 电子式电能表原理

电压电流乘积在时间t内的积分则是电子式电能表计算电能的方法，为处理、运算电网交流信号，将代表目标电能参数数字信号的全过程输出，输入级就是电子式电能表的计量核心所在，其目的是为了对交流电流、电压信号实施信号调理，用电子信号替代电网用户端中大电流、大电压。主要有电流互感器和电压互感器输入电路、以及精密电阻输入变换电路。乘法器中，相乘被测电流、电压后，将功率信号输出，该功率信号在频率转换器中被转换成标准脉冲。P/f变换器与计数器一起实现电能测量中的积分运算。计数器计数由P/f变换器的输出脉冲，并对电能进行累计，将积分运算完成。功率的大小等同于脉冲频率的大小，对功率脉冲信号进行积分处理的任务由计数器负责。在乘法器中完成电流与电压的相乘是电能量计算的主要实现步骤。乘法器可按照处理方法的不同分成数字乘法器与模拟乘法器。

1 数字乘法器

要得到电能值，先经过转换与计算电流与电压的采样信号，之后将其与时间量进行积分即可获得，数字乘法器原理较为简单。

公式中，一个周期内的采样个数由N表示。W为总有功能量，其获得通过累加计算某一时间段内各个分割时间段△t。

图2 新型电子式电能表

2 模拟乘法器

时分割正弦周期信号，之后生产一定幅度和脉宽的脉冲波，这就是模拟型乘法器的实现方法。在模拟乘法器中，可无线分割由输入级输出的、以微小时间段△t为单位的正弦波信号，正弦信号瞬时值在△t内为直流量I、U，为常数。经过调幅电路处理，I转变为调幅电流II，经过调宽电路处理，U转变为调宽电流IU，脉冲生产器负责整合IU与II。

二、计量用户电能受电力谐波的影响

1 计算总有功功率

电网中传输谐波电流与基波电流时，谐波电压与同频率谐波电流作用产生了谐波功率，而基波电压则与基波电流产生基波功率，对此，P，即总有功功率是周期T上瞬时功率的积分均值，如下所示：

公式（2）功率为恒定直流分量所构成，其总有功率转化为：

公式（3）为每次谐波有功功率值的相加，其中，φn为第n次谐波电压与电流的相角差，因频率相异的电流与电压间的相角差不稳定，因此未产生功率。

2 电能计量受谐波方向的影响

阻抗元件为非线性元件时，基波功率方向相反于谐波功率方向；若阻抗元件均为线性元件时，φn值为0，基波功率方向相同于谐波功率方向。谐波与基波在电网中传输时，都有着各自的潮流，根据不同的用电设备，潮流的方向也会发生不同的变化。因此，在计量用户的有功功率过程中，应注意各次谐波总功率存在正负。因基波有功功率方向无论在用户端还是电源端都是一致的，所以，计算用户总有功的方式会受到谐波方向的影响，从而对整体电力系统中电能的计量产生影响。针对整体电力系统而言，谐波的产生是不利因素，谐波功率会影响设备运行，单就传输功率的总量而言，问题须分两方面来看，一方面，对于线性用户，多计算了谐波功率在电能计量时的有功电量，增加损失量；另一方面，谐波的产生减少了非线性用户电能的计算，结果加大供电部门损失。

三、设计方案

普通电子式电能表之所以会因谐波产生误差，原因在于其乘法器数学方法有限，对于总有功功率的基波功率与谐波功率而言，电子式电能表核心单元无法实现有效区分，在统计用户耗电量时，只能对基波功率与谐波功率的区分加以忽略，全部统计了用户端的基波与谐波电能，这样，误差的出现成为必然，同时违背了公平原则。

对此，为限制谐波作用，让供电部门与用户对非线性用户谐波功率有个清楚的了解，设计出新型电子式电能表方案，来避免谐波对有功的计量影响，新型电子式电能表构成如图2所示。针对用户电压、电流，新型电能表分别进行两路采样，且将同样的电能计量芯片安置与每条之路上。唯一的不同是电能信号在B路上，在进入电能计量芯片前，需要通过低通滤波器，其设置在电能采样模块与芯片之间，由图2可见，电能计量芯片A计算的电能是谐波功率与基波功率之和，而电能计量芯片B计算的仅

是输入用户端的基波功率。经过微处理器后，对电能计量芯片所输入的数据进行差运算，谐波功率值便可得出，差值符号确定谐波方向。

四、设计说明

ATT70224芯片为高精度专用3相电能计量芯片，本文中提出的新型电子式电能表采用该芯片来采集电能参数。为便于读取测量数据，该芯片配备SPI接口，与此同时，其内部集成专用DSP，可对含有二十一次谐波的无功功率及有功功率进行测量。之所以在B路上设计了低通滤波器，是为了获得良好相频特性曲线。在8阶低通开关电容滤波器上串联了每相电压输入与电流输入，通过电容滤波器，一致了所有电能信号频率分量的延迟时间，这样一来，提高了信号的传输速度及稳定性，减小尖峰幅度，确保波形不发生改变。另外，可将RC等幅移相电路串接于电容滤波器的输出端上，可有效消除信号相移，这是因为ATT7022A芯片在采集电能时采用电流、电压分相输入方法，经过电容滤波器的信号容易发生相移，输出信号不同于输入信号，从而对电流、电压信号参数的乘法计算产生影响所致。低通滤波器截止频率的设置，能够将大于截止频率的谐波电能信号有效过滤，以确保基波电能信号小于截止频率，对此，可以0.1Hz至50Hz之间来设置截止频率。控制输入CLK端口时钟频率来实现截止频率，截止频率与时钟频率的比值是固定的。

结语

感应式电能表虽然具有自身优点，但当电网电流和电压波形发生畸变时，伴随不断增大的高次谐波，其测量误差也逐渐增大，所以文章主要围绕电子式电能表开展。因为电子式电能表电能计量芯片对用户功率进行计算时所依据的数学模型与电力系统中计算用户功率所依据的数学原理不相同，所以计量芯片不能对基波功率和谐波功率进行有效区分，进而混淆了谐波功率与有功功率的计量，这种误差给用户和供电部门带来影响诸多。从电子式电能表计量核心模块的工作原理着手，对电网有功功率的测算进行分析，比较谐波功率方向与电网电能理论算法对计算总功率的影响，对此，提出了控制、减少误差的新型电子式电能表设计方案，为限制谐波作用，设计出新型电子式电能表方案，新型电子式电能表可避免谐波对有功的计量影响，新型电子式电能表构成针对用户电压、电流，新型电能表分别进行两路采样，且将同样的电能计量芯片安置与每条之路上。该方案可分别统计基波功率与谐波功率，不仅有助于供电部门加强用电监管力度，还为用户控制电能消耗提供有效方法。

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