淺談電子式電能表的諧波影響

1、淺談電子式電能表的諧波影響內(nèi)容摘要 本論文通過對電子式電能表在某些諧波嚴(yán)重電網(wǎng)中出現(xiàn)計量不準(zhǔn)和儀表燒壞現(xiàn)象，來闡述諧波對電子式電表的影響。本文重點對其諧波條件下的計量原理設(shè)計方案改進(jìn)情況描述，達(dá)到計量準(zhǔn)確。因作者對電能計量行業(yè)的了解僅涉及低端用戶，故以低壓電能表的例子作分析解決。舉例限于采用ADE7755的芯片單相電能表。關(guān)鍵詞：電子式電能表 諧波 電能計量目錄第一章 緒論 -411 電子式電能表的發(fā)展-412 電子式電能表的計量特性-413 諧波造成的計量誤差及其它影響-5第二章 電子式電能表計量的改善設(shè)計 -621 電子式電能表的普遍原理-622 電子式電能表在諧波下的使用局限性-72.

2、3 原因分析及實例介紹- -724 ADE7755芯片計量改善特點及使用-10第三章 電子式抗諧波的硬件改善設(shè)計-1431 燒表的原因分析-1432 電源部分的改善設(shè)計-15第四章 電子式電能表的整體設(shè)計及驗證-174. 1 DDS71型電能表的設(shè)計及結(jié)構(gòu)簡介-174. 2 性能驗證-17第五章 結(jié)論 -20第一章 緒論1.1電子式電能表的發(fā)展在現(xiàn)代化社會中，電能已經(jīng)成為最重要的能源。電是一種特殊的商品，必須進(jìn)行公平、公正的計量，才能使供電用戶雙方滿意。 感應(yīng)式電能表（俗稱機(jī)械表）是利用處在交變磁場的金屬園盤中的感應(yīng)式電流與有關(guān)磁場形成力的原理制成的，由于制造簡單、價格便宜等特點。早期被廣泛用

3、于工頻（50Hz 或 60Hz）電能的計量。但由于受制造機(jī)理-采用感應(yīng)式測量機(jī)構(gòu)、機(jī)械傳動的限制，受其材料特性、制造工藝的要求和結(jié)構(gòu)的制約。對計量精度不能進(jìn)一步提高，很難保證有很好的測量精度，而且采用機(jī)械傳動、易磨損、負(fù)向誤差會隨時間越變越大。其工作原理及設(shè)計、制造規(guī)程決定了只在工頻附近很窄的頻率范圍內(nèi)且電壓、是電流為正弦波形的條件下，方能保證正確計量，只要波形有畸形時，其精度便會受到影響，而且表計自身功耗較大，目前使用機(jī)械表都有每月加1度電的做法，但表計的功耗都在白白浪費國家寶貴的能源。 電子式電能表的測量機(jī)構(gòu)發(fā)生了根本性改變，電能表的精度高、不受運輸、安裝的影響，不存在磨損，因而可靠性好、

4、功耗低、過載能力強(qiáng)、防竊電、體積小、重量輕、美觀大方，而且它的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于機(jī)械表，可以為國家節(jié)省能源。12 諧波造成的計量誤差及其它影響隨著工業(yè)的快速發(fā)展，各種設(shè)備和電器的應(yīng)用，在電網(wǎng)中不可避免諧波的存在。諧波使工業(yè)及日常生活中電能計量裝置的誤差加大（一般對終端計量偏少），影響電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運行。諧波還有一個比較突出的問題是，個別地方的終端表計使用中有頻繁的燒壞現(xiàn)象。因此充分分析諧波對電能計量的影響，并對電子式電能表的計量方法該進(jìn)，確保電能計量的準(zhǔn)確、可靠具有重要意義。因作者對電能計量行業(yè)的了解僅涉及低端用戶，且低壓供電中諧波的出現(xiàn)常見，高壓供電因系統(tǒng)的特殊性較難出現(xiàn)，故本文僅以低壓系統(tǒng)中的電子式

5、電能表的例子作分析解決。第二章 電子式電能表計量的改善設(shè)計2.1電子式電能表的普遍原理電子式電能表的基本原理是利用電子元件對電能中兩個基本要素，即電流和電壓進(jìn)行采樣，兩個被采的樣送入集成電路進(jìn)行乘法運算，運算結(jié)果（是一個正比于電能的電壓信號）被進(jìn)行電壓/頻率轉(zhuǎn)換，集成電路輸出一個與電能成正比的脈沖，這個脈沖去推動步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)帶動顯示字輪，從而完成了從采樣到計量的整個過程。電能是功率的積算。功率的表達(dá)方式為：P（t）=vu（t）·i（t）其中vu（t）和i（t）分別為電壓及由此電壓在負(fù)載上產(chǎn)生的電流，將vu（t）和i（t）輸入到電子乘法器中相乘，得到一個與功率成正比的模擬電壓E。

