浅谈电子式电能表的谐波影响.docx

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浅谈电子式电能表的谐波影响

浅谈电子式电能表的谐波影响

内容摘要

本论文通过对电子式电能表在某些谐波严重电网中出现计量不准和仪表烧坏现象，来阐述谐波对电子式电表的影响。

本文重点对其谐波条件下的计量原理设计方案改进情况描述，达到计量准确。

因作者对电能计量行业的了解仅涉及低端用户，故以低压电能表的例子作分析解决。

举例限于采用ADE7755的芯片单相电能表。

关键词：

电子式电能表谐波电能计量

第一章绪论-----------------------------------------4

1．1电子式电能表的发展-----------------------------------------------------------4

1．2电子式电能表的计量特性-----------------------------------------------------4

1．3谐波造成的计量误差及其它影响--------------------------------------------5

第二章电子式电能表计量的改善设计----------------------------------6

2．1电子式电能表的普遍原理------------------------------------------------------6

2．2电子式电能表在谐波下的使用局限性---------------------------------------7

2.3原因分析及实例介绍-----------------------------------------------------------7

2．4ADE7755芯片计量改善特点及使用-------------------------------------------10

第三章电子式抗谐波的硬件改善设计------------------------------------14

3．1烧表的原因分析----------------------------------------------------------------14

3．2电源部分的改善设计----------------------------------------------------------15

第四章电子式电能表的整体设计及验证-------------------17

4.1DDS71型电能表的设计及结构简介----------------------------------------17

4.2性能验证------------------------------------------------------------------------17

第五章结论----------------------------------------------------------------------20

第一章绪论

1.1电子式电能表的发展

在现代化社会中，电能已经成为最重要的能源。

电是一种特殊的商品，必须进行公平、公正的计量，才能使供电用户双方满意。

感应式电能表（俗称机械表）是利用处在交变磁场的金属园盘中的感应式电流与有关磁场形成力的原理制成的，由于制造简单、价格便宜等特点。

早期被广泛用于工频（50Hz或60Hz）电能的计量。

但由于受制造机理-----采用感应式测量机构、机械传动的限制，受其材料特性、制造工艺的要求和结构的制约。

对计量精度不能进一步提高，很难保证有很好的测量精度，而且采用机械传动、易磨损、负向误差会随时间越变越大。

其工作原理及设计、制造规程决定了只在工频附近很窄的频率范围内且电压、是电流为正弦波形的条件下，方能保证正确计量，只要波形有畸形时，其精度便会受到影响，而且表计自身功耗较大，目前使用机械表都有每月加1度电的做法，但表计的功耗都在白白浪费国家宝贵的能源。

电子式电能表的测量机构发生了根本性改变，电能表的精度高、不受运输、安装的影响，不存在磨损，因而可靠性好、功耗低、过载能力强、防窃电、体积小、重量轻、美观大方，而且它的功耗远远小于机械表，可以为国家节省能源。

1．2谐波造成的计量误差及其它影响

随着工业的快速发展，各种设备和电器的应用，在电网中不可避免谐波的存在。

谐波使工业及日常生活中电能计量装置的误差加大（一般对终端计量偏少），影响电网的经济运行。

谐波还有一个比较突出的问题是，个别地方的终端表计使用中有频繁的烧坏现象。

因此充分分析谐波对电能计量的影响，并对电子式电能表的计量方法该进，确保电能计量的准确、可靠具有重要意义。

因作者对电能计量行业的了解仅涉及低端用户，且低压供电中谐波的出现常见，高压供电因系统的特殊性较难出现，故本文仅以低压系统中的电子式电能表的例子作分析解决。

第二章电子式电能表计量的改善设计

2.1电子式电能表的普遍原理

电子式电能表的基本原理是利用电子元件对电能中两个基本要素，即电流和电压进行采样，两个被采的样送入集成电路进行乘法运算，运算结果（是一个正比于电能的电压信号）被进行电压/频率转换，集成电路输出一个与电能成正比的脉冲，这个脉冲去推动步进电机，步进电机带动显示字轮，从而完成了从采样到计量的整个过程。

