CN104569906B - 一种三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法 - Google Patents

Abstract

一种三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法。提供了一种提高计量芯片性能和提高非线性负载计量精度的三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法。包括以下步骤:S1:参数设定，S2:确定相位误差产生的影响因素，S3:计算电压回路产生的相移，S4:计算电流回路产生的合成相移，S5:计算综合相位误差，S6:校正选择。本发明从三个方面对提高计量芯片的计量精度作分析判断，即：对计量芯片差分放大部分存在的非线性进行了分析；从理论上对非线性负载时计量精度偏低的原因进行了数学分析；对电能表存在相位误差的原因进行了分析。本发明要提高电能表的相位误差性能，必须尽可能地将输入回路产生的相位误差降到最小，从而提高计量精度。

Description

一种三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法

技术领域

本发明涉及电力系统计量领域，尤其涉及一种三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法。

背景技术

随着我国智能电网的快步发展，智能电能表已大量安装。对于单相智能电表而言，主要应用于居民用电计量，目前产品绝大多数为2.0级，有些要求较高的为1级，也即相对误差为2％或1％。而对于三相智能电表而言，主要应用于工业用电计量，目前产品绝大多数为1级和0.5S级，有些要求较高的为0.2S级，也即相对误差为1％、0.5％或0.2％。同时，由于应用于工业或农业排灌等非线性负载场合，因此对相位误差的要求也较高。因此，如何提高非线性负载时计量精度是智能电表设计的难点。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种提高计量芯片性能和提高非线性负载计量精度的三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法。

本发明的技术方案是：包括以下步骤:

S1:参数设定，使得电压采样回路和电流采样回路处于计量芯片差分放大线性区；

调整电压取样电路参数，使在120％Un的峰值在计量芯片的最大差动输入电压范围的60％-80％之内，选择电压取样电阻；

调整电流取样电路参数，使Imax的峰值在计量芯片的最大差分电压范围的40％-60％之内，选择电流取样电阻；

S2:确定相位误差产生的影响因素，包括电压回路产生的相移和电流回路产生的合成相移；

S3:计算电压回路产生的相移；按照步骤S1中选择的电压取样电阻，选择电容，然后，依次计算电容容抗、阻抗和电压回路的分压比，从而得出电压回路产生的相移；

S4:计算电流回路产生的合成相移；确定电流回路产生的合成相移的影响因素，包括电流互感器产生的相移、电流回路滤波电容产生的相移及放大采样、乘法运算产生的相移，通过三个相移相加得出合成相移；

S41：计算电流互感器产生的相移；根据电流互感器的精度等级和额定电流的不同进行选取；

S42：计算电流回路滤波电容产生的相移；依次计算电容容抗和电流回路的分压比，从而得出电流回路产生的相移；

S43：计算放大采样、乘法运算产生的相移；在计量芯片的三对电流采样端，分别设置高通滤波器和相位校正网络；

S5:计算综合相位误差；通过将步骤S3中的电压回路产生的相移和步骤S4中的电流回路产生的合成相移相加得出；

S6:校正选择；通过S5中的综合相位误差，结合计量芯片的相位校正的寄存器，选择相应的电流互感器进行校正。

步骤S1和步骤S2之间还包括有功电能表对计量误差的判断步骤和无功电能表对计量误差的判断步骤。

有功电能表计量误差的判断步骤；

设定无相位误差时的有功功率表示为：P0＝UIcosφ,则有相位误差时的有功功率可表示为：P＝UIcos(φ+Δφ),因此计量误差为：

α＝(P-P0)/P0

＝(UIcos(φ+Δφ)-UIcosφ)/(UIcosφ)

＝(cosφcosΔφ-sinφsinΔφ-cosφ)/cosφ

＝cosφ(cosΔφ-1)-tanφsinΔφ

设cosΔφ≈1，sinΔφ≈Δφ，因此上式为：

α≈-Δφtanφ (2)

