基于諧波影響量試驗的智能電能表全性能綜合測試系統(tǒng)研究

翟曉卉，孫艷玲，何毓函，王者龍，王文青

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東濟南250003）

基于諧波影響量試驗的智能電能表全性能綜合測試系統(tǒng)研究

翟曉卉1，孫艷玲1，何毓函1，王者龍1，王文青2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東濟南250003）

針對智能電能表各項試驗項目難以集中在同一檢定裝置進行試驗的問題，研制了一套全性能綜合測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)除了能夠滿足智能電能表檢定規(guī)程規(guī)定的所有項目外，還能實現(xiàn)規(guī)程規(guī)定之外的試驗項目，從而實現(xiàn)對電能表進行全性能試驗測試。本系統(tǒng)還采用兩路電子開關(guān)切換常規(guī)電流源來輸出正弦波的方法，獲取試驗需要的直流偶次諧波、次諧波、奇次諧波，創(chuàng)造了在諧波條件下電能表的試驗?zāi)M環(huán)境。

智能電能表；全性能綜合測試；試驗項目；電子開關(guān)

0 引言

近幾年，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能電網(wǎng)建設(shè)速度加快［1］，智能電能表成為我國智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分［2-3］。隨著智能電能表在國內(nèi)外大規(guī)模的推廣和應(yīng)用［4］，與智能電能表檢測相關(guān)的技術(shù)日益加深，技術(shù)機構(gòu)對電能表質(zhì)量的指標(biāo)要求也日益提高。電能計量水平直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運行，是各項工作順利開展的重要保證。提高電能計量水平，就必須對智能電能表進行全面衡量，這對智能電能表檢測裝置提出了更高的要求。

目前有多種智能電能表檢測裝置，如電能表磁場恒定檢測裝置、電能表諧波試驗裝置、電能表功耗試驗裝置等，這些檢測裝置在一定程度上滿足了檢測需要，但依據(jù)現(xiàn)有的規(guī)程和技術(shù)規(guī)范，還不能滿足智能電能表性能全面分析的需要。并且這些裝置大部分都是單一功能性檢測裝置，如果要對智能電能表進行全面測試就需要配置多臺試驗裝置，增加檢測成本和檢測時間。因此，將所有試驗項目集中在同一個檢定裝置上是亟待解決的技術(shù)問題。

研究一種智能電能表全性能綜合測試系統(tǒng)，能夠?qū)χ悄茈娔鼙韲覙?biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測的項目及規(guī)定之外的其他檢測項目進行綜合測試。同時，還引入一種在諧波環(huán)境下進行智能電能表試驗的方法，裝置產(chǎn)生的各部分諧波含量滿足GB/T 17215.321—2008中12級靜止式有功電能表對電流直流偶次諧波、次諧波、奇次諧波的波形要求，從而更全面地衡量智能電能表質(zhì)量，具有較好的實用價值。

1 測試系統(tǒng)整體設(shè)計方案

系統(tǒng)裝置由計算機、總控中心、表位功能試驗?zāi)K、偶次諧波匹配箱、程控電源、標(biāo)準(zhǔn)電能表、諧波發(fā)生器、載波箱組成。本系統(tǒng)采用程控精密電源提供被試表和標(biāo)準(zhǔn)表所需的試驗電流、電壓，配備電流諧波發(fā)生器實現(xiàn)電能檢測需要的諧波輸出，配備載波箱實現(xiàn)裝置的載波通信，采用偶次諧波匹配箱匹配負載（被測表）兩端的電流以滿足偶次諧波試驗測試條件。測試系統(tǒng)可自動轉(zhuǎn)換基本誤差試驗、直流和偶次諧波試驗的試驗接線［5］，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在計算機控制下，標(biāo)準(zhǔn)電能表將功率標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖送入表位功能試驗?zāi)K，表位功能試驗?zāi)K同時采集被校表脈沖并計算出誤差。選用電能表比較的計算方法，即采用標(biāo)準(zhǔn)電能表測量，再采用被測電能表進行誤差測量，然后進行誤差對比。在測試過程中，采用高速工業(yè)CAN總線實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)表、被測電能表與總控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸?？偪刂行牟粌H能夠控制檢測數(shù)據(jù)的傳輸，還能夠?qū)z測數(shù)據(jù)進行監(jiān)視，計算機能夠完成電能表的485通信、計算機電能表傳輸數(shù)據(jù)處理、電能表誤差檢定、標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)處理、溫濕度數(shù)據(jù)采集、功耗測試、耐壓測試、外觀檢定等GB/T 17215.323—2008規(guī)定的基本誤差要求的檢測，最終檢測數(shù)據(jù)、比對數(shù)據(jù)被保存在計算機系統(tǒng)中，用戶可通過人機交互對數(shù)據(jù)查詢、索引、跟蹤、管理、檢測。

