（农业电气化与自动化专业论文）谐波对电能计量的影响与对策.pdf

麓p - 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 谐波对电能计量的影响与对策，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：翌缉日 期。 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：苤幽 e l 期：弘 导师签名： 碡 一 一 ， 一 i l 本文 表的影响 的对非平 波包变换 率，然后 能，尤其能解决非平稳信号和问谐波信号的电能计量问题；最后，本文根据小波包 变换的谐波电能计量方法，初步设计了一个谐波电能计量系统，该系统可以满足上 述方法对信息处理单元运行速度的需求。 关键词：谐波，电能计量，小波包变换 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ec o n s t r u c t i o na n dc a l c u l a t i n gp r i n c i p l eo fi n d u c t i o nm e t e r a n de l e c t r i cw a t t - h o u rm e t e r , d i s c u s s e sh a r m o n i ci n f l u e n c eo nt h et w ok i n d so fm e t e r a g a i n s tt h ee x i t i n gp r o b l e mi nt h em e t h o dt om e a s u r eh a r m o n i ce n e r g yo nt h eb a s i so f f f t , w h i c h i sh a r dt om a k ea n e f f i c i e n t ，q u i c k a n da c c u r a t em e a s u r e m e n to f n o n - s t a t i o n a r ys i g n a la n di n t e r - h a r m o n i cs i g n a l t h i st h e s i sr e s e a r c h e sa n dc o m e su pw i t h am e t h o dt om e a s u r eh a r m o n i ce n e r g yb a s e do nw a v ep a c k e t st r a n s f o t i n t h i sm e t h o d d i r e c t l yt a k e sa d v a n t a g eo ft h er e c o n s t r u c t e dc o e f f i c i e n t so fw a v ep a c k e t st oc a l c u l a t e t h ep o w e ro f f r e q u e n c yb a n d ，t h e nt h ep o w e r i sm u l t i p l i e db ys a m p l i n gt i m e ，s ot h ee n e r g y i sa c q u i r e d t h ee m u l a t i o ne x p e r i m e n th a sv e r i f i e dt h em e t h o dc a na c c u r a t e l yc a l c u l a t e h a r m o n i ce n e r g y , e s p e c i a l l yc a nr e s e l v et h em e a s u r i n ge n e r g yp r o b l e mo fn o n s t a t i o n a r y s i g n a la n di n t e r - h a r m o n i cs i g n a l a tl a s tt h e t h e s i sp r e l i m i n a r i l yd e s i g n sas y s t e mt o m e a s u r eh a r m o n i ce n e r g yb a s e do nw a v ep a c k e t st r a n s f o r m t h ep r o c e s s i n gu n i ti nt h e s y s t e mm a ys a t i s f yt h er u n n i n gs p e e dr e q u i r e m e n to ft h ea l g o r i t h m d i a oy i n a ( a g r i c u l t u r a le l e c t r i f