谐波电能表校准的探讨

供电系统中的谐波对电能计量的影响问题已经引起了广泛关注，电能表在谐波状况下依然能够准确计量成为对电能表的必然的要求。随着电子技术和集成电路技术的发展，一些电能表生产商开发出了谐波电能计量标准和安装式谐波电能表，作为电力系统的电能计量研究部门，对谐波电能表的校准方法进行研究探讨是非常有必要的。

1校准装置

校准装置的组成如图1所示，主要由谐波标准功率源、谐波标准电能表以及误差计算器组成。

1.1谐波标准功率源

现有的用于电能表检定的校验装置在输出谐波的次数和准确度方面无法满足校准谐波电能表的要求。本文所进行的谐波电能表校准采用Fluke6100A 功率标准作为谐波功率源，Fluke6100A功率标准由的电压和电流通道组成，输出典型准确度在0.01%～0.02%之间，除输出正弦波电压和电流以外，还可提供精确的谐波失真，可在电压或电流信号、或者两者同时混合谐波信号，且不会削弱其准确度，可输出高达100次的谐波，主要用于检定和校准测量电能和电能质量的仪器。

1.2谐波标准电能表

谐波标准电能表采用德国ZERA公司生产的型号为RM M3001的三相标准电能表，其有功电能准确度等级为0.02级。在输入谐波次数为2次至21次，在各电压回路谐波电压含有率不超过10%，电流回路谐波电

谐波电能表校准的探讨

陆春光，姚力

（浙江省电力试验研究院，杭州310014）

摘要：介绍了采用Fluke6100A作为功率源的校准装置校准谐波电能表的原理和方法，可进行谐波电能表谐波电压、谐波电流的误差测试以及谐波电能的校准，文中提出了校准方案，并对谐波电能校准测量结果的不确定度进行了评定，可应用于谐波电能表的校准和型式试验。

关键词：谐波；电能表；校准

中图分类号：TM933.4文献标识码：A文章编号：1001-1390（2010）01-0035-03 Discussion on the Calibration of Harmonic Electrical Energy Meter

LU Chun-guang,YAO Li

(Zhejiang Electric Power Test and Research Institute,Hangzhou310014,China)

Abstract:The principle and method of harmonic electrical energy meter calibration that utilizes the Fluke6100A as the power source is introduced.The device can perform error test of the harmonic electrical energy meter on harmonic voltage,harmonic current and calibration of harmonic electrical energy.Meanwhile,calibration scheme is represented, which can be used to the calibration and type test of harmonic electrical energy meter.The paper also gives evaluation method of uncertainty of measurement result.

Key words:harmonic,electric energy meter,calibration

图1校准装置框图

Fig.1Diagram of calibration device流含有率不超过40%时，准确度小于0.05%。

1.3误差计算器

基波有功电能的检定和谐波有功电能的校准采用标准表法－高频脉冲数预置法[1]进行，即在标准电能表和被测电能表电压回路并联、电流回路串联，加同样的电压、电流且同时连续运行的情况下，计读标准电能表在被测电能表输出N个低频脉冲的时间间隔内所输出的高频脉冲数m，将m作为实测高频脉冲数，再与算定的脉冲数m0进行比较，得到被测电能表的相对误差γ（%）。误差计算公式为：

γ=m

-m

×100，m0=

C

H0

·N

L

式中C H0为标准电能表的高频脉冲常数（imp/kWh）；C L 为被测电能表的低频脉冲常数（imp/kWh）。

2校准方案

2.1相关标准

国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》定义了6类谐波指标，分别为第h次谐波电压含有率HRU h、第h次谐波电流含有率HRI h、谐波电压含量、谐波电流含量、电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率。

在IEC标准IEC62053-21《电测量设备特殊要求1级和2级静止式交流有功电能表》和IEC62053-22《电测量设备特殊要求0.2S级和0.5S级静止式交流有功电能表》中，对电能表在有谐波情况下进行准确度试验的试验条件及误差改变极限进行了规定。