6、（或電流I。）經(jīng)（V-f）或（I-f）轉(zhuǎn)換器變?yōu)轭l率f 。在一段時間t內(nèi)計數(shù)n 。便得到這段時間內(nèi)的電能值n在這段時間內(nèi)的平均功率為n/t，在一段時間T內(nèi)測得的電能為也即是在這段時間T得到的計數(shù)值N 。取 樣取 樣A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字乘法器A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換顯 示積分器UIUxUY電子式電能表由于它沒有可運動的機(jī)械部件又稱為靜止式電能表。根據(jù)它的工作原理，可以分為兩種類型：模擬乘法器型和采樣數(shù)字乘法器型。目前常用的以采樣數(shù)字乘法器型為主。下圖給出了以采樣數(shù)字乘法器型為核心的電子式電能表的原理框圖（見圖一）。（圖一） 電子式電能表的原理框圖圖一中U 和I為輸入的電壓和電流，電壓經(jīng)過衰減器得到一個低

7、壓信號Ux；電流經(jīng)過變換器得到Uy。Ux Uy經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量送到數(shù)字乘法器進(jìn)行運算，產(chǎn)生的瞬時功率經(jīng)數(shù)字頻率轉(zhuǎn)換器變成頻率信號，由積分器完成功率電量的運算。上述分析的是單相情況下的理論算法，三相電能表可采用三相分功率相加得出總功率。在實際中使用的各種三相電能表的不同接線方式，其計算原理均基于三項功率之和的理論得出。在此三相電能計量的原理不再累述。22電子式電能表在諧波下的使用局限性 電能表受諧波的影響分兩方面，一是對計量的影響，二是對表計使用壽命的影響。首先，談諧波對計量的影響。電磁感應(yīng)式電能表的設(shè)計只按基波考慮，而實際消耗功率是由諧波和基波疊加而成的電壓、電流發(fā)生。電子式電能表受諧波

8、的影響產(chǎn)生誤差的因素，消除了感應(yīng)式電能表的機(jī)械轉(zhuǎn)動、元件磨損、傾斜度等的影響，但對其運行環(huán)境、元器件質(zhì)量、電能質(zhì)量、諧波頻率的影響產(chǎn)生的誤差也是多方面的。在實際的計量中，電力用戶可以分為兩類，即產(chǎn)生諧波的諧波源用戶和不產(chǎn)生諧波的諧波受害者用戶。作為諧波源的用戶，一方面產(chǎn)生了諧波功率，對電網(wǎng)造成了污染，另一方面，計費總電能為基波電能減去產(chǎn)生的諧波電能。作為正常使用的諧波受害者用戶，一方面設(shè)備深受諧波危害，另一方面，計費總電能為基波電能加上吸收的諧波電能。 其次，諧波發(fā)生頻繁的電網(wǎng)中，終端表計造成頻繁燒表，使用壽命嚴(yán)重降低。2.3原因分析及實例介紹 通過長期的了解，大家知道諧波的主要來源是工業(yè)設(shè)備

9、，如中頻爐、高頻爐、軋鋼機(jī)、電弧爐、電焊機(jī)等。當(dāng)然民用設(shè)備也會產(chǎn)生諧波，但它的功率要小得多。諧波的限值見GB/T14549-93電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn) 供電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的根本原因是具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備，即大容量的整流器、換流器等非線性負(fù)荷。這些非線性負(fù)荷在工作時向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使所供電力質(zhì)量變壞。也就是所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成線性(正比)關(guān)系造成了波形畸變。對于伏安特性為線性的負(fù)荷或設(shè)備，如圖1-1中的直線1,當(dāng)施加電力系統(tǒng)的正弦波電壓“時，產(chǎn)生正弦波形的電流i，反之也一樣，不會造成波形的畸變，故不產(chǎn)生諧波。 圖（二）畸變波形的產(chǎn)生對

10、于伏安特性為非線性的設(shè)備或負(fù)荷，如圖（二）中的曲線2，當(dāng)施加電力系統(tǒng)的正弦波電壓時，由于其非線性特性，產(chǎn)生的電流i'為非正弦波，其頻率仍和系統(tǒng)頻率(工頻)相同。波形的畸變產(chǎn)生高次諧波。圖（三） 含有線性和非線性負(fù)載的簡單電力系統(tǒng)等效電路 圖（三） 為一 含有非線性負(fù)載和線性負(fù)載的簡單系統(tǒng)等效電路。其中，US(t )為電壓源;U(t)為公共連接點PCC處的電壓;Z為電源內(nèi)阻和線路阻抗:ZH和ZM分別代表非線性負(fù)載和線性負(fù)載。IH1和IM1分別為非線性負(fù)載和線性負(fù)載吸收的基波電流有效值;IHh為非線性負(fù)載向電網(wǎng)中注入的h次諧波電流有效值;IMHh為線性負(fù)載吸收的來自于非線性負(fù)載的h次諧波電