其中，P0为无相位误差时的有功功率，P为有相位误差时的有功功率，U为电网电压，I为电网电流，φ为电压电流相位差，Δφ为相位误差，cosφ为有功因素，α为计量误差，符号→为趋近于；

在式(2)中，当φ→0°时，即功率因数接近1时，tanφ→0，α→0，即小功率因数时，相位误差对测量准确度影响小；

在式(2)中，当φ→90°时，即功率因数接近0时，tanφ→∞，α→∞，即大功率因数时，相位误差对计量准确度影响大。

无功电能表计量误差的判断步骤；

设定无相位误差时的无功功率表示为：Q0＝UIsinφ，则当有相位误差时无功功率可表示为：Q＝UIsin(φ+Δφ),因此计量误差为：

β＝(Q-Q0)/Q0

＝(UIsin(φ+Δφ)-UIsinφ)/(UIsinφ)

＝(sinφcosΔφ+cosφsinΔφ-sinφ)/sinφ

＝cosΔφ-1+ctanφsinΔφ

＝-2(sin(Δφ/2))^2+ctanφsinΔφ

设sinΔφ≈Δφ，因此上式为：

β≈-2(Δφ/2)^2+ctanφ﹒Δφ

＝-0.5(Δφ)^2+Δφctanφ (3)

其中，Q0为无相位误差时的无功功率，Q为有相位误差时的无功功率，U为电网电压，I为电网电流，φ为电压电流相位差，Δφ为相位误差，sinφ为无功因素，β为计量误差，符号→为趋近于；

在式(3)中，当φ→0°时，即功率因数接近1时，ctanφ→∞，β→∞，因此，相位误差对测量准确度影响大；

在式(3)中，当φ→90°时，即功率因数接近0时，ctanφ→0，β→-0.5(Δφ)^2，因此，相位误差对计量准确度影响小。

本发明从三个方面对提高计量芯片的计量精度作分析判断，即：一、对计量芯片差分放大部分存在的非线性进行了分析；二、从理论上对非线性负载时计量精度偏低的原因进行了数学分析；三、对电能表存在相位误差的原因进行了分析。

其中，尤其涉及对计量芯片的放大采样环节产生相位误差作分析，通过分析相位误差产生的原因首先包含输入回路产生的误差，也就是说是由于电压输入回路和电流输入回路之间的相移不同造成的。因此，要提高电能表的相位误差性能，必须尽可能地将输入回路产生的相位误差降到最小，从而提高计量精度。

附图说明

图1是本发明的流程图，

图2是本发明中计量芯片差分放大器失真示意图，

图3是本发明中ADE7752计量芯片内部结构图，

图4是本发明中三相电能表电压取样电路图，

图5是本发明中三相电能表电流取样电路图；

具体实施方式

如图1-5所示，本发明以ADE7752三相计量芯片为例加以说明，包括以下步骤：

一、确保电压采样回路和电流采样回路处于计量芯片差分放大线性区：

按国家电网公司三相智能电能表技术规范要求，电能表的正常电压工作范围为0.9Un～1.1Un，扩展电压工作范围为0.8Un～1.15Un，在此范围内要求电能表不仅能正常工作，而且能精确计量。考虑到确保电能表满足指标要求，电能表制造商一般都会按0.7Un～1.2Un进行设计。电能表初校是在100％Un和100％In条件下进行的，如附图2所示，只要调整好电压取样电路参数，使在120％Un的峰值在计量芯片的最大差动输入电压范围的一定百分比之内，避免输入信号出现饱和失真，就能确保满足电压计量精度的要求。

以ADE7752为例加以说明。ADE7752的内部结构如附图3所示，包含3个电压采样端VAP、VBP、VCP，它们分别与公共端VN形成差分电压，经各自的差分放大器放大后送入对应的AD采样模块进行模数转换。ADE7752的最大差动输入电压范围为±500mV。附图4为采用ADE7752设计的三相电能表电压采样电路(以A相为例)。为避免输入信号出现饱和失真，同时尽可能测试计量芯片的动态范围，VAP端口的最大电压幅度取值为±500mV满度的75％以内(三相三线时)。因此，附图4中电压取样电阻R5～R15分别取为：470K、470K、470K、220K、75K、39K、20K、10K、5.1K、2.7K、1K。图中J2～J12为跨接线，为硬调校时使用。采用软调校方案时不需要。

