使用时分割乘法器电能表降低非线性电量计量的线损

高树宏

（国网山西省电力公司计量中心，山西 太原 030032）

使用时分割乘法器电能表降低非线性电量计量的线损

高树宏

（国网山西省电力公司计量中心，山西 太原 030032）

电子式安装式电能表的核心计量原理有多种，随着近年来市场要求最低价格的选择，相对于可以用傅里叶变换展开的谐波电量，非线性电能量涵盖的范围更广泛，逐渐变成∑—Δ原理的A/D采样软件乘法器占据了绝对的数量；而在高端市场和复杂工况，采用有功电能计量技术时分割乘法器原理电能表展示出了技术优势。针对非线性电量是否会造成漏计电量以及如何选择正确的计量技术对非线性电量进行公平、公正、精确的计量等问题进行分析，并就这两类电能表在非线性现场工况以及实验室参比工况条件下的计量展开研究。

非线性电量；模数转换器；有功电能计量技术时分割乘法器

0 引言

随着电子技术和半导体技术的发展，在用电侧，采用调频速和开关原理的电器越来越多，而在发电侧方面，风电、潮汐发电、太阳能电源以及直流输电及逆变等非传统的电源所占的比重越来越大，然而，输电及配电系统是设计在固定频率的正弦电压和电流波形下运行的。大量非线性负荷（包括谐波负荷、冲击负荷、非稳定负荷等等）在其工作时会产生谐波及冲击电流，造成电网的电流、电压发生畸变，严重时会影响到电网的安全和计量的准确性；特别是一些突变负荷和倒送负荷，会产生强大的非线性电量反向注入电网[1]。因此，电网企业迫切需要对发电源侧和需求侧的非线性电量计量进行深入的研究。

在复杂现场计量条件下，将有功电能分成基波电能和谐波电能的讲法是不全面的。基波与谐波的概念源于傅里叶变换，但是，只有周期的、连续的、稳定的信号，才能被傅里叶变换准确展开。也就是说，不满足上述3个条件的信号就不能被傅里叶变换准确展开的。因此，将有功电能分成线性电量和非线性电量的说法较为全面科学[2]。

1 电能表的工作原理和硬件条件及软件条件

电能表的工作原理、硬件条件、软件条件，对现场复杂工况条件下的电量计量的影响很大，如图1所示。

从图1中可以看到，标准电能表、安装式电能表以及最近出现的安装式标准表；分别采用两种不同的计量原理：硬件原理和软件原理。

1.1 软件乘法器的电能表

ADC是analoge to digital converter的英文缩写，意为模数转换器。ADC软件乘法器也称之为数字乘法器。其核心有两个部分：ADC模数转换技术、单片机MCU(micro control unit)或数字信号处理器DSP（digital signal processing)的乘法软件编程。软件乘法器的工作原理如图2所示，由ADC、MCU和软件3个环节构成。

ADC从工作原理上可以分成3种，即直接比较法、间接转换法和∑—Δ软件测量法。

直接法ADC的性能最好，采样速度快精度高分辨率高。间接法ADC可以实现最高的精度但缺点亦明显，就是采样速度很低。∑—ΔADC的优点是价格最低，采样分辨率高，采样速度居中。

图1 电能表硬件和软件工作原理图

图2 软件乘法器的工作原理图

由于在电子式电能表发展之初，电网用户尚未对非线性电量的计量重视并提出要求。因此从20世纪90年代之后，电子式电能表从使用SAR ADC全面转向使用∑—ΔADC。电能表的价格大大降低；为电子式电能表的普及应用起到了良好的推动作用。

A/D转换的一般步骤：由于输入的模拟信号在时间上是连续量，所以一般的A/D转换过程为：取样、保持、量化和编码。如图3所示。

简而言之，∑—ΔADC，就是通过软件模拟差动积分的过程。具体来说，就是侦测外部输入的电压（或者电流）信号变化，然后通过软件积分运算，得出外部信号随时间变化的状况。用比交流信号频率高得多的采样频率进行采样，此时得到的数字输出值将是变化的，用这些采样结果的平均值表示ADC的转换结果便能得到比同样ADC高得多的采样分辨率，此方法称做过采样(oversampling)。由于受原理性制约，∑—ΔADC已很难再大幅度改善其采样速度。

图3 A/D转换过程取样和保持及量化和编码流程图

1.2 硬件乘法器电能表

从图1中可以看到，硬件乘法器应用到产品级别中的有四种类型：跨导原理、TDM时分割原理、热耗原理、霍尔效应原理。其中跨导原理可以实现高额电能测量但耗速最低。热耦原理耗速最高但反应预热时间很长，不适应应用在安装式电能表。霍尔效应原理结构简单可靠但耗速和稳定性较低，无法实现0.2级以上安装式电能表的要求。因此TDM时分割乘法器原理是最适合应用于安装式电能表的硬件乘法器。