在本設(shè)計中，系統(tǒng)裝置既能囊括GB/T 17215.323—2008規(guī)定的基本誤差、時鐘日計時誤差、潛動、啟動等試驗［6-7］，還能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)以外的其他檢測項目進行測試，比如：電流回路功耗及阻抗測試項目、電壓回路功耗測試項目、電流回路測試項目、事件主動上報測試項目、諧波影響量試驗項目、通信模塊互換性試驗項目、通信模塊接口帶載能力試驗項目、負荷記錄項目、事件記錄項目、凍結(jié)功能測試項目等。這些項目是衡量電能表質(zhì)量的重要指標(biāo)，但無法在常規(guī)電能表檢測中檢測，因此本系統(tǒng)設(shè)計具有突出的技術(shù)特點。

除了上述測試功能外，本系統(tǒng)還具有一項重要的功能特點，該特點就是能夠自我產(chǎn)生諧波，并在諧波環(huán)境下進行電能表的影響量試驗，波形失真度很小。由于諧波對電能表的影響是無處不在，因此對智能電能表在諧波環(huán)境下的檢定分析是衡量智能電能表質(zhì)量的重要部分，對全面衡量電能表質(zhì)量具有重要的作用，因此在下文中，對諧波的產(chǎn)生以及諧波環(huán)境下對智能電能表的檢測進行了詳細描述。

2 產(chǎn)生電能諧波的原理及方法

2.1 產(chǎn)生電能諧波的原理

諧波影響量試驗分為電壓電流回路高次諧波、電流回路直流和偶次諧波、奇次諧波、次諧波四種試驗。電壓電流回路的高次諧波由程控電源產(chǎn)生，計算機將需要的諧波次數(shù)、諧波含量、諧波相位等參數(shù)發(fā)送給程控電源，程控電源計算出全波波形經(jīng)功率放大后輸出給被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表，誤差計算器對標(biāo)準(zhǔn)表脈沖和被檢表脈沖進行比對計算出此種諧波下被檢表的誤差。在計算機的控制下，程控電源可產(chǎn)生多種高次諧波組合進行誤差校驗，也可與純基波誤差進行比對計算高次諧波誤差影響。

如圖2所示，試驗時，諧波發(fā)生控制電路接收計算機控制指令，控制K1、K2、K3的閉合和斷開，控制電子開關(guān)按設(shè)定時序?qū)ê蛿嚅_。自動匹配控制電路根據(jù)電流采樣電阻的電流大小改變可變電阻阻值調(diào)節(jié)兩回路電流至相等。非諧波試驗時，K1閉合，K2、K3斷開，程控電源全波電流經(jīng)被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表，此種接法與常規(guī)校驗臺完全相同。這種方法要求控制電子開關(guān)的觸發(fā)信號與電流源同步，控制點準(zhǔn)確。

圖2 產(chǎn)生電能諧波的原理

2.2 產(chǎn)生直流和偶次諧波的方法及波形

直流和偶次諧波試驗時，由于標(biāo)準(zhǔn)表電流檢測回路直接接入偶次諧波電流時存在較大誤差，故將標(biāo)準(zhǔn)表接入全波電流，此時K2閉合，K1、K3斷開，在電子開關(guān)1和電子開關(guān)2的控制下電流源電流的正半周流經(jīng)被檢電能表，負半周流經(jīng)匹配電阻回路，在K2處會合正負半周均經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)電能表回流至電流源。由于程控電流源的瞬態(tài)響應(yīng)問題，當(dāng)被檢表回路和匹配回路電阻不均衡時會引起被檢表回路和匹配回路電流不相等，從而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。設(shè)置自動匹配電路（直流偶次諧波自動匹配儀），偶次匹配箱內(nèi)部在兩路電路回路上設(shè)置電流取樣電阻，在匹配回路設(shè)置可變電阻，自動匹配控制電路根據(jù)兩路取樣電阻上的電流大小調(diào)節(jié)可變電阻使兩路電流相等，從而消除因匹配引起的系統(tǒng)誤差。偶次諧波校驗時誤差計算器將被檢表常數(shù)設(shè)置為標(biāo)稱值的1/2，通過對標(biāo)準(zhǔn)表脈沖和被檢表脈沖進行比對計算出直流偶次諧波下被檢表的誤差，此誤差與相同電流下全波誤差進行比對可得出直流偶次諧波誤差影響量。產(chǎn)生直流偶次諧波的波形如圖3所示。

圖3 產(chǎn)生直流偶次諧波的波形

2.3 產(chǎn)生次諧波的方法及波形

次諧波試驗時，將標(biāo)準(zhǔn)表電流檢測回路也接入次諧波電流，此時K3閉合，K1、K2斷開，在電子開關(guān)1和電子開關(guān)2的控制下，每四個周期電流的前兩個周期流經(jīng)匹配回路，后兩個周期流經(jīng)被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表回路。誤差計算器通過對標(biāo)準(zhǔn)表脈沖和被檢表脈沖進行比對計算次諧波下被檢表的誤差，此誤差與相同電流下全波誤差進行比對可得出次諧波誤差影響量。次諧波產(chǎn)生的波形如圖4所示。