VAP的最大电压幅度取值为：

±380x1.2x1.414xR15/(R5+R6+…+R14+R15)

＝±380x1.2x1.414x1/(470+470+…+2.7+1)

＝±0.362V

＝±362mV。 (1)

实际电能表设计时，由于考虑到电能表常数、电能输出脉冲F1和F2的频率之间的匹配问题，往往在确定好电流取样电阻后再对电压取样电阻进行微调。

如附图3中的ADE7752内部结构所示，ADE7752包含3对电流采样端IAP和IAN、IBP和IBN、ICP和ICN，它们形成差分电压经各自的差分放大器放大后送入对应的AD采样模块进行模数转换。ADE7752的最大差动输入电压范围为±500mV。附图5为采用ADE7752设计的三相电能表电流采样电路(互感器接入，以A相为例)。为尽可能利用计量芯片的动态范围，同时考虑到电能表检测时需施加1.2Imax进行温升试验，因此IAP和IAN端口的最大差分电压幅度取值为±500mV满度的90％。

以设计电流规格为20(80)A的1级三相电能表为例，采用电流互感器的规格为0.1级、20(120)A/10mA，电流互感器变比为2000:1。选用标称阻值为精度为1％的电阻作为电流取样电阻。

由于电阻R1、R2取值相同且为串联，电流取样电阻R1、R2的取值为：

((0.5x0.9)/(80x1.414/2000))/2＝3.9Ω。

电能表进行误差调校时，首先校准参比电流20A时的误差。待误差校准后，再校验最大电流Imax＝80A时的误差。

若设计的智能电表不满足精度要求，对于1级三相电能表而言，可按端口的最大电压幅度取值为±500mV满度的75％以内进行设计。

电流取样电阻R1、R2的取值为：

((0.5x0.75)/(80x1.414/2000))/2＝3.3Ω。

为确保最大电流和最小电流负载时误差满足指标要求，一般将最大电流对应的差分电压设计为满度的50％(即±250mV)左右，即电流取样电阻R1、R2的取值为：

((0.5x0.5)/(80x1.414/2000))/2＝2.2Ω。

对于0.5S级三相智能电能表或0.2S级三相智能电能表，设计方法与1级三相电能表相同，只不过应选取精度为1‰的标称阻值金属膜电阻。

二、非线性负载计量误差产生原因的数学分析：

功率电能表的输入回路、放大采样、乘法运算等环节均能产生两个输入量之间的相位误差。这是功率电能表的一项特有误差。有时对测量准确度的影响是很大的，因此电能表设计人员对此都必须高度重视。

下面首先对非线性负载计量时误差偏大的原因进行数学分析。

(1)有功电能表的相位误差影响分析

假定无相位误差时的有功功率表示为：P0＝UIcosφ,则有相位误差时的有功功率可表示为：P＝UIcos(φ+Δφ),因此计量误差为：

α＝(P-P0)/P0

＝(UIcos(φ+Δφ)-UIcosφ)/(UIcosφ)

＝(cosφcosΔφ-sinφsinΔφ-cosφ)/cosφ

＝cosφ(cosΔφ-1)-tanφsinΔφ

因为Δφ很小，所以cosΔφ≈1，sinΔφ≈Δφ，因此上式为：

α≈-Δφtanφ (2)

其中，P0为无相位误差时的有功功率，P为有相位误差时的有功功率，U为电网电压，I为电网电流，φ为电压电流相位差，Δφ为相位误差，cosφ为有功因素，α为计量误差，符号→为趋近于。