国家标准GB/T17215.301《多功能电能表特殊要求》对电能测量准确度以外的其它电参量准确度试验的测量点进行了规定。

电力行业标准DL/T1028-2006《电能质量测试分析仪检定规程》规定了电能质量测试分析设备谐波电压、谐波电流、谐波有功功率的检定点以及允许误差限。

2.2校准对象

本文所述的校准对象为三相四线电子式多功能谐波电能表，规格为：3×220/380V，3×1.5(6)A，参比频率为50Hz。

2.3基波电压和基波电流的准确度测试

在校准过程中，应首先进行电能表基波电压的准确度测试，采用标准源法[2]进行（也可按照GB/T17215.301规定采用标准表直接比较法进行测试，但标准电能表显示应有足够的分辨率）。将Fluke6100A标准功率源输出的基波电压（频率为50Hz）与电能表所测的基波电压进行比较，得到被测电能表基波电压的相对误差（注：此处未采用GB/T17215.301中引用误差的概念），测试点为0.5U n、U n和1.2U n（U n为电能表的参比电压，本文中为220V）[3]。

DL/T1028-2006《电能质量测试分析仪检定规程》规定基波电压测量的相对误差允许值为0.5%。

基波电流的准确度测试同样采样标准源法进行，将Fluke6100A标准功率源输出的基波电流（频率为50Hz）与电能表所测的基波电流进行比较，得到被测电能表基波电流的相对误差，测试点为0.05I n、I n和I m ax （本文中I n为5A，I m ax为6A）[3]。

2.4基波有功电能的检定

被测电能表基波有功电能的检定可完全参照JJG596-1999《电子式电能表》检定规程规定的负载点进行，此处不再赘述。

2.5谐波电压含有率HRU h（或谐波电压）的误差测试

第h次谐波电压含有率HRU h的定义[4]为：

HRU h=

U

h

U

1

×100（%）

其中U h为第h次谐波电压（方均根值）；U1为基波电压（方均根值）。

DL/T1028-2006《电能质量测试分析仪检定规程》规定谐波电压的允许误差限如表1所示。

谐波电压含有率的测试采样标准源法进行，Fluke6100A功率源输出的谐波电压含有率标准值HRU hs与被测电能表测试结果HRU hx进行比较。

在谐波电压含有率HRU h<1%（被测电能表谐波电压测量满足A级要求）或HRU h<3%（被测电能表谐波电压测量满足B级要求）时，按照下式:

ΔHRU h=HRU h-HRU hs

计算谐波电压含有率的测试误差。根据表1的规定，ΔHRU h的误差限值为0.05%（A级）和0.15%（B 级）。

在谐波电压含有率HRU h≥1%（被测电能表谐波电压测量满足A级要求）或HRU h≥3%（被测电能表谐波电压测量满足B级要求）时，按照下式：

表1谐波电压允许误差限

Tab.1Error limits of harmonic voltageγHRU

h =

HRU

hx

-HRU

hs

HRU

hs

×100%

计算被测电能表谐波电压含有率的相对误差γHRU

h

。

根据表1的规定，γHRU

h

的误差限值为5%。

谐波电压含有率具体测试点如表2所示。

2.6谐波电流含有率HRI h（或谐波电流）的误差测试

第h次谐波电流含有率HRI h的定义为：

HRI h=I

h

I

1

×100（%）

式中I h为第h次谐波电流（方均根值）；I1为基波电流（方均根值）。

DL/T1028-2006《电能质量测试分析仪检定规程》规定谐波电流的允许误差限如表3所示。

谐波电流含有率的误差测试与谐波电压含有率误差测试方法相同，具体测试点如表4所示。

2.7基波＋谐波有功电能的校准

为方便说明，定义以下电参量：

基波电压：u1=2

姨U1sinωt，U1为基波电压有效值；

基波电流：i1=2

姨I1sin（ωt+φ1)，I1为基波电流有效值；

n次谐波电压：u n=2

姨U n sin（ωt+φn)，U n为n次谐波电压有效值；

n次谐波电流：i n=2

姨I n sin[n（ωt+φ1)+φ′n]，I n为n次谐波电流有效值；

n次谐波电流与n次谐波电压之间的相位差：

φ″n=nφ1+φ′n-φn

表2谐波电压含有率测试点

Tab.2Test value of harmonic voltage ratio

HRU h

0.5 1 3 8 10 2 3 5 7 9 11 13 15 19 25 50

表3谐波电流允许误差限

Tab.3Error limits of harmonic current

表4谐波电流含有率测试点

Tab.4Test value of harmonic current ratio

谐波条件下有功功率：

P=U1I1cosφ1+

n

ΣU n I n cosφ″n

参照相关标准以及运行中的实际情况，谐波有

功电能校准参照表5中的测量点进行。表5中为三相

平衡负载条件下的测试点，不平衡负载条件下可参

考进行。

谐波条件下的无功功率目前仍没有统一的定

义，本文不展开讨论。

3基波+谐波电能校准结果的不确定度评定[5]