2.4 產(chǎn)生奇次諧波的方法及波形

奇次諧波試驗時，將標(biāo)準(zhǔn)表電流檢測回路也接入奇次諧波電流，此時K3閉合，K1、K2斷開，在電子開關(guān)1和電子開關(guān)2的控制下，每周期電流的前1/4周期和第三個1/4周期流經(jīng)匹配回路，第二個1/4周期和第四個1/4周期流經(jīng)被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表回路。誤差計算器通過對標(biāo)準(zhǔn)表脈沖和被檢表脈沖進行比對計算出奇次諧波下被檢表的誤差，此誤差與相同電流下全波誤差進行比對可得出奇次諧波誤差影響量。產(chǎn)生奇次諧波的波形如圖5所示。

圖4 產(chǎn)生次諧波的波形

圖5 產(chǎn)生奇次諧波的波形

3 試驗結(jié)果與分析

在試驗時，采用型號為2002A的0.02級標(biāo)準(zhǔn)電能表作為標(biāo)準(zhǔn)溯源，通過諧波試驗測試專用軟件顯示在試驗過程中的各種參數(shù)。經(jīng)過試驗，從測試軟件上可以看出，系統(tǒng)裝置電壓波形失真度為0.3%，電流波形失真度為0.2%，功率穩(wěn)定度為0.04%/120 s，頻率輸出范圍為45～65 Hz，電壓輸出調(diào)節(jié)范圍為0～120%，電流輸出調(diào)節(jié)范圍為0～120%，頻率調(diào)節(jié)細度為0.01 Hz。在諧波試驗過程中，得出諧波結(jié)果如表1所示的波形，該波形滿足GB/T 17215.321—2008中12級靜止式有功電能表對電流直流偶次諧波，次諧波，奇次諧波波形的要求。同時用電能質(zhì)量分析儀LEM（TOPAS 2000）進行采集的數(shù)據(jù)，電子開關(guān)觸發(fā)信號的觸發(fā)時序如圖6～9所示。

表1 諧波試驗結(jié)果

圖6 直流偶次諧波實測

圖7 次諧波實測

圖8 奇次諧波實測

圖9 奇次諧波上升沿實測

4 結(jié)語

提出實現(xiàn)智能電能表全性能試驗的技術(shù)方案，詳細闡述了產(chǎn)生電能表諧波試驗所需要的直流偶次諧波、次諧波、奇次諧波的原理及方法。通過試驗發(fā)現(xiàn)，裝置精度高，穩(wěn)定性較好，能夠產(chǎn)生電流直流偶次諧波，次諧波，奇次諧波，且諧波含量符合國標(biāo)規(guī)定的試驗要求，滿足了電能表在諧波環(huán)境下進行的誤差影響量試驗。

［1］林曉明；肖勇.智能電網(wǎng)建設(shè)中加強電力需求側(cè)管理研究［J］.中國電力教育，2011（30）：46-48.

［2］孫衛(wèi)明，趙偉.諧波和間諧波對全電能計量準(zhǔn)確度的影響［J］電測與儀表，2011，48（9）：49-52.

［3］龍貴山，劉磊，劉穎，等.電能表自動化檢定及智能倉儲系統(tǒng)研究［J］.電測與儀表，2013，50（5）：95-100.

［4］朱中文，周韶園.智能電能表的概念、標(biāo)準(zhǔn)化和檢測方法初探［J］.電測與儀表，2011，48（6）：48-53.

［5］蔚曉明，董生懷，趙園.直流和偶次諧波試驗在電能表檢定裝置上的實現(xiàn)［J］.電測與儀表，2011，48（6）：36-38.

［6］全國電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.交流電測量設(shè)備特殊要求第21部分：靜止式有功電能表（1級和2級）：GB/T 17215.321—2008［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［7］全國電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會、交流電測量設(shè)備特殊要求第22部分：0.2B級和0.5S級靜止式有功能表：GB/T 17215.322—2008［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

Smart Meter Full Performance Testing System Study Based on Harmonic Impact Tests

ZHAI Xiaohui1，SUN Yanling1，HE Yuhan1，WANG Zhelong1，WANG Wenqing2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

A full-performance integrated test system is proposed，aiming at the problem that it is difficult to carry out many test items simultaneously on a same test apparatus.This system not only implements all test items set in energy meter verification regulation，but also realizes other test items outside，thereby achieves the full-performance integrated test.This system also uses two conventional electronic switching current source to output sine wave to the DC even harmonic，subharmonic and odd harmonic that test needs，which creates experimental simulation environment of electric energy meter under harmonic condition.

smart meter；full-performance integrated test；test items；electronic switch

TMA933

A

1007－9904（2017）05－0038－04

2016-12-09

翟曉卉（1982），女，工程師，從事電力計量工作。