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TDM是time dividing multiplier的英文缩写。这是一种全新硬件电路的有功电能计量技术，具有很高的精度。TDM时分割乘法器工作原理如图4所示。

图4 时分割乘法器原理图

TDM通常分成电压型和电流平衡型两类。其工作过程是，电压信号被PWM调制产生方波控制信号，驱动时间开关分割电流信号及其镜像。这个分割的信号被积分获得的电流信号正比例于瞬时有功功率。I/F变换器输出校表脉冲信号。

2 现场比对试验

使用TDM时分割乘法器的电能表对非线性电量的计量应该是最佳方案。目前，采用TDM原理的多功能电能表均是采用TDM+ADC双系统架构的，并且三相电能表的每一个分相均拥有一个独立的TDM单元，因此这种TDM多功能电能表具有更高的可靠性[3-4]。

试验目的：验证TDM时分割乘法器电能表在非线性电量较大的电网中是否能更准确的计量，验证TDM时分割乘法器电能表是否有效的消除非线性负荷冲击对计量的负面影响及其计量的准确性。

试验对象：试验计量点选择在谐波影响较大的钢铁冶炼、电气化铁路的变电站出线侧，这些站点均存在冲击负荷、谐波干扰大、负荷极不平衡等特点。

试验方法：采用TDM时分割乘法器电能表与原计量表计并列运行，定期读取电量数据，进行实负荷计量对比试验。

在实验起止时间段内，TDM实验表与原安装表进行电量直接比较，即

式中：PTDM——TDM实验表有功总量；

Pγ——原安装表有功总量；

Δ——电能计量差，kW·h。

2只表有功电量计量相对误差为

电能表实验室检定和现场测试所有试验用电能表均经过实验室检定合格，在现场运行时，所有电能表也定期进行现场测试和检定，保证所有比对试验数据的准确和可靠。赵家山站原表为进口时分割乘法器关口电能表，与时分割乘法器实验表的计量工作原理相同，因此计量电量差值很小。忻州永安站、阳泉海落湾站、大同官保站，均为采用∑—ΔADC采样原理国产电能表（3个不同的品牌产品）。由表2、表3、表4、表5数据分析可知，软件表受谐波干扰影响较大，平均比TDM实验表少计电量1.64%。

表1 试验点信息

表2 赵家山220 kV变电站赵钢2线2051电量对比

表3 永安220 kV变电站永铁1回121电量对比

表4 海落湾220 kV变电站海测线145电量对比

表5 官堡220 kV变电站东牵1线112电量对比

3 结论

在目前谐波电量无法量传、相关电能表产品无法进行相关型式评价的条件下，选择确定性高的TDM硬件乘法器电能表不失为一种公平的计量手段。实验表明，不同品牌的硬件电能表之间，对于非线性电量计量的差值很小。

在非线性电量较大的计量点，应将软件电能表更换为硬件电能表。软件电能表与硬件电能表之间的计量差值较大，同时，相同品牌的软件表之间的计量差值也比较大。

应采用TDM时分割原理电能表对非线性电量进行计量。

[1]陆祖良，王磊，李敏.对电能表动态测量功率评价的讨论[J].电测与仪表，2010(4)：1-4.

[2]郑荐中，陆祖良，李敏.电能表的动态特征实验研究 [J].电测与仪表，2011（3）：1-7.

[3]周轩钱，慧敏，赵剑锋.电气化铁路造成的电能质量问题对电能计量用TDM的影响研究 [J].电力系统保护与控制，2009，37（1）：28-32.

[4]向晓，康广成，李红柳.两种新型电子式电能表在电铁牵引站的应用 [J].四川电力技术，2007，30（5）： (67-69，78).

Using Active Energy M etering Technology Based M eter to Reduce Line Loss of Nonlinear Electric Energy M etering

GAO Shuhong

（State Grid M etering Center of SEPC,Taiyuan,Shanxi 030032,China）

Therearemany kindsofcoremetering principle forelectronic installation-typeelectric energymeter.Due to its lower price,nonlinearelectric energy coverswiderscale than harmonic energy expanded by Fourier-transform.Thus,∑—Δtheory based A/D sampling softwaremultiplier coversabsolute quantity,while in the high-endmarketand under complicated conditions,the energymeter based on activeenergymetering technology time divisionmultiplier showsmoreadvantages.This paperanalyzes the problemssuch as whether thenon-linearelectricitywillcausemissed outelectricitymetering and how to choose correctmeasurement technology for fairand accuratemeasurementof the non-linearelectricity.Besides,the two typesofelectric energymeterare studied undernonlinear field conditionsand laboratory-referred operating conditions.

nonlinearelectric energy;analog-to-digitalconverter;active energymetering technology time divisionmultiplier

TM933.4

A

1671-0320（2016）06-0044-04

2016-06-26，

2016-10-20

高树宏（1964），男，河北唐山人，1992年毕业于华北电力学院电力系统及自动化专业，高级技师,从事电能计量现场检验工作。