i c a t i o na n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i a n gz h i r u i k e yw o r d s ：h a r m o n i c ，e l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n t ，w a v ep a c k e t st r a n s f o r m ， - 一 、 华北电力大学硕士学位论文目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章引言1 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 谐波介绍l 1 2 1 谐波的定义1 1 2 2 谐波的产生1 1 2 3 谐波的来源2 1 2 4 谐波的危害2 1 2 5 谐波的测量方法3 1 3 电网谐波标准4 1 4 电能计量的发展和研究现状5 1 4 1 电能计量的发展5 1 4 2 电能计量的研究现状6 1 5 论文研究的主要内容6 第二章电能表的结构和计量原理7 2 1 电能表的分类7 2 2 感应式和电子式电能表性能比较7 2 3 感应式电能表的结构和计量原理8 2 3 1 感应式电能表的结构8 2 3 2 感应式电能表的计量原理1 0 2 4 电子式电能表的结构和计量原理1 l 2 4 1 机电脉冲式电子电能表的结构和计量原理1 2 2 4 2 采用模拟乘法器的全电子式电能表的结构和计量原理1 2 2 4 3 采用数字乘法器的全电子式电能表的结构和计量原理1 4 第三章谐波对电能计量的影响1 6 3 1 谐波功率的计算1 6 3 2 谐波对电能计量准确性的影响1 7 3 2 1 谐波对感应式电能表计量准确性的影响1 7 3 2 1 1 频率变化对感应式电能表的影响1 7 3 2 1 2 波形畸变对感应式电能表的影响1 8 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 2 谐波对全电子式电能表计量准确性的影响1 9 3 2 2 1 频率变化对全电子式电能表的影响1 9 3 2 2 2 波形畸变对全电子式电能表的影响2 0 3 3 谐波对电能计量合理性的影响2 0 3 4 谐波对电能计量合理性影响的仿真分析2 2 3 4 1 全电子式电能表的仿真2 2 3 4 2 基于傅立叶变换的有功计量模块的仿真2 2 3 4 3 不合理性验证2 4 3 5 电能计量方式的提出2 8 第四章基于小波包变换的谐波电能计量方法3 0 4 1 快速傅立叶变换3 0 4 1 1 傅立叶级数3 0 4 1 2 离散傅立叶变换原理3 1 4 1 3 快速傅立叶变换原理3 l 4 1 4 快速傅立叶变换的局限性3 3 4 1 5 基于快速傅立叶变换的谐波功率算法_ 3 3 4 2 小波变换3 5 4 2 1 连续小波变换，3 5 4 2 2 离散小波变换3 6 4 2 3 多分辨率分析3 7 4 2 4 小波包变换3 8 4 3 基于小波包变换的谐波电能计量原理4 0 4 3 1 计量原理4 0 4 3 2 计量流程图4 2 4 4 基于小波包变换的谐波电能计量仿真实验4 2 4 4 1 小波函数的选择4 2 4 4 2 平稳信号电能计量仿真4 3 4 4 3 间谐波信号电能计量仿真4 5 4 4 4 非平稳信号电能计量仿真4 8 4 5 小波包变换与快速傅立叶变换的比较5 0 第五章基于小波包变换的谐波电能计量系统设计5 l 5 1 系统构成5 1 5 2 输入电路5 1 m 1t 一 一 一况 =fi， i 情 r 研 t 一 一 一科 i i 加 ； 一 一 一参 i h r 和 一 一 一文 ， j1 论 hr 一 一 一术 - 一 一 一学 j k r 的 = ， 一 一 一表 一 一 一发献谢录问 文 期 考 学参致附在 ， 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章引言 电能是现代社会生产和生活中不可缺少的重要能源，电气化程度和管理现代化 水平的高低是衡量一个国家发达与否的重要标志。电力生产的特点是发电厂发电、 供电部门供电、用电部门用电这三个环节连成一个系统，不间断的同时完成。但电 能也是作为一种商品来生产、销售和使用的，因此与其他商品一样，在电能的发、 供、用电三方之间存在着一个重要的销售与购买的贸易结算问题。电能计量数据正 是这一经济计算的依据，它的准确性与合理性直接影响到三者的经济利益及交易的 公平性。除此之外，电能计量还直接关系电力系统发电量、线损、煤耗、厂用电、 供电量、用电量等各项技术指标的计算n 1 。因此，对电能计量问题的研究是电力系 统中涉及经济、技术等多方面问题的重要研究课题之一。 近些年来，随着工业的发展和科技的进步，电力电子技术被广泛应用于生产和 生活中。现代工业生产中使用的大容量整流换流设备以及家用照明和加热设备等非 线性负荷导致电网中产生了大量的谐波电压和谐波电流，对电网造成严重的危害， 给国家造成了一定的经济损失。 