在式(2)中，当φ→0°时，即功率因数接近1时，tanφ→0，α→0，因此相位误差对测量准确度影响很小。

在式(2)中，当φ→90°时，即功率因数接近0时，tanφ→∞，α→∞，即大功率因数时，相位误差对测量准确度影响很大。由于频率与相位之间存在对应关系，因此该项误差还是频率的函数，即使在一个频率点进行相位校正，当频率变化时，该项误差的影响仍是很大的。因此小功率因数条件下有功电能的精确计量仍是电能表设计人员高度重视的问题。

(2)无功电能表的相位误差影响分析

假定无相位误差时的无功功率表示为：Q0＝UIsinφ，则当有相位误差时无功功率可表示为：Q＝UIsin(φ+Δφ),因此计量误差为：

β＝(Q-Q0)/Q0

＝(UIsin(φ+Δφ)-UIsinφ)/(UIsinφ)

＝(sinφcosΔφ+cosφsinΔφ-sinφ)/sinφ

＝cosΔφ-1+ctanφsinΔφ

＝-2(sin(Δφ/2))^2+ctanφsinΔφ

因为Δφ很小，所以sinΔφ≈Δφ，因此上式为：

β≈-2(Δφ/2)^2+ctanφ﹒Δφ

＝-0.5(Δφ)^2+Δφctanφ (3)

其中，Q0为无相位误差时的无功功率，Q为有相位误差时的无功功率，U为电网电压，I为电网电流，φ为电压电流相位差，Δφ为电压电流相位误差，sinφ为无功因素，β为相位误差，符号→为趋近于。

在式(3)中，当φ→0°时，即功率因数接近1时，ctanφ→∞，β→∞，因此相位误差对测量准确度影响很大。

在式(3)中，当φ→90°时，即功率因数接近0时，ctanφ→0，β→-0.5(Δφ)^2，因此相位误差对测量准确度影响很小。

显然，小功率因数时，非线性负载相位误差影响小；大功率因数时，非线性负载相位误差影响很大，而这恰是无功电能表不同于有功电能表的工作情况。同时，由于始终存在固定误差-0.5(Δφ)^2，这也是无功电能表相对于有功电能表准确度低的主要原因。因此无功电能的精确计量仍是电能表设计人员必须高度重视的问题。

三、对计量芯片的放大采样环节产生相位误差的原因分析：

众所周知，电容和电感对交流信号(电压或电流)具有延迟作用。当一个交流信号经过电容、电感和电阻的时候，总会有一个充放电的过程，这会导致这个交流信号的幅度变化时间“向后”推迟一段时间。在各种交流放大器中，采用的元器件或者是电感电容，或者是含有电感电容成分，任何一个放大电路或者元器件我们都可以通过等效电路转换成电感、电容、电阻和理想有源器件的组合，即使是性能非常好的元器件也不能幸免，包括传输导线也是如此，这是目前的科技水平无法逾越的鸿沟。当然，不同品质的元器件其等效电容电感的数值也不一样，并且通过电路优化设计，可以尽量减轻这种影响，但是不管影响有多小，总是有的。所以，相位失真是不可能完全消除的，只要是传输导体和放大器，就会产生相位失真，只是量不同罢了。尤其对于国产计量芯片，由于制造工艺的欠缺，因而很容易造成各个采样通道之间的相位偏差。

如前所述，相位误差产生的原因首先包含输入回路产生的误差，也就是说是由于电压输入回路和电流输入回路之间的相移不同造成的。因此，要提高电能表的计量精度，必须尽可能地将输入回路产生的相位误差降到最小。

首先分析电压回路产生的相移。如附图4所示，电容C5的作用主要是用来滤除电网中的高次谐波信号，电容C6用于微调，当需要微调时才加。电压取样电阻按式(1)中参数选取，电容C5取10nF，则电压回路产生的相移计算如下：

电容容抗为：

Zc1＝-j(10^9/(2×3.14×50×10))＝-j318310(Ω)

VAP端口的阻抗为：

Zv1＝R15//Zc1＝1000//(-j318310)≈1000-j3.14(Ω)

电压回路的分压比为：

Zv1/(R5+R6+…+R14+Zv1)＝(1000-j3.14)/(1781800+1000-j3.14)