11、流有效值;當(dāng)電源中含有諧波時I IHSh和IMSh分別為非線性負(fù)載和線性負(fù)載從電源中吸收的h次諧波電流有效值。當(dāng)電 源 電 壓波形發(fā)生畸變時，設(shè)電源電壓中含有的最高次諧波次數(shù)為M,則設(shè)電壓為式中:N為非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓的最高次諧波次數(shù);U,為PCC點處的基波電壓有 效 值 ;us h和 u Hh 分 別為由電源所含諧波和由非線性負(fù)載發(fā)出諧波在PCC點引起的h次諧 波 電 壓 有 效值;uSh和uHh為電壓源和非線性負(fù)載這兩個諧波源在PCC點引泌次諧波電壓的初 相 角 ;u1為P CC 點 的 電壓基波分量初相角。設(shè)流 經(jīng) 非 線性負(fù)載的電流ih(t)和線性負(fù)載電流im(t)分別為計算得非

12、線性負(fù)載ZH吸收的有功功率PH為式中:PH1和PHS分別為非線性負(fù)載吸收的基波和背景諧波有功功率;PHh為 非 線 性 負(fù)載發(fā)出的諧波有功功率，負(fù)號表示負(fù)載向系統(tǒng)注入諧波功率。則非線性負(fù)載在一個周期內(nèi)消耗的電能EH式中:EH,表示電網(wǎng)中的背景諧波在非線性負(fù)載ZH上引起的諧波電能損耗;E* 表 示 非 線 性負(fù)載ZH向電網(wǎng)注入的諧波電能。同理，可求出線性負(fù)載ZM在一個周期內(nèi)消耗的電能EM為:式中:EM，為線性負(fù)載消耗的基波電能;EMSh EMHh 為 線性負(fù)載吸收的由系統(tǒng)和非線性負(fù)載提供的諧波電能。上述分析都是在電源電壓波形畸變的前提下得到的。當(dāng)電源電壓為工頻正弦波時，式(1-9)一(1-11)

13、中右邊不含中間項，其它兩項不變?？梢郧蟮脙煞N負(fù)載在一個周期內(nèi)消耗的電能為:由上述分析，比較兩種情況下非線性負(fù)載和線性負(fù)載吸收電能的表達(dá)式可以看出:由于諧波功率的大小和方向的影響，無論電源電壓波形是否畸變，只要系統(tǒng)中存在諧波功率，線性負(fù)載實際消耗的電能就大于其吸收的基波電能。而在一般情況下，非線性負(fù)載從系統(tǒng)吸收的背景諧波電能小于其向系統(tǒng)注入的諧波電能，所以非線性負(fù)載實際消耗的電能值要小于其吸收的基波電能值。如果按照現(xiàn)行的電能計量方式，電能表反映的是基波和諧波的綜合電能(EH或Em)。這就導(dǎo)致用戶實際消耗基波電能量(E1)與電能表讀數(shù)不等。按電能表讀數(shù)交費就會使非線性負(fù)載向系統(tǒng)注入諧波功率反而少交

14、電費，而線性負(fù)載受到諧波污染卻要多交電費，這顯然是不合理的。電子式電能表對不同的被測信號的波形響應(yīng)也不同，相應(yīng)產(chǎn)生的誤差也有差別。應(yīng)當(dāng)指出，在測量電能量時，電網(wǎng)電壓、電流要經(jīng)測量用互感器轉(zhuǎn)換成弱電信號后才送入電能表，因此測量用互感器的準(zhǔn)確度直接影響著測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，如果測量用互感器存在非線性，當(dāng)畸變信號經(jīng)過互感器時，互感器對各次諧波成分的轉(zhuǎn)換也是有重要的影響的。既然已經(jīng)知道是諧波造成的燒表，那我們除了把容易產(chǎn)生諧波的工業(yè)源進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗綦x。在電表上我們也可以分析改善。所以計量方面，通過對電能取樣的區(qū)間頻率分析，改變電能信號處理的方法，使諧波在計量中有被檢測，并能進(jìn)行諧波的二次和多次諧波的計量。第五章 結(jié)論采用ADE7755的芯片設(shè)計的單相電子式電能表，因其優(yōu)良的計量性能解決了其他計量芯片在諧波下誤差偏大的問題。而且通過我們的硬件改進(jìn)對諧波燒表得到改善。江蘇林洋電子的DDS71電能表在全國各地都得到了廣泛的使用。該款抗諧波表自2004年使用以來主要面對農(nóng)村用表，通過同期的不同廠家電能表使用比較，我們的表計滿意度最高，達(dá)到設(shè)計的預(yù)期目標(biāo)。參考文獻(xiàn)1 李紅雪 電能計量系統(tǒng)的諧波研究 學(xué)位論文 上海 上海海事大學(xué)2006-072 黃峰 霍曉燕 李保華 諧波對電能計量的影響 <農(nóng)村電氣化&g