电能是功率的积算。

功率的表达方式为：

P（t）=vu（t）·i（t）其中vu（t）和i（t）分别为电压及由此电压在负载上产生的电流，将vu（t）和i（t）输入到电子乘法器中相乘，得到一个与功率成正比的模拟电压E。

（或电流I。

）经（V-f）或（I-f）转换器变为频率f。

在一段时间Δt内计数n。

便得到这段时间内的电能值n在这段时间内的平均功率为n/Δt，在一段时间T

内测得的电能为也即是在这段时间T得到的计数值N。

电子式电能表由于它没有可运动的机械部件又称为静止式电能表。

根据它的工作原理，可以分为两种类型：

模拟乘法器型和采样数字乘法器型。

目前常用的以采样数字乘法器型为主。

下图给出了以采样数字乘法器型为核心的电子式电能表的原理框图（见图一）。

（图一）电子式电能表的原理框图

图一中U和I为输入的电压和电流，电压经过衰减器得到一个低压信号Ux；电流经过变换器得到Uy。

UxUy经过AD转换变成数字量送到数字乘法器进行运算，产生的瞬时功率经数字—频率转换器变成频率信号，由积分器完成功率—电量的运算。

上述分析的是单相情况下的理论算法，三相电能表可采用三相分功率相加得出总功率。

在实际中使用的各种三相电能表的不同接线方式，其计算原理均基于三项功率之和的理论得出。

在此三相电能计量的原理不再累述。

2．2电子式电能表在谐波下的使用局限性

电能表受谐波的影响分两方面，一是对计量的影响，二是对表计使用寿命的影响。

首先，谈谐波对计量的影响。

电磁感应式电能表的设计只按基波考虑，而实际消耗功率是由谐波和基波叠加而成的电压、电流发生。

电子式电能表受谐波的影响产生误差的因素，消除了感应式电能表的机械转动、元件磨损、倾斜度等的影响，但对其运行环境、元器件质量、电能质量、谐波频率的影响产生的误差也是多方面的。

在实际的计量中，电力用户可以分为两类，即产生谐波的谐波源用户和不产生谐波的谐波受害者用户。

作为谐波源的用户，一方面产生了谐波功率，对电网造成了污染，另一方面，计费总电能为基波电能减去产生的谐波电能。

作为正常使用的谐波受害者用户，一方面设备深受谐波危害，另一方面，计费总电能为基波电能加上吸收的谐波电能。

其次，谐波发生频繁的电网中，终端表计造成频繁烧表，使用寿命严重降低。

2.3原因分析及实例介绍

通过长期的了解，大家知道谐波的主要来源是工业设备，如中频炉、高频炉、轧钢机、电弧炉、电焊机等。

当然民用设备也会产生谐波，但它的功率要小得多。

谐波的限值见GB/T14549-93{电能质量公用电网谐波的国家标准}

供电系统中产生谐波的根本原因是具有非线性阻抗特性的电气设备，即大容量的整流器、换流器等非线性负荷。

这些非线性负荷在工作时向电源反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，使所供电力质量变坏。

也就是所加的电压与产生的电流不成线性（正比）关系造成了波形畸变。

对于伏安特性为线性的负荷或设备，如图1-1中的直线1,当施加电力系统的正弦波电压“时，产生正弦波形的电流i，反之也一样，不会造成波形的畸变，故不产生谐波。

图

（二）畸变波形的产生

对于伏安特性为非线性的设备或负荷，如图

（二）中的曲线2，当施加电力系统的正弦波电压时，由于其非线性特性，产生的电流i'为非正弦波，其频率仍和系统频率（工频）相同。

波形的畸变产生高次谐波。

图（三）含有线性和非线性负载的简单电力系统等效电路

图（三）为一含有非线性负载和线性负载的简单系统等效电路。

其中，US（t）为电压源;U（t）为公共连接点PCC处的电压;Z为电源内阻和线路阻抗:

ZH和ZM分别代表非线性负载和线性负载。

IH1和IM1分别为非线性负载和线性负载吸收的基波电流有效值;IHh为非线性负载向电网中注入的h次谐波电流有效值;IMHh为线性负载吸收的来自于非线性负载的h次谐波电流有效值;当电源中含有谐波时IIHSh和IMSh分别为非线性负载和线性负载从电源中吸收的h次谐波电流有效值。

