用于電能表直流和偶次諧波影響試驗的負(fù)載自動匹配方法研究

胡 斌，晏 依，董 琳

（1.國網(wǎng)九江市濂溪區(qū)供電公司，江西 九江 332207；2.國網(wǎng)江西省電力有限公司供電服務(wù)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(fù)荷的增加使電網(wǎng)信號出現(xiàn)動態(tài)畸變，包括新的諧波種類和直流分量，在此環(huán)境下電能表是否能夠保證準(zhǔn)確計量是電力企業(yè)以及用戶共同關(guān)心的問題[1-4]。GB/T 17215.321—2021中規(guī)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(jié)果的準(zhǔn)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(guī)格、型號和數(shù)量不相同，并且兩個回路的導(dǎo)線連接不可能完全一致，因此每次試驗都需重新調(diào)整平衡阻抗[6-7]。該方法存在操作不便、耗時長且測試結(jié)果不夠準(zhǔn)確的缺點。也可采用繼電器和電阻并聯(lián)的陣列作為匹配負(fù)載，通過控制繼電器的閉合和關(guān)斷，改變匹配負(fù)載的電阻值，以實現(xiàn)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(fù)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(chǎn)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(fù)載自動匹配方法，通過反饋調(diào)節(jié)場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻，實現(xiàn)與被檢表電阻的自動匹配，具有精度高和速度快的優(yōu)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(shè)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(jìn)行電流采樣。

當(dāng)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(jìn)而導(dǎo)致二次側(cè)輸出電流波形畸變，影響電能計量準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了如圖1所示的實驗方法，標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出的正弦信號經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)表的電流線路，如圖2所示的正半周導(dǎo)通且負(fù)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(fù)半周導(dǎo)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(zhǔn)，從而影響試驗結(jié)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(fù)載自動匹配方法

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

圖3 直流和偶次諧波影響試驗的負(fù)載自動匹配裝置結(jié)構(gòu)圖

具體原理是：反饋電路通過比較匹配負(fù)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(zhuǎn)換成反饋信號輸出給驅(qū)動電路；驅(qū)動電路根據(jù)反相器和反饋電路單元的輸出信號大小，調(diào)節(jié)其輸出的電壓值；電子負(fù)載單元根據(jù)驅(qū)動電路的輸出電壓值調(diào)節(jié)內(nèi)部MOSFET管的導(dǎo)通阻抗，以改變自身阻抗，從而實現(xiàn)負(fù)載的自動匹配。時序提取電路提取匹配負(fù)載支路的信號時序，以控制驅(qū)動電路工作，使匹配負(fù)載支路在正半周導(dǎo)通的半波信號和負(fù)半周導(dǎo)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(jìn)行試驗，驗證裝置在負(fù)載自動匹配后輸出波形的準(zhǔn)確性，電能表的規(guī)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(shù)C=6 400 imp/kWh。圖4所示是輸出半波但并未經(jīng)負(fù)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(jīng)過負(fù)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(guī)定：匹配后標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確，需在不同的負(fù)載點準(zhǔn)確輸出測試波形，選取的負(fù)載點的功率因數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)為1且負(fù)載點電流值為最大負(fù)載電流Imax時，輸出的諧波波形更準(zhǔn)確，但是負(fù)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(jié)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(jié)果的可信度，文中通過電壓反饋自動調(diào)節(jié)場效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻，實現(xiàn)了其與被檢表電阻的實時精準(zhǔn)匹配，匹配后標(biāo)準(zhǔn)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。