在电能计量中，由于谐波的存在，使工业及日常生活中电能计量装置的误差加 大，导致电能计量数据不准确，从而影响到发、供、用电三方的利益以及交易的合 理性。因此，充分分析谐波对电能计量的影响，研究电网中存在谐波时合理的电能 计量方法、开发和选用适宜的计量装置是非常必要的。同时，这也对供电部门不断 改善城市供电质量和提高城市用电服务水平有重要的意义。 1 2 谐波介绍 1 2 1 谐波的定义 国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是 基波频率的整倍数 。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，因此称为高次谐波。 根据这个定义，频率不是基波频率整数倍的畸变波形称为间谐波。谐波次数定义为： “谐波频率和基波频率之比 ，规定电力系统中的工频为基波频率伫1 。 1 2 2 谐波的产生 在电力系统中，谐波的产生主要是由于大容量电力设备和用电整流或换流设 备，以及其他电力电子设备等非线性负荷造成的。当正弦基波电压施加于非线性负 华北电力大学硕士学位论文 时，所加的电压与产生的电流不成线性关系造成了波形畸变。畸变的电流影响电 回路中的配电设施，如变压器、导线、开关设备等。畸变电流在阻抗上产生电压 ，因而产生畸变电压，畸变电压将对负荷产生影响。这些电力设备或用电设备负 从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量，这样就 生了谐波电流，这些谐波电流注入电网，就形成了电网谐波乜】。 2 3 谐波的来源 由于电能的生产、传输、转换和使用的各个环节都会产生谐波，因此电网谐波 自以下几个方面d 1 ： ( 1 ) 发电源质量不高产生谐波。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对 称，铁心也很难做到绝对均匀一致等原因，发电源多少也会产生一些谐波，但是 般来说很少。 ( 2 ) 输配电系统产生谐波。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于 压器铁心的饱和特性，铁心的磁化曲线的非线性，再加上设计变压器时考虑经济 ，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形， 而含有奇次谐波。 ( 3 ) 用电设备产生的谐波。如晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉、气体放 类电光源、家用电器等。在上述三类谐波源中，用电设备产生的谐波最多。 2 4 谐波的危害 谐波使电能生产、传输和利用的效率降低；使电气设备过热，产生振动和噪声， 并使绝缘老化，使用寿命降低，甚至发生故障或烧毁。危害主要表现在以下两个方 面耵： ( 1 ) 对电力设备的危害主要表现在造成设备损坏、缩短设备寿命，降低出力 和增加损耗等。如对电机和变压器的影响主要表现为引起附加损耗、产生机械振动 和谐波过电压。由于引起附加损耗，从而产生附加温升，产生局部过热，加速绝缘 老化，缩短电机的使用寿命。谐波对输电系统的影响是由于增加了电流的有效值而 引起的附加输电损耗和谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。另外，对电容 器组的影响更加严重，主要是引起谐波电流和电压放大，有时还可能发生串联和并 联谐振，从而大大增加电容器的损耗，常常导致电容器击穿和损坏。 ( 2 ) 对电网中电子设备的危害主要是对继电保护、自动装置、仪表和通信等 设施的影响，它可以造成设备的工作失误或性能劣化。如继电保护和自动装置受谐 波的影响表现为：当装置动作于电压或电流信号时，还未达到整定动作值的基波分 量能和较大谐波分量叠加，使它形成的综合动作值超过整定值而误动作。 2 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 对供电线路产生了附加损耗。架空线路谐波电流产生热损，较大的高次 谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败。电缆中的谐波 电流会产生熟损，使电缆介损、温升增大。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻 随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线 较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚至 火灾。 