3.1不确定度来源分析

校准结果的标准不确定度u(γ)主要由两个不确

定度分量构成[6]：

（1）重复性条件下被测电能表测量不重复引起

的不确定度分量u(γ1)，采用A类方法评定；

（2）三相谐波标准电能表的不确定度引起的不

确定度分量u(γ2)，采用B类方法评定。（下转第42页）

表6谐波有功电能校准相对误差

Tab.6Relative error of harmonic active energy calibration

3.2

u (γ1)的评定

u (γ1)由重复性条件下被测电能表的测量不重复

性引起，采用A 类方法进行评定。三相平衡负载条件下，被测电能表在基波电压为220V 、基波电流为5A 、5次谐波电压含有率为10%、5次谐波电流含有率为

40%、φ1＝φn ＝φ''n ＝0时，测得的相对误差如表6所

示。

实验标准差为：s =0.0015%，实际测试以2次测量平均值作为测试结果，则：

u (γ1)=s /2姨=0.0011%，自由度为:ν(γ1)=9。3.3u (γ2)的评定

根据中国计量科学研究院出具的谐波标准电能表的校准证书，谐波电能的不确定度为0.008%（k =2），因此对应的标准不确定度为：

u (γ2)=0.008%/2=0.004%。

估计其不可靠程度为10%，则其自由度为：

ν(γ2)=

12×

10100

姨姨

2

=50。

3.4合成标准不确定度u c (γ)的评定

上述两个不确定度分量彼此，不相关，且灵

敏系数均为1，故:

u c (γ)=

u 2(γ1)+u 2

（γ2）姨

=0.0041%

自由度为：νeff (γ)=u 4

c (γ)u (γ1)ν(γ1)+

u (γ2)

ν(γ2)

=53

3.5扩展不确定度的评定

取置信概率p =95%，按νeff (γ)=50查t 分布表，得:

k p =2.01,U 95=k p u c (γ)=2.01×0.0041%=0.0082%

故在三相平衡负载条件下，被测电能表在基波电

压为220V 、基波电流为5A 、5次谐波电压含有率为

10%、5次谐波电流含有率为40%、φ1＝φn ＝φ''n ＝0时，

校准结果的扩展不确定度为：

U 95=0.0082%，k p =2.014

结束语

国内外还没有相应的谐波电能表的标准，如何对其进行测试还处于探索阶段，本文参考国内相应的电能质量分析仪以及多功能电能表的标准，对谐波电能表的校准方法进行了探讨，希望对国内电能计量专业的同行有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]JJG 596-1999，电子式电能表[S].

[2]DL/T 1028-2006，电能质量测试分析仪检定规程[S].[3]GB/T 17251.301，多功能电能表特殊要求[S].[4]GB/T 14549-93，电能质量公用电网谐波[S].[5]JJF1059-1999，测量不确定度评定与表示[S].

[6]李彦群.电能表、电流互感器测量结果的不确定度评定[J].西北电力技术，2002，（2）：22-24.作者简介：

陆春光（1978－），男，硕士，工程师，从事电能计量研究工作。

Email:zjulcg@tom.com

收稿日期：2009-08-27

（田春雨编发）

进行检测，其不仅可以检测到局部放电信号，而且可以根据三相所测得的信号的大小，极性的关系来进行局部放电的定位，还可以根据检测到的信号来进行抗干扰。

参考文献

[1]I.E.noble.Electromagnetic compatibility in the automotive environment[J].IEEE Porc-Sci.Meas.Technol,1994,141

（4）.[2]N.H.Ahmed,et al.On-line Partial Discharge Dectection In Cables[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation ,1998,5

（2）.[3]段乃欣,等.XLPE 电缆中局部放电脉冲传播特性的试验研究[J].高

压电器，2002,38（4）.

[4]N.H.Ahmed ,et al .On-line partial discharge detection in cables [J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1998,5(2).作者简介：

章鹿华(1980-)，男，电气工程师，硕士研究生，研究方向为高电压与绝缘技术，现从事电气测量工作与技术研究。

Email ：luhua-zhang@163.com

王伟(1960-)，男，教授，从事高电压与绝缘技术研究与教学工作。李华春(1971-)，男，高工，主管高压电缆运行、技术、状态监测工作。

收稿日期：2009-04-25

（常会敏编发）

（上接第37页）