≈5.6×10^(-4)-j5.6×10^(-7)

＝5.6×10^(-7)(1000-j)

电压回路产生的相移为：

Arctan(-1/1000)＝-0.0573＝-3.44’

其次分析电流回路产生的相移。电流回路产生的相移由电流互感器产生的相移、电流回路滤波电容产生的相移及放大采样、乘法运算产生的相移等三部分相移合成组成。

先分析电流互感器产生的相移。

理想的电流互感器不会产生相位误差，实际由于材料特性及制造工艺的原因，互感器均具有一定的相位误差，互感器的相位误差有正有负。

精度等级1、0.1、0.2、0.2S、0.5、0.5S都是对互感器所给定的准确等级。互感器在规定使用条件下的误差应该在规定限度内。

对于0.1、0.2、0.5级和1级测量用电流互感器，在二次负荷欧姆值为额定负荷值的25％～100％之间的任一值时，其额定频率下的电流误差和相位误差不超过附表1所列限值。

对于0.2S和0.5S级测量用电流互感器，在二次负荷欧姆值为额定负荷值的25％～100％之间任一值时，其额定频率下的电流误差和相位误差不应超过附表2所列限值。

以三相电能表设计为例，正常设计时选用的电流互感器精度等级为0.1级。由附表1可知，在额定电流的5％、20％、100％、120％时，电流互感器的相位误差限分别为±15’、±8’、±5’、±5’。如果设计时选用的电流互感器精度等级为0.5级，由附表1可知，在额定电流的5％、20％、100％、120％时，电流互感器的相位误差限则可分别达到±90’、±45’、±30’、±30’。

再分析电流回路滤波电容产生的相移。

在附图5以三相电能表电流取样电路(互感器式)中，对于20(80)A三相电能表，产品的典型设计参数为：电阻R3、R4参数为100Ω，电容C1、C2参数为33nF，C3和C4为微调电容，需要对相位误差进行微调校正时才安装。

由于电容C1、C2取值相同且为串联，因此电容容抗为：

Zc2＝(-j(10^9/(2×3.14×50×33)))/2＝-j48229(Ω)

电流回路的分压比为：

Zc2/(R3+R4+Zc2)＝-j48229/(100+100-j48229)

≈1-j0.004

电流回路产生的相移为：

Arctan(-0.004/1)＝-0.2376＝-14.26’

最后分析放大采样、乘法运算产生的相移。

如附图3中的ADE7752内部结构所示，ADE7752的3对电流采样端IAP和IAN、IBP和IBN、ICP和ICN部分均包含有一个高通滤波器(HPF)，用于滤除电网中的直流信号成分。由于高通滤波器具有相位超前响应特性，因此在电压通道VAP、VBP、VCP环节分别加了一个相位校正网络，用以补偿由于高通滤波器造成电压通路和电流通路之间的相位差。根据ADE7752的技术参数，校正精度为±0.1°，即±6’。

对三相电能表有功功率计量而言，由式(2)可知：对同一信号而言，计量误差近似与相位误差成正比。由附表1和附表2可知，在额定电流的5％时互感器产生的相位误差达到额定电流的100％和120％时的3倍。这也就是电能表小电流信号测量时误差较大的原因。

综合以上对由电压回路产生的相移、电流互感器产生的相移、电流回路滤波电容产生的相移及放大采样、乘法运算产生的相移的分析，可得到电能表可能产生的综合相移。由于三相电能表有功计量的最低精度为1级，因此作为电流取样的电流互感器精度必须高于1级，因此以0.5级精度电流互感器说明。

对采用0.1级精度电流互感器而言，电能表可能产生的综合相位误差为：

最小相位误差绝对值：|-3.44’-(15’-14.26’)+6’|＝1.82’

最大相位误差绝对值：|-3.44’-(-15’-14.26’)+6’|＝31.82’

对采用0.5级精度电流互感器而言，电能表可能产生的综合相位误差为：

最小相位误差绝对值：|-3.44’-(90’-14.26’)-6’|＝73.18’