1 2 5 谐波的测量方法 电力系统谐波测量的主要方法有儿们： ( 1 ) 采用模拟滤波器进行谐波测量 模拟滤波器有两种，第一种是通过滤波器滤除基波电流分量，得到谐波电流分 量；第二种是用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减后得到谐波电流分 量，其原理和电路结构简单，造价低，能滤除一些固有频率的谐波，缺点是误差大， 实时性差，对电路元件参数十分敏感，参数变化时检测效果明显变差。 ( 2 ) 基于瞬时无功功率的谐波测量 1 9 8 4 年，日本学者h a k a g i 等人提出瞬时无功功率理论，根据此理论可以得到 瞬时有功功率和瞬时无功功率，将其分解为交流和直流，其交流部分对应于谐波电 流，由此可以计算谐波分量。基于此理论的p q 法、i q 法能够准确测量对称的三 相三线制电路谐波值。这两种方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分 量的测量电路比较简单，并且延时少，缺点是所需硬件多，花费大。 ( 3 ) 基于傅立叶变换的谐波测量 傅立叶变换的实质是把被检测的信号分解成许多不同频率的正弦波的叠加，然 后对各次谐波分量进行分析。傅立叶变换包括连续傅立叶变换和离散傅立叶交换。 在信号分析和处理中，常用的是离散傅立叶变换( d f t ) ，其基本原理是模拟信号经 采样，离散化后，经微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值 和相位等信息。使用此方法测量谐波应用范围广，使用方便。其缺点是计算量较大， 需要花费较多的计算时间，实时性不好。为了减少计算量，产生了快速傅立叶变换 ( f f t ) 。f 兀利用w 因子的周期性和对称性使点d f t 的乘法计算量由2 次降 为n 2 1 0 9 2 n 次，大大减少了计算量，提高了运算速度。 ( 4 ) 基于神经网络的谐波测量 神经网络理论是最近发展起来的很热门的交叉边缘学科，它具有本质的非线性 特性、并行处理能力，强鲁棒性以及自组织自学习的能力。在理论上，神经网络计 算能力、对任意连续函数的逼近能力、学习理论及动态网络稳定性分析等都取得了 3 别与图像 部化而在 特定时间 因而适合 波分量进 标，也是 要控制电网中的谐波电压，就必须限制电网的谐波电流。国标中规定允许每个 用户注入电网谐波电流值的方法为阻1 ： ( 1 ) 先确定谐波源对本级电网引起的总谐波电压允许值。由于各级电网电压 总谐波畸变率限值中包含上一级电网传递到本级电网的谐波电压，所以根据谐波迭 加原理，要在本级电网电压总谐波畸变限值中，扣除上一级电网传递到本级电网的 谐波电压后，才是本级电网谐波引起的总谐波电压允许值。 4 、 l 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 求得本级谐波源允许引起的总谐波电压允许值后，由此可以求出一个公 共连接点注入电网的总谐波电流允许值。各次谐波电流允许值可由式( 1 1 ) 计算得 到。 厶一1 0 s ix h r u k ( 石x u s j i ) ( 1 1 ) 式中：艮) 一基准短路容量；h r u h ( ) 一第h 次谐波电压含有率；妇( b ) 一电 网标称电压。 1 4 电能计量的发展和研究现状 1 4 1 电能计量的发展 电能表作为测量电能的专用仪表，已经有1 0 0 多年的历史。电能表在电能管理 用仪表中占有很大的比例，它的性能直接影响着电能管理的效率。1 0 0 多年来，随 着技术的发展和电能管理系统的不断完善，电能表的性能和结构发生了很大的变 化经历了感应式电能表、电子式电能表和智能型电能表等。 世界上最早出现的电能表是爱迪生1 8 8 0 年利用电解原理制成的直流电能表。 随后，交流电的出现，对电能计量仪表功能提出了新的要求。1 8 8 8 年，意大利的费 粤 拉里斯将旋转磁场理论用于交流电能的测量。1 8 8 9 年，德国人布勒泰制作出无单独 电流铁心的感应系电能表。1 8 9 0 年，带电流铁心的感应式电能表出现。至今，感应 式电能表在很多国家还广泛使用嘲。 随着电力系统的发展，对电能测量精度要求的不断提高，电子式电能表应运而 生。早期的电子式电能表仍采用感应式电能表的测量机构作为元件，由光电传感器 实现电能到脉冲的转换，然后经电子电路对脉冲进行处理，从而实现电能的测量， 此种电能表也称机电脉冲电能表。它在国外早己是很成熟的技术，并在2 0 世纪7 0 年代初起就开始在一些工业化国家使用。1 9 7 6 年，日本研制出了电子式电能表。8 0 年代后期，电子式电能表得到了快速发展，相继出现了多种寿命长、可靠性高、适 合现场使用的电子式电能表，其测量的电压、电流范围很大，并且其量程可以自动 切换，测量精度也越来越高。电子式电能表在实施复杂的多费率、最大需量和电能 数据传输及交换等方面具有明显的优越性，实现了集测量有功电能、无功电能、功 率因数等几十个特征参数的多功能化n 们。 进入2 0 世纪9 0 年代，i c 卡技术的发展，使智能型i c 卡预付电费电能表应运 而生。这种电能表体现了先购电再用电的管理思想。当今，电子式电能表已经发展 到与智能化计量管理密不可分的水平，它与电能表收费软件、i c 卡收费管理软件、 l c 卡发卡机构以及自动查询子系统等共同组成了智能型分时电能计量管理系统。 