諧波電能計量技術(shù)

諧波電能計量技術(shù)摘要：本文分析了電子式電能表的計量原理及諧波對電子式電能表計量的影響，然后對諧波情況下線性負荷和非線性負荷的功率消耗情況分別進行討論得出電子式電能表不能準確計量負載所消耗的真正基波功率的結(jié)論。提出對基波電能與諧波電能分別計量的計量策略，同時介紹了ADI公司的ADE7878三相多功能電能計量芯片的設(shè)計和校準過程。關(guān)鍵詞：諧波；線性負荷；非線性負荷；電能計量；計量芯片作者簡介：劉文松（1984-）,男，江蘇徐州人，國網(wǎng)電力科學研究院國電南瑞科技股份有限公司，工程師，工學碩士，主要研究方向:智能用電技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用瀏韶華（1975-）,男，湖南株洲人，國網(wǎng)電力科學研究院國電南瑞科技股份有限公司，高級工程師，工學碩士，主要研究方向：智能用電技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用。（江蘇南京210003）近年來，電力系統(tǒng)中非線性負荷日益增多，如各種整流器、變頻裝置、電爐、電氣化鐵路等大量應(yīng)用。這些非線性負荷產(chǎn)生大量諧波電流注入電網(wǎng)，造成電力系統(tǒng)電壓、電流波形畸變，不但對發(fā)電機、變壓器、繼電保護裝置、自動控制裝置、通訊裝置等電氣設(shè)備產(chǎn)生不同程度的不良影響，而且影響了電能計量的準確性、真實性。電能是電力企業(yè)的產(chǎn)品，是商品，交易過程通過電能計量裝置實現(xiàn)。研究諧波對電能計量的影響，檢驗在諧波情況下電能計量是否依然準確、合理以及找到一種對供、用雙方都合理的計量方式具有重要的現(xiàn)實意義。一、電能表的有功計量方法電能的基本表達如下：p（t）二u（t）i（t）（1）(2)(3)u(t\i(t)分別是電壓、電流的瞬時值。電子式電能表計量有功采用A/D采樣數(shù)值計算的方法。式(3)是電子式電能表計量有功電能的采樣數(shù)值計算方法。測量電能的基本方法是將電壓、電流相乘，然后在時間上累加起來。電子式電能表實現(xiàn)積分的方法是將功率轉(zhuǎn)換為脈沖頻率輸出，該脈沖正比于負荷功率。電子式電能表誤差來源：主要由表內(nèi)分流器或電流互感器TA電壓互感器TV和乘法器等部分引起。二、諧波情況下電能計量分析諧波產(chǎn)生的根本原因是由于電力系統(tǒng)中設(shè)備和負荷的非線性特性使所加的電壓和產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系而造成波形畸變。u(t\i(t)表示為電壓、電流各次諧波分量的疊加，電壓u(0電流i(t)的數(shù)學表達式為：(4)式中un和In為n次諧波電壓和電流的有效值an和聞為n次諧波電壓和電流的初相角，n是正整數(shù)，3為工頻(基波)角頻率。根據(jù)有功功率等于瞬時功率在一個周期里的平均值的定義并考慮三角函數(shù)的正交得出一個周期內(nèi)平均功率P：[1](5)(6)Pn為電壓、電流n次諧波(或基波)構(gòu)成的瞬時功率。僅有同頻率的電壓與電流諧波才構(gòu)成平均功率；不相同頻率的電壓與電流不構(gòu)成平均功率,只構(gòu)成瞬時功率。按照上述有功功率的計算公式得出無功功率的定義為：(7)Qf的下標f表示根據(jù)頻率分析定義，Qf是從同頻率電壓電流正選波分量之間產(chǎn)生的。在數(shù)值計算時，電子電能表的CPU可以將含有多個不同頻率、按正弦規(guī)律變化的電壓和電流的瞬時值分別采樣并運算，有效地記錄了負載的瞬時功率和瞬間消耗的有功能量。當諧波存在時作為交易依據(jù)的有功電能計量應(yīng)該是將負載上消耗的基波和諧波有功能量分別準確記錄。