2.4 谐波对全电子式电能表的影响

1.分类与工作原理

全电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的，它采用乘法器实现对电功率的测量，主要工作原理框图如图2.6所示。

被测量的高电压、大电流经电压和电流变换器转换后送至乘法器，乘法器完成电压和电流瞬时值相乘，输出与时间段内平均功率成正比的功率P，然后再利用功率/频率变换器，P被转换成相应的脉冲频率f，将该频率分频，并通过一段时间内计数器的计数，显示出相应的电能。

其中，乘法器是全电子式电能表的核心部件，是完成两个电量（电压、电流）相乘的器件。它的精度直接影响电能表的精度。根据所采用乘法器的不同，可以将全电子式电能表进一步划分：模拟乘法器和数字乘法器两大类。模拟乘法器有霍尔效应乘法器、时分割乘法器等多种；数字乘法器以微处理器为核心，采用A-D转换器将电压和电流进行数字化相乘。模拟乘法器频率响应范围较宽、响应速度较快，但线路复杂、功耗大、稳定性差，目前电子式电能表以数字乘法器为主。

2.霍尔效应乘法器

矩形半导体薄片置入磁感应强度为B的磁场中，当通电流i_h时，在它的两端将产生霍尔电动势U_H，且此电动势与B和i_h成正比，这就是霍尔效应，如图2.7所示。

霍尔电动势为

u_H=K_HBi_h

式中，K_H为霍尔常数。

霍尔效应乘法器的一个输入端供给通过霍尔元件的电流，另一个输入端供给电流通过一个线圈产生磁场。器件的输出电压与两个输入电流的乘积成正比。已知i_h=K_uu、B=K_ii，则假设线路中的电压与电流为

进而得u_H为

之后用低通滤波器滤除谐波成分，得到直流分量：

可知，霍尔输出经过滤波器后得到是与各次谐波有功功率之和成正比的值。由上述分析可知，将瞬时功率通过低通滤波器得到的直流分量即为平均功率的表达式，从而避免了积分的环节，提高了电能计量的实时性。在实际应用中，由霍尔传感器的带宽窄、对温度较敏感所引起的漂移等缺点会造成大的测量误差。

3.时分割乘法器

时分割乘法器在提供的节拍信号的周期T里，对被测电压信号u_x做脉冲调宽式处理，调制出正负宽度T₁、T₂之差（时间量）与u_x成正比的不等宽方波脉冲；再以此脉冲宽度控制与被测电压信号u_y的正负极性持续时间，进行调幅处理；最后将调宽、调幅波经滤波器输出，输出电压U_o反映u_x、u_y两同频信号乘积的平均值，实现了有功功率的计算。其工作原理如图2.8所示。

将线路中的电压转换为信号u_x=k_uu，电流转换为信号u_y=k_ii。通过积分器N₁对u_x、u_N信号进行积分得到u₂。u₂与三角波信号u₁比较，得到脉冲信号来控制开关S₁、S₂。通过对S₂的控制得到调幅信号经过滤波器N₂后得到直流分量。其工作波形图如图2.9所示。

当系统达稳态时，积分器在T₁、T₂时间段内的总积分电荷量应为零，即

开关S₂在比较器的控制下与S₁同时动作，在T₁期间接通+u_y，在T₂期间接通-u_y。假设线路中的电压与电流为

那么：

经过低通滤波器后：，即输出电压U_o与各次谐波有功功率之和成正比。由上述分析可知，将瞬时功率通过低通滤波器得到的直流分量即为平均功率的表达式，从而避免了积分的环节，提高了电能计量的实时性。但是在使用中要求线路中电压、电流信号处于稳态；此外，由于利用三角波u₁提供时拍信号，所以要求线路中信号的周期固定，但是实际系统中基波频率在50Hz±0.2Hz内变化，从而会产生计量误差。

4.数字乘法器

数字乘法器型的电子式电能表是对电流、电压、相位、频率进行精确采样，得到的信号送入微处理器进行一系列的运算处理。依据有功功率定义式：

采用的方法是以Δt为时间间隔，将上式的积分做离散化处理，即在每个Δt内对电压、电流进行采样，求出采样点的功率，然后将一个周期内采样点的功率求和，其平均值即为平均功率，即

当线路中的电压与电流含有谐波分量时，得到的功率即为各次谐波有功功率之和。在实际使用中，如何准确确定线路中信号的周期T是关系到是否能够准确计算有功功率。此外，当线路中信号快速变化时，受到采样时间的限制从而无法准确地得到计量值。

5.误差分析

较感应系电能表，全电子式电能表的频率响应特性有了明显提高。但其客观存在的带宽仍不够宽，仅适合于几百Hz频率范围内的电能测量，也就是说，对谐波次数较高特别是20次以上的谐波功率测量误差已经较大。

全电子式电能表测量的是平均有功电能，即构成了它对谐波源负载计量的局限性，即最后得到的是基波能量与谐波能量之和。但是在谐波情况盛行的今天，全电能计量方式则显得不合理。为了实现科学的计费，就要求能够分别计算出基波、谐波的能量以及潮流方向。

谐波频率的潮流方向对计量的影响如下：

1）当用户为线性用户时，谐波潮流主要由系统注入线性用户，谐波与基波潮流方向一致，电能表计量的是基波电能和部分或全部谐波电能，计量结果大于基波电能，线性用户不但要多交费，而且还要受到谐波的损害。

2）当用户为非线性用户且谐波潮流方向与基波潮流方向相反时，用户除自消耗部分谐波外还要向电网输送与基波潮流方向相反的谐波分量，电能表计量的电能是基波电能扣除这部分谐波电能的部分和或全部和，计量结果小于基波电能，从而达到少交电费的目的，即为窃电。

3）当用户为非线性用户且谐波潮流方向与基波潮流方向相同时，用户除自身消耗部分谐波外还要向电网输送与基波潮流方向相同的谐波分量，电能表计量的电能是基波电能和这部分谐波电能的部分和或全部和，计量结果大于基波电能，此时，非线性用户不但要多交费，而且还要受到谐波的损害。

在我国，目前采用全能量的计量方式，采用全电子式电能表能够很好地计量全能量，但是在有谐波情况下，该种全电能计量方法则不合理。

随着电力计量的发展，电力企业对电能量的计量已经不仅仅满足于准确测量，而且要求科学计量。也就是说，电量的计量不仅仅要在数值上正确，而且要区分情况、探寻成因，公正合理地作为收费的基础。这也进一步促进了计量谐波能量与潮流方向的电能表的出现。因此，实现基波能量与谐波能量分开计费是极为迫切的。