s 华北电力大学硕士学位论文 近年来，由于电力系统和相关技术的发展，美国和日本等发达国家，开始了远 离电能表数据的采集研究，远程抄表技术有了很大的发展，开始进入实用化阶段。 4 2 电能计量的研究现状 国际上，早在2 0 世纪初就有大量研究谐波的文章发表。进入9 0 年代以来，电 质量现象、电能质量的测量和电能质量的改善等问题受到越来越多的关注。国际 工委员会干扰和过电压分组一直把它推荐为主要的研究课题。 在我国，虽然基波电能计量技术有了快速的发展，但是对谐波电能计量的起步 晚，发展也比较缓慢。直到9 0 年代，电网电能质量问题进一步受到人们的关注， 波电能计量技术才有所发展。 1 9 9 6 年，湖北电力试验研究所研制出了能测量基波电能的f e e 3 型电能表。这 表的主要特点是能有效的将畸变信号中的谐波电能部分去掉，只计量信号中的基 电能；1 9 9 7 年，清华大学电机系研制的基于微机技术的基波和谐波电能同时计量 能表。这种表的主要特点是能同时计量基波电能和各次谐波的总电能。目前，基 数字信号处理技术的电能表正在研制阶段，他们采用快速傅立叶变换方法能将基 电能和各次谐波电能同时计量。 5 论文研究的主要内容 论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 查阅大量文献，掌握感应式电能表和电子式电能表的结构和工作原理； ( 2 ) 分析谐波对感应式电能表计量的影响，找到影响其准确性和合理性的原 因，且在此基础上对其计量方式的改进提出建议； ( 3 ) 分析谐波对电子式电能表计量的影响，找到影响其准确性和合理性的原 因，且在此基础上对其计量方式的改进提出建议； ( 4 ) 通过谐波对电子式电能表计量影响的分析，提出一种对电子式电能表改 进的具体方案。 6 一 j1ij-j 1 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能表的结构和计量原理 2 1 电能表的分类 我国电能表的生产开始于5 0 年代初，至今已有5 0 多年的历史。目前电能表的 分类情况大体如下： i ) 按结构原理分，有感应式和电子式电能表； ( 2 ) 按所测电源分，有直流式和交流式电能表； ( 3 ) 按所测的电能分，有有功和无功电能表； ( 4 ) 按接入线路的方式分，有直接接入式和经互感器接入式电能表； ( 5 ) 按等级指数分，有安装式( 3 0 、2 0 、1 0 、0 5 级) 和携带式电能表( o 2 、 0 1 、0 0 5 、0 0 2 、0 0 1 级) 。 按照第一种分法，电能表分为感应式( 机械式) 和电子式( 静止式) 。电子式 电能表一般由电测量机构和数据处理机构两部分组成。根据电测量机构的不同，电 子式电能表又可分为机电脉冲式电能表和全电子式电能表。 机电脉冲式电子电能表出现较早，仍沿用了感应式电能表的测量机构，数据处 理机构则由电子电路和计算机控制实现，机械部分和电子部分的接口是靠光电转换 电路实现的，因而它只是一种电子线路与机电转换单元相结合的半电子式电能表。 由于感应式测量机构的制约，机电脉冲式电子电能表难以降低功耗、提高测量精度。 目前机电脉冲式电子电能表已基本被淘汰。全电子式电能表没有使用感应式测量机 构，而采用乘法器来完成对电功率的测量，不但提高了测量精度、降低了功耗，还 增强了过载能力。由于全电子式电能表具有良好的扩展性，现在已由常规的全电子 式电能表发展出了多费率电能表、预付费电能表、多功能电能表等系列产品e l i 。 目前使用的电子式电能表大多是多功能电能表。所谓多功能电能表，根据电力 行业标准d u t 6 1 仁1 9 9 7 的定义：“凡是由测量单元和数据处理单元等组成，除计 量有功( 无功) 电能外，还具有分时、测量需量等两种以上功能，并能显示、储存 和输出数据的电能表都可称为多功能电能表h 1 。从定义可以看出，多功能电能表 都具有数据的显示、储存和输出功能。 2 2 感应式和电子式电能表性能比较 本论文按照第一种分法，即将电能表分为感应式和电子式两种来分析。感应式 电能表已有1 0 0 多年的生产历史，其工艺成熟、价格低廉、结构简单、操作安全、 7 l i啊_l。l。illill_=”t-b 华北电力大学硕士学位论文 维修方便，但其准确度等级较低、不易实现自动化盯1 。 相对感应式电能表，电子式电能表是国外在7 0 年代发展起来的一种产品，它 是应用现代电能测量技术、微电子技术及通信技术构成的一类全新的电能表。2 0 0 5 年，电子式电能表在技术上从模拟乘法器到数字乘法器，性能越来越好：设计水平 和生产工艺不断提高，而价格越来越低，大规模批量生产工艺也非常成熟。它与感 应式电能表相比( 见表2 1 ) ，除了具有测量精度高、灵敏度高、性能稳定、功耗低、 体积小、重量轻等优点外，还易于实现多功能计量，可现场校验和检索多种计测数 据，便于数据采集处理和集中监控n 1 。目前我国正在逐渐用电子式电能表取代感应 式电能表。 