有功電能計量等于基波電能和諧波電能數(shù)值的組合。三、現(xiàn)行計量方式的缺陷計量中，電力用戶可以分為兩類，即產(chǎn)生諧波的非線性用戶和諧波受害者線性用戶。電子式電能表沒有將基波和諧波區(qū)分計量，以總的畸變波形作為基礎(chǔ)來計算有功電能。當用戶為線性用戶時，電能表計量值大于基波電能基波潮流由系統(tǒng)注入線性用戶，諧波與諧波潮流方向一致時，電能計量消耗電功參基波功率+諧波功率，因此線性用戶不但吸收對自身運行毫無用處甚至有危害的諧波，還得多支付一定的費用。當用戶為非線性用戶時，電能表計量值小于基波電能非線性負荷在傳遞、變換和吸收電網(wǎng)供給的基波能量的同時，又將一部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量注入電網(wǎng)。基波潮流與諧波潮流方向相反，電能計量指示的消耗電功率二基波功率-諧波功率。因此非線性用戶既污染電網(wǎng)，又少交電費。這是一種不合理的計量方式。實際上，由于非線性用戶向電網(wǎng)注入的諧波功率遠大于線性用戶吸收的諧波功率，諧波的影響使非線性用戶少計量而線性用戶多計量的電量，變現(xiàn)為供電線損率增大，使供電企業(yè)線損增加，而且諧波給供用電設(shè)備帶來許多不利影響，增加了電力運營企業(yè)的成本。對諧波電能進行科學計量，對于電能的科學計量和電能質(zhì)量管理有重要意義。[2]目前諧波計量方式有三種思路。（1） 電能表準確反映實際功率，即基波、諧波的綜合功率。（2） 電能表僅反映基波功率，不計諧波功率。（3） 電能表分別計量基波功率和諧波功率。四、諧波電能計量方式諧波電能表計量原理全波形電能表采用高端設(shè)計方案：DSP+專用A/D，將DSP高速數(shù)字信號處理功能和專用高精度測量A/D結(jié)合在一起。16A/D轉(zhuǎn)換器和DSP高速數(shù)據(jù)處理器對各相電流、電壓采樣，通過相應(yīng)的數(shù)學公式計算，DSP部分完成諧波分析及諧波計算等工作。計算數(shù)據(jù)通過高速通信接口與主控MCU進行數(shù)據(jù)交換，MCU完成顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存儲、通信等工作。諧波電能產(chǎn)生的原理。如圖1所示，電壓、電流信號通過A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字高通濾波后，形成采樣的數(shù)字信號Un、In，經(jīng)過相位校正和數(shù)字乘法器，計算出總有功功率，電壓、電流信號Un、In通過基波抑制濾波器，得到不包含基波成分只有諧波成分的電壓、電流信號Uh（n）、Ih（n），再次經(jīng)過相位校正和數(shù)字乘法器，計算出諧波有功功率ph。有功功率與諧波功率對時間的積分計算出總有功電能Es與諧波有功電能Eph。諧波電能表電能計量值電能表需要能計算并顯示出如下電能值：[3]實時數(shù)據(jù)：基波數(shù)據(jù)：包括基波相電壓、電流，有功功率、無功視在功率等；諧波數(shù)據(jù)：包括諧波電壓、諧波電壓畸變率、諧波電流、諧波電流畸變率、諧波正向、反向有功功率、無功功率等；總瞬時數(shù)據(jù)：包括總相電壓、電流，有功功率、無功視在功率等。電能數(shù)據(jù)：基波電能E1：包括當前月至前12個月正向、反向有功、無功基波電能；諧波電能Eh:各次諧波電能的代數(shù)和，根據(jù)基波電能和諧波電能的潮流方向，需要分為正向諧波電能及反向諧波電能，包括當前月至前12個月正向、反向有功、無功諧波電能；總電能Et：基波電能和諧波電能的代數(shù)和Et=E1+Eh，包括當前月至前12個月正向、反向有功、無功總電能；計費總電能Es：基波電能與諧波電能的絕對值之和。