当电源电压波形发生畸变时，设电源电压中含有的最高次谐波次数为M,则设电压为

式中:

N为非线性负载产生的谐波电压的最高次谐波次数;U,为PCC点处的基波电压

有效值;ush和uHh分别为由电源所含谐波和由非线性负载发出谐波在PCC点引起的h次谐波电压有效值;ΦuSh和ΦuHh为电压源和非线性负载这两个谐波源在PCC点引泌次谐波电压的初相角;Φu1为PCC点的电压基波分量初相角。

设流经非线性负载的电流ih（t）和线性负载电流im（t）分别为

计算得非线性负载ZH吸收的有功功率PH为

式中:

PH1和PHS分别为非线性负载吸收的基波和背景谐波有功功率;

PHh为非线性负载发出的谐波有功功率，负号表示负载向系统注入谐波功率。

则非线性负载在一个周期内消耗的电能EH

式中:

EH,表示电网中的背景谐波在非线性负载ZH上引起的谐波电能损耗;

E*表示非线性负载ZH向电网注入的谐波电能。

同理，可求出线性负载ZM在一个周期内消耗的电能EM为:

式中:

EM，为线性负载消耗的基波电能;EMShEMHh为线性负载吸收的由系统和非线性负载提供的谐波电能。

上述分析都是在电源电压波形畸变的前提下得到的。

当电源电压为工频正弦波时，式（1-9）一（1-11）中右边不含中间项，其它两项不变。

可以求得两种负载在一个周期内消耗的电能为:

由上述分析，比较两种情况下非线性负载和线性负载吸收电能的表达式可以看出:

由于谐波功率的大小和方向的影响，无论电源电压波形是否畸变，只要系统中存在谐波功率，线性负载实际消耗的电能就大于其吸收的基波电能。

而在一般情况下，非线性负载从系统吸收的背景谐波电能小于其向系统注入的谐波电能，所以非线性负载实际消耗的电能值要小于其吸收的基波电能值。

如果按照现行的电能计量方式，电能表反映的是基波和谐波的综合电能（EH或

Em）。

这就导致用户实际消耗基波电能量（E1）与电能表读数不等。

按电能表读数交费就会使非线性负载向系统注入谐波功率反而少交电费，而线性负载受到谐波污染却要多交电费，这显然是不合理的。

电子式电能表对不同的被测信号的波形响应也不同，相应产生的误差也有差别。

应当指出，在测量电能量时，电网电压、电流要经测量用互感器转换成弱电信号后才送入电能表，因此测量用互感器的准确度直接影响着测量结果的准确程度，如果测量用互感器存在非线性，当畸变信号经过互感器时，互感器对各次谐波成分的转换

也是有重要的影响的。

既然已经知道是谐波造成的烧表，那我们除了把容易产生谐波的工业源进行适当地隔离。

在电表上我们也可以分析改善。

所以计量方面，通过对电能取样的区间频率分析，改变电能信号处理的方法，使谐波在计量中有被检测，并能进行谐波的二次和多次谐波的计量。

第五章结论

采用ADE7755的芯片设计的单相电子式电能表，因其优良的计量性能解决了其他计量芯片在谐波下误差偏大的问题。

而且通过我们的硬件改进对谐波烧表得到改善。

江苏林洋电子的DDS71电能表在全国各地都得到了广泛的使用。

该款抗谐波表自2004年使用以来主要面对农村用表，通过同期的不同厂家电能表使用比较，我们的表计满意度最高，达到设计的预期目标。

参考文献

1李红雪电能计量系统的谐波研究[学位论文]上海上海海事大学2006-07

2黄峰霍晓燕李保华谐波对电能计量的影响<农村电气化>2008第6期

3  单渊达  《电能系统基础 》  机械工业出版社北京   2001-6-30

4 吴安岚    《电能计量基础及新技术 》  中国水利水电出版社2004-5-1

5 黄伟《电能计量技术》 中国电力出版社 2004-07-01

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