表2 1 感应式和电子式电能表性能比较 感应式电能表电子式电能表 准确度等级 0 5 3 00 0 1 2 0 频率范围4 5 - - - , 5 5 ( 月r z )4 0 - - 1 0 ( 胁) 启动电流0 0 0 3 i b0 0 0 0 1 1 i b 过载能力4 倍5 1 0 倍 功率消耗大小 外磁场影响较大小 功能单一完善、可扩展 日常维护简单较复杂 表2 - 1 中的i b 表示电能表输入的基本电流。 2 3 感应式电能表的结构和计量原理 2 3 1 感应式电能表的结构 感应式电能表由测量机构和辅助部件两部分组成。测量机构是实现测量的核心 元件，包括驱动元件、转动元件、制动元件、轴承和计度器，如图2 - 1 所示伽。 8 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 1 单相感应式电能表的测量机构简图 a - - 电压铁芯；扛电压线圈；卜电流铁芯；扯电流线圈；e 转盘；厂_ 转轴；暑一制动元 件； 一下轴承；“轴承；卜涡轮；棚杆；，一回磁极 ( 1 ) 驱动元件 驱动元件由电压元件和电流元件组成，它的作用是将交变的电压和电流转变为 穿过转盘的交变磁通，并与其在转盘中感应的电流相互作用，产生驱动力矩，使转 盘转动。电压元件包括电压铁芯和电压线圈，电压线圈接到被测电路的电压回路， 与负载并联连接；电流元件由电流铁芯和电流线圈组成，电流线圈接到被测电路后， 与负载串联连接。 ( 2 ) 转动元件 转动元件由转盘和转轴组成，转动元件能在驱动元件所建立的交变磁场作用下 连续转动，其作用是在电能表工作时，把转盘转动的转数传递给计度器。 ( 3 ) 制动元件 制动元件由永久磁铁及其调整装置组成，其作用是永久磁铁产生的磁通被转动 着的转盘切割时与转盘中所产生的感应电流相互作用形成与驱动力矩方向相反的 制动力矩，使转盘的转动速度和被测功率成正比。 ( 4 ) 轴承 轴承是电能表的重要部件，对电能表的准确度和使用寿命有重要影响。它由上、 下轴承组成，上轴承位于转轴上端，只起定位和导向作用；下轴承位于转轴下端， 用以支撑转动元件的全部重量。 ( 5 ) 计度器 计度器又称积算机构，用来累计转盘的转数，并通过齿轮比换算为电能单位的 9 【h 沙 华北电力大学硕士学位论文 指示值，以显示所测量的电能。 ( 6 ) 辅助部件 辅助部件包括底座、表盖、基架、端钮盒和铭牌。底座的作用是将电能表基架、 端钮盒及表盖固定在它的上面，并供电能表安装固定用；表盖的作用是用来密封和 保护的；基架的作用是用来支撑和固定测量机构及调整装置；端钮盒的作用是用来 将测量机构的电流、电压线圈与被测电路相连接；铭牌的作用是显示电能表的基本 信息，如计量单位、名称、型号、基本电流、额定电压、电能表常数、准确度等级 等。 2 3 2 感应式电能表的计量原理 电压线圈磁路 转? 一 转盘兰兰型：_ 永久磁铁 卯 刨 图2 - 2 感应式电能表工作原理示意图 如图2 2 所示，在测量时，电压线圈被加上被测电压口，电流线圈通上负载电 流l 。因为电压线圈匝数多，磁路间隙小，所以自感非常大，它产生的磁通f 一比电 压朋滞后9 0 ：而由于电流线圈匝数少，因而其产生的磁通f i 与屯同向。磁通，f 和，- 穿过转盘，产生涡流和移动磁场，致使转盘在磁场作用下旋转。f j 与屯的有 效值屯成正比，口和以的有效值【，成正比，若，口滞后h 正好如。，则在转盘上产 生的平均转动力矩肘为 m c j 九哌s i n ( 9 0 。一伊) 一c 己吼c o s 矿- c p ( 2 - 1 ) 式中：o 、c 一比例系数；厂一u 与如的相位差；p 一负载消耗的有功功率。 由式( 2 1 ) 可见，转盘的转动力矩与负载功率成正比。当感应式电能表所接负 载功率不变时，转盘受到一个不变的转动力矩作用。但是如果只有此转动力矩存在， 只要它略大于转盘支撑系统的摩擦阻力矩，转盘就会做等加速旋转，这显然不能正 确反映负载消耗电能的大小。因此，在感应式电能表中，还安装有制动磁铁，它产 生的磁场与转盘中的响应涡流相互作用，产生制动力矩所，使转盘的转动速度与被 1 0 华北电力大学硕士学位论文 测负载的功率成正比咖。 根据电磁感应定律，此制动力矩尬正比于转盘的旋转角速度，若转盘的转速为 万，则有 m ，1 瓦刀 ( 2 - 2 ) 。式中：娲- 常数。 在转动力矩与制动力矩共同作用下，转盘最终匀速旋转的平衡条件为m - m ， 所以有 c p 一瓦厅 。 ( 2 - 3 ) 于是 n 导p 。p ( 2 4 )- ，一反，l z 4 j 。 式中：k c - - 常数。 由式( 2 q ) 可知，转盘转速露正比于负载消耗的有功功率p 。假设在一段时间 r 内负载消耗的功率不变，且转盘以转速n 转过的圈数为，即n = n t ，则r 时间段 - 内，负载所消耗的电能形为 w 。f ，沈，t 1 一万t i s ( 2 5 ) j o k ck t 从式( 2 - 5 ) 可见，负载所耗的电能完全可由z 时间段内电能表转盘的转数确定， 且正比于转盘转数。