用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配方法研究

胡 斌，晏 依，董 琳

（1.国网九江市濂溪区供电公司，江西 九江 332207；2.国网江西省电力有限公司供电服务管理中心，江西 南昌 330096；3.南昌科晨电力试验研究院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

非线性负荷的增加使电网信号出现动态畸变，包括新的谐波种类和直流分量，在此环境下电能表是否能够保证准确计量是电力企业以及用户共同关心的问题[1-4]。GB/T 17215.321—2021中规定了电能表在直流和偶次谐波下的计量性能要求，并提供了具体的试验方法[5]。

为确保试验结果的准确可靠，要求平衡阻抗与被检表的阻值近似相等。常采用与被检表同型号的电能表作为匹配阻抗且在二条支路中各接入一个10倍于被检表阻抗的电阻来减小由于阻抗不平衡带来的差异。由于试验时被检表的规格、型号和数量不相同，并且两个回路的导线连接不可能完全一致，因此每次试验都需重新调整平衡阻抗[6-7]。该方法存在操作不便、耗时长且测试结果不够准确的缺点。也可采用继电器和电阻并联的阵列作为匹配负载，通过控制继电器的闭合和关断，改变匹配负载的电阻值，以实现和被检测表电阻的匹配[8]。由于继电器需不停动作直至匹配负载和被检表的电阻相等，因此该方法存在继电器频繁动作易产生电弧且自动匹配耗时较长的缺点。文中提出一种用于电能表直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配方法，通过反馈调节场效应管的导通电阻，实现与被检表电阻的自动匹配，具有精度高和速度快的优点。

1 电能表直流和偶次谐波试验方法

静止式交流电能表在实际设计时，可用精密电阻或电流互感器作为电流采样单元，对于三相电子式电能表由于存在线电压，不便采用精密电阻直接取样，多采用电流互感器进行电流采样。

当电流线路中存在直流分量时，可能会造成电流互感器铁心饱和，进而导致二次侧输出电流波形畸变，影响电能计量准确[9-11]。为考核电能表在直流和偶次谐波影响下的计量性能，标准规定了如图1所示的实验方法，标准功率源输出的正弦信号经过标准表的电流线路，如图2所示的正半周导通且负半周截止的半波测试信号流过被检表的电流线路；正半周截止且负半周导通的半波测试信号则流过平衡阻抗。支路电流不对称会造成直流含量不准，从而影响试验结果，因此必须要求各支路电阻阻抗平衡。

图1 直流和偶次谐波试验原理图

图2 直流和偶次谐波测试信号

2 直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配方法

电子负载的原理是控制内部功率MOSFET或晶体管的导通量，通过功率管的耗散功率消耗电能，能够准确检测出负载电压，精确调整负载电流，同时可以实现模拟负载短路，模拟负载感性、阻性和容性。用电子负载取代平衡阻抗，对比被检表二端的电压与电子负载所在支路的电压，输出反馈信号动态调节电子负载阻抗值，最终实现负载的快速精准匹配。图3是直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置结构图。

图3 直流和偶次谐波影响试验的负载自动匹配装置结构图

具体原理是：反馈电路通过比较匹配负载支路上二端的电压与被检表二端的电压以判断二者的阻抗是否匹配，并将匹配信息转换成反馈信号输出给驱动电路；驱动电路根据反相器和反馈电路单元的输出信号大小，调节其输出的电压值；电子负载单元根据驱动电路的输出电压值调节内部MOSFET管的导通阻抗，以改变自身阻抗，从而实现负载的自动匹配。时序提取电路提取匹配负载支路的信号时序，以控制驱动电路工作，使匹配负载支路在正半周导通的半波信号和负半周导通的半波信号下均能正常工作。

3 试验验证

选取三块不同厂家同型号的电能表进行试验，验证装置在负载自动匹配后输出波形的准确性，电能表的规格为：基本电流Ib=1.5 A，最大电流Imax=6 A，参比电压Un=220 V，有功常数C=6 400 imp/kWh。图4所示是输出半波但并未经负载匹配时直流和偶次谐波波形，可知测试波形存在明显畸变；图5所示为经过负载匹配后直流偶次谐波波形，测试波形的畸变已基本消除。

图4 匹配前的直流和偶次谐波输出波形

图5 匹配后的直流和偶次谐波输出波形

国际法制计量组织制定OIML R46规定：匹配后标准表电流线路中信号的直流分量不高于交流分量的0.5%。为检测上述样表在直流和偶次谐波下的计量准确，需在不同的负载点准确输出测试波形，选取的负载点的功率因数分别为1.0 L、0.5 L和0.8 C，电流幅值分别为0.05 Ib、0.1 Ib、0.2 Ib、Ib和Imax，分析通过标准表的电流信号，分别测试直流分量与交流分量，得到二者之间的比值如表1所示。

表1 直流分量与交流分量的比值%

由表1可知，在功率因数为1且负载点电流值为最大负载电流Imax时，输出的谐波波形更准确，但是负载点为容性或感性时，输出的直流和偶次谐波测试波形均满足要求。

4 结语

电能表直流和偶次谐波试验时，被检表电阻和匹配电阻的匹配精度会直接影响测试结果的可信度，文中通过电压反馈自动调节场效应管的导通电阻，实现了其与被检表电阻的实时精准匹配，匹配后标准表电流线路中信号的直流分量不高于交流分量的0.5%，满足OIML R46测试需求。