最大相位误差绝对值：|-3.44’-(-90’-14.26’)+6’|＝106.82’

ADE7752计量芯片中具有用于相位校正的寄存器，用于电能表相位误差的校正。由上可见，采用0.1级精度电流互感器时，相位校正寄存器最大需要进行31.82’相位误差的校正，而采用0.5级精度电流互感器时，相位校正寄存器最大需要进行106.82’相位误差的校正。我司对原装ADE7752计量芯片的检测试验结果表明，ADE7752计量芯片的最大相位误差校正范围应大于±1.8°，即±108’。因此，采用0.1级精度电流互感器时，相位误差完全能够进行校正。

表1为0.1、0.2、0.5级和1级测量用电流互感器精度等级

表2为0.2S和0.5S级测量用电流互感器精度等级

Claims (4)

1.一种三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1:参数设定，使得电压取样电路和电流取样电路处于计量芯片差分放大线性区；

调整电压取样电路参数，使在120％Un的峰值在计量芯片的最大差动输入电压范围的60％-80％之内，选择电压取样电阻；

调整电流取样电路参数，使Imax的峰值在计量芯片的最大差动输入电压范围的40％-60％之内，选择电流取样电阻；

S2:确定相位误差产生的影响因素，包括电压回路产生的相移和电流回路产生的合成相移；

S3:计算电压回路产生的相移；按照步骤S1中选择的电压取样电阻，选择电容，然后，依次计算电容容抗、阻抗和电压回路的分压比，从而得出电压回路产生的相移；

S4:计算电流回路产生的合成相移；确定电流回路产生的合成相移的影响因素，包括电流互感器产生的相移、电流回路滤波电容产生的相移及放大采样、乘法运算产生的相移，通过三个相移相加得出合成相移；

S41：确定电流互感器产生的相移；根据电流互感器的精度等级和额定电流的不同进行确定；

S42：计算电流取样电路滤波电容产生的相移；依次计算电容容抗和电流取样电路的分压比，从而得出电流取样电路滤波电容产生的相移；

S43：确定放大采样、乘法运算产生的相移；在计量芯片的三对电流采样端，分别设置高通滤波器和相位校正网络；

S5:计算综合相位误差；通过将步骤S3中的电压回路产生的相移和步骤S4中的电流回路产生的合成相移相加得出；

S6:校正选择；通过步骤S5中的综合相位误差，结合计量芯片的相位校正的寄存器，选择相应的电流互感器进行校正。

2.根据权利要求1所述的一种三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法，其特征在于，步骤S1和步骤S2之间还包括有功电能表对计量误差的判断步骤和无功电能表对计量误差的判断步骤。

3.根据权利要求2所述的一种三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法，其特征在于，有功电能表对计量误差的判断步骤为；

设定无相位误差时的有功功率表示为：则有相位误差时的有功功率可表示为：因此计量误差为：

设因此上式为：

其中，P0为无相位误差时的有功功率，P为有相位误差时的有功功率，U为电网电压，I为电网电流，为电压电流相位差，为相位误差，为有功因素，α为计量误差，符号→为趋近于；

在式(2)中，当时，即功率因数接近1时，α→0，即小功率因数时，相位误差对测量准确度影响小；

在式(2)中，当时，即功率因数接近0时，α→∞，即大功率因数时，相位误差对测量准确度影响大。

4.根据权利要求2所述的一种三相智能电表非线性负载精确计量分析设计方法，其特征在于，无功电能表对计量误差的判断步骤为；

设定无相位误差时的无功功率表示为：则当有相位误差时无功功率可表示为：因此计量误差为：

设因此上式为：

其中，Q0为无相位误差时的无功功率，Q为有相位误差时的无功功率，U为电网电压，I为电网电流，为电压电流相位差，为相位误差，为无功因素，β为计量误差，符号→为趋近于；

在式(3)中，当时，即功率因数接近1时，β→∞，因此，相位误差对测量准确度影响大；

在式(3)中，当时，即功率因数接近0时，因此，相位误差对测量准确度影响小。