式( 2 5 ) 可改写成 e - 面l v r k w j i ) 】 ( 2 6 ) 这表明，k c 体现了电能表计数每增加l k w h 转盘转过的圈数，故又被称为“电 能表常数一。 最后，通过转轴上的蜗杆、涡轮使计数器的齿轮旋转进行计数，经计算机构的 转换，从计数器指示窗口处可直接读出负载所消耗的电能值蛐1 。 2 4 电子式电能表的结构和计量原理 根据电测量机构的不同，电子式电能表又可分为机电脉冲式电能表和全电子式 电能表。全电子式电能表采用乘法器实现对电能的计量。根据所采用乘法器的不同， 1 1 华北电力大学硕士学位论文 以将全电子式电能表进一步划分为两类，即采用模拟乘法器的全电子式电能表和 用数字乘法器的全电子式电能表( 又称为数字式电能表) 。 4 1 机电脉冲式电子电能表的结构和计量原理 机电脉冲式电子电能表主要由感应式测量机构、光电转换器和分频器、计数器 显示器四大部分组成，计量原理框图如图2 3 所示口1 。 图2 3 机电脉冲式电子电能表的计量原理框图 ( 1 ) 感应式测量机构 感应式测量机构的主要作用是将电能信号转变为转盘的转数， 式电能表的测量部分。 ( 2 ) 光电转换器 光电转换器的作用是将正比于电能的转盘转数转换为电脉冲， 被测电能，即应满足如下关系 w 三三姗 其工作过程同感 此脉冲数也正比 ( 2 7 ) 中：，卜被测电能，k w h ；c l - 电能表常数，r ( k w h ) ；朋一转换后输出的总脉冲 数，i m p ；露广代表每输出一个脉冲转盘应转动的圈数，r i m p 。 ( 3 ) 分频器和计数器 分频器和计数器的主要作用是对经光电转换器转换成的脉冲信号进行分频、计 数，从而得到所测量的电能。 ( 4 ) 显示器 显示器的作用是把电能表所测量的电能用电子器件显示出来，以方便读取数据。 2 4 2 采用模拟乘法器的全电子式电能表的结构和计量原理。 采用模拟乘法器的全电子式电能表主要由输入级、乘法器、电压频率转换器、 分频计数器和显示器几个主要部分组成，其结构原理如图2 - 4 所示阳1 。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 图2 4 采用模拟乘法器的全电子式电能表结构原理图 ( 1 ) 输入部分 电压信号输入要经过精密电阻分压或通过电压互感器变换为低电压，输出至乘 法器；电流信号常直接通过分流电阻变换为电压或采用电流互感器，将大电流变换 为乘法器适用的小电流，再将其变换为电压；为提高电能表的抗干扰性能从而增加 稳定性，各信号输入回路应采用具有较高准确度的电压、电流互感器，使外电路与 测量系统在电气上完全隔离。 ( 2 ) 模拟乘法器 模拟乘法器是用来完成电压和电流相乘运算的器件，是全电子式电能表工作的 核心关键部分，也是产生计量系统误差的主要部分。在全电子式电能表中，模拟乘 法器电路主要有时分割乘法器和霍尔乘法器。由于我国主要采用时分割式，因而本 文仅以时分割乘法器为研究对象。 所谓时分割，就是以微小的单位时间的间隔将被测交流信号分割为许多段，而 把每个分段看作为瞬时的直流量，然后进行运算。时分割乘法器的工作过程实质上 是一个对被测对象进行调宽调幅的工作过程。它在提供的节拍信号周期r 里，对被 测电压信号如做脉冲调宽式处理，调制出一正负宽度乃、死之差与圾成正比的不 等宽方波脉冲，即乃1 1 = k l u x ；再以此脉冲宽度控制与l i x 同频的被测电压信号的 正负极性持续时间，进行调幅处理，使u = k z u y ：最后将调宽调幅经滤波器输出，输 出电压以为每个周期r 内电压h 的平均值，它反映了u x 、u y 两同频电压乘积的平 均值，实现了两信号的相乘。 上述时分割乘法器对电压信号进行调宽调幅处理，称为电压平衡型时分割乘法 器；如果时分割乘法器对电流信号进行调宽调幅处理，称为电流平衡型时分割乘法 器。 目前在全电子式电能表制造业中，采用时分割模拟乘法器的电能表占有相当大 的比例，与其它类型的模拟乘法器相比，时分割模拟乘法器的制造技术比较成熟且 工艺性好，原理较为先进，具有更好的线性度，其最突出的优点是具有较高的准确 度等级，可达到0 0 1 级，基本上解决了如何提高电子式电能表准确度的问题，其缺 点是带宽较窄。 图2 - 5 采用数字乘法器的电子式电能表结构框图 微处理器控制双通道a d 转换，同时对电压和电流信号进行采样，由微处理器 完成相乘功能并累计电能。平均功率表示为 p - 知蝌( f 渺 式中：卜交流电压和电流信号的周期。 ( 2 8 ) 以f 为采样时间间隔将上式中的积分做离散化处理，即对电压和电流信号同时 进行采样，则 1 4 华北电力大学硕士学位论文 1 p 一罗口 ) f ) r 角 ( 2 9 ) 式中：卜交流电压和电流信号的周期，t n a t 。 a d 转换器的准确度等级一般较高，其转换误差可以忽略。通过软件来完成采 样及乘法计算的准确度与f 的选择有关。 采用模拟乘法器和数字乘法器的两种全电子式电能表的性能比较见表2 2 。 