當負荷為線性時，負荷基波功率和諧波功率方向相同，只有基波電能是有用的，電能的消耗只計基波電能：Es=E1。當負荷為非線性負荷，基波功率和諧波功率方向相反時，電能的消耗應(yīng)計基波和諧波絕對值的和或者。五、ADE7878計量芯片與功能結(jié)構(gòu)ADE7878是美國ADI公司推出的三相高精度多功能電能計量芯片，ADE7878的電壓和電流通道為24bit^3型ADC。ADE7878提供I2C、SPI、HSDC多種數(shù)據(jù)接口和3個靈活的脈沖輸出，ADE7878集成了數(shù)字積分、參考基準電壓源、溫度敏感元件等，內(nèi)置成熟的專用電能計量功能數(shù)字信號處理器，可用于電流/電壓有效值測量，基波有功功率和無功功率、總（基波+諧波）有功和無功功率、視在功率計量。同時提供有功和無功（基波+諧波）總能量和基波有功和無功能量，諧波能量可通過簡單減法運算獲得。ADE7878典型硬件電路設(shè)計ADE7878的電壓電流通道輸入信號范圍為±0.5V，額定電壓Un時電壓通道輸入信號為250mV左右，加最大電流Imax時電流通道輸入信號為300mV左右。設(shè)計的電表額定電壓220V，電壓通道用4個330kQ電阻和一個1.5kQ電阻分壓，加額定電壓Un時輸入信號為249mV,電流互感器變比200:1,取樣電阻為2個5Q電阻，加最大電流Imax(6A)時輸入信號為300mV。ADE7878的校準流程與算法ADE7878的校準有兩種方法可供選擇。一是利用ADE7878的校表脈沖輸出，通過校表臺來校準ADE7878，這種方式最為常用，但這種方式的缺點就是效率較低。二是利用精密基準源，設(shè)置ADE7878工作在線路周期累計模式。這種模式的優(yōu)點是效率高，校準比較快。ADE7878簡化了校表方式，給電表加上PF=1的額定電壓、額定電流，校準電壓電流增益IGAIN、VGAIN、PHCAL，整個校表流程可以在數(shù)秒內(nèi)完成。六、 諧波電能計量技術(shù)的應(yīng)用大規(guī)模電動汽車隨機充電負荷將會對電網(wǎng)產(chǎn)生強大的沖擊，甚至影響正常的電力供應(yīng)。電動汽車充電站主設(shè)備為典型非線性整流設(shè)備，電動汽車充電過程主要完成交直流功率變換，產(chǎn)生大量諧波，直接影響電網(wǎng)和用戶的電能質(zhì)量。為了抑制諧波得到較好的電能質(zhì)量，必須對電動汽車充電站產(chǎn)生的諧波進行計算論證，并根據(jù)計算結(jié)果給出治理諧波所需配置的濾波器參數(shù)，為后續(xù)的諧波治理工作提供重要依據(jù)。有源濾波APF由于其濾波效果好，體積小，成本適中，在充電站建設(shè)中被廣泛應(yīng)用，從而實現(xiàn)濾除諧波和補償無功的功能。針對充電站電能的計量采用諧波電能表計量，將基波與諧波分開計量，充電站電能的消耗為。七、 結(jié)束語通過理論分析，闡明了當前在諧波含量高的電網(wǎng)中，普通電能表計量的不準確性和結(jié)果的不合理性。對于非線性負荷端，普通電子式電能表計量示數(shù)小于負荷實際消耗的有功電能；而在線性負荷端普通電子式電能表示數(shù)將變?yōu)榛ㄓ泄﹄娔芗由暇€性負荷被強迫從電網(wǎng)吸收的高次諧波有功電能。在實現(xiàn)高精度電能計量的同時，提供高次諧波測量功能，并提供基波和諧波分開計量，通過對用戶用電分析，區(qū)分用戶是諧波用戶還是非諧波用戶，對諧波源用戶進行限制和處罰，從而實現(xiàn)用電的科學管理。該計量方式有助于鼓勵非線性用戶采用諧波處理裝置，減少諧波的產(chǎn)生，有助于建設(shè)"綠色電網(wǎng)"。[2]諧波問題對電力系統(tǒng)和電力用戶是十分重要的問題，也是近年來各方面關(guān)注的熱點之一。目