表2 2 两种全电子式电能表性能比较 比较项目数字乘法器型时分割乘法器型 精度高一般 启动电流小小 频率相应 1 0 k h z 1 0 m 电磁兼容好好 时间漂移 好 较好 功能扩展性好一般 抗外磁场干扰 好好 制造成本中低 华北电力大学硕士学位论文 第三章谐波对电能计量的影响 本文将分别从谐波对电能计量准确性的影响和对合理性的影响两个方面来研 究谐波对电能计量的影响。 3 1 谐波功率的计算 在谐波情况下，电压、电流、功率分别为 1 0 f ) 。善玑咖f 耐 粥。荟，洲| 咖 蝌m 善仉咖触再l 州甜一印) 。善2 u ，fs i n f 甜。s i 嘶耐一识) + ( 3 i ) ( 3 2 ) 。吐磊，s i i i f 耐酬j 甜一) ( 3 - 3 ) 式( 3 - 3 ) 中第一项为同次谐波产生的功率分量 砉弛侧们踯甜训砉巾( 1 0 寸咖神五卅悖4 ) 其在一个周期内的平均值为 砉墨知【淄仍( 1 一盎甜) - s i n 垆, 咖五十- 私傩仍5 ， 式( 3 3 ) 中第二项为不同次谐波产生的功率分量 m s 善, 2 u s i ss i n i a t s 咄j 研一伊，) 1 6 华北电力大学硕士学位论文 。吐渺蛳护眦肛呻，) 其周期平均功率为 。吐善筹 s 组f 甜( s i n 歹“0 0 s 竹一町耐。s 缸妒，) ( 3 石) 知。吐7 s u s i n i 耐陋炒螂矿c o s j 甜s i n a i 皿_ 。 ( 3 7 ) 因此，可以用求平均功率的方法来计算谐波下的有功功率 p - 知h ( f 龇一薹sc o ：一只+ 薹只，n - 跪 ( 3 8 ) 谐波总有功功率为 p 觚。荟只，厅坍“ ( 3 9 ) 从式( 3 8 ) 中可以看出，总有功功率为基波和各次谐波有功功率的代数和乜1 。 3 2 谐波对电能计量准确性的影响 这里所说的谐波对电能计量准确性的影响是指在谐波情况下电能表能否准确 的计量出流入其中的基波和谐波的总电能。 3 2 1 谐波对感应式电能表计量准确性的影晌 3 2 - 1 1 频率变化对感应式电能表的影响 电能表的频率特性是研究波形畸变对电能表计量影响的重要依据，电能表频率 i 响应曲线平坦与否，对它在谐波功率下的计数误差影响很大。因此，研究感应式电 能表在谐波下的运行情况，首先应考虑其频率响应特性。感应式电能表频率响应特 性曲线如图3 - 1 所示。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 1 感应式电能表频率响应特性曲线 感应式电能表接入电路，当频率发生变化时就会产生附加误差，图中的曲线表 ，随着频率的增加电能表的误差也越来越大，这主要有以下几个方面的原因i t s ) i s ： ( 1 ) 转盘并非是一个纯电阻，其中有感抗分量，当频率升高时，转盘的等效 抗及其阻抗角随频率的升高而增大，使电能表的转速变慢，产生负误差。 ( 2 ) 电流线圈磁通量随着频率的增加而减小，磁通的减小导致驱动力矩减小， 电能表转速变慢，产生负误差。 ( 3 ) 电压线圈磁通量随着频率的增加而减小，磁通的减小导致驱动力矩减小， 电能表转速变慢，产生负误差。 虽然由于电压和电流工作磁通的减小也将带来制动力矩的减小，使电能表的误 差向正的方向变化。但是当频率偏离工频较远时，上述因素将占主导地位，因此总 的看起来当频率增高时，电能表将产生负误差。 上述电能表的计数误差定义为电能表的读数与被测电量理论计算值之间的相 对误差，即 e w - w ox 1 0 0 (一10)ill2 ；-e xl w o 式中：r 电能表的计量相对误差；形一电能表的实测值；驴电能表的理论计算值。 由式( 3 1 0 ) 可知，若电能表计数误差为正，则表示电能表多计数了，若电能表计 数误差为负，则表示电能表少计数了。 3 2 1 2 波形畸变对感应式电能表的影响 感应式电能表只在工频附近很窄的频率范围，且电压和电流为正弦波条件下才 能保证最佳的工作性能。大量的研究结果表明，当系统中电压和电流波形因各种原 因有畸变时，感应式电能表的测量准确度将下降。 这主要是因为在负载上当基波电压和电流不变而又含有谐波时，电能表电压线 华北电力大学硕士学位论文 圈阻抗和转盘阻抗都会变化，导致电压工作磁通和对应的电流工作磁通变化，从而 影响电能表的计量精度。同时，当存在谐波电压与谐波电流时，由谐波和基波叠加 而成的波形发生畸变，但是由于对应铁芯导磁率的非线性，磁通并不能相应的成线 性变化。根据电路原理，只有同频率的电压和电流相互作用才产生平均功率：同样， 根据电磁感应式电能表的工作原理，只有同频率的电压和电流产生的磁通相互作用 才能产生转矩，畸变的波形通过电磁组件以后，由于磁通不与波形对应变化，导致 转矩不能与平均功率成正比而产生附加误差n 们。 谐波存在的情况下，感应式电能表计量的电能可表示为 形一+ c 矾，万一2 a ( 3 1 1 ) 式中：彤一基波电能；一第一次谐波电能；g 一谐波电能系数，表明谐波被计量 的程度，且g 1 。 根据实验，c 一偏离1 的幅度主要取决于谐波功率产生的转盘转矩小于等值基波 功率产生的转盘转矩的程度，刀