諧波對感應(yīng)式無功電能表的電能計量影響

史訓(xùn)濤， 蔣金良

(廣東電網(wǎng)佛山南海供電局， 佛山 528200)

諧波對感應(yīng)式無功電能表的電能計量影響

史訓(xùn)濤， 蔣金良

(廣東電網(wǎng)佛山南海供電局， 佛山 528200)

為了公正合理地評估用戶的無功電能消費狀況，該文深入分析了感應(yīng)式無功電能表在諧波情況下的計量特性。通過大量的感應(yīng)式無功電能表無諧波、不同次諧波和不同畸變程度諧波實驗分析，表明感應(yīng)式無功電能表與有功電能表具有相似的諧波計量特性，即在諧波情況下都會產(chǎn)生負的計量誤差。同時，也出現(xiàn)了感應(yīng)式無功電能表對奇次諧波的敏感程度要小于偶次諧波新的特殊性質(zhì)。最后，總結(jié)了感應(yīng)式無功電能表在諧波情況下的一般計量規(guī)律，對實際無功電能計量具有指導(dǎo)意義。

電能質(zhì)量； 諧波； 無功； 感應(yīng)式電能表； 電能計量

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，各種非線性用電設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，如晶閘管式整流設(shè)備、逆變裝置和變頻設(shè)備等。這些設(shè)備的快速增長使得電網(wǎng)中存在嚴(yán)重諧波污染問題，而且對電網(wǎng)中無功電能的消耗也正快速增長，故對無功和諧波綜合補償抑制的研究勢在必行[1，2]。

目前，電網(wǎng)中對大工業(yè)用戶的電能計量大多都采用感應(yīng)式電能表。然而考慮到感應(yīng)式電能表的諧波特性，使得人們對此種電能表的計量準(zhǔn)確性、公正性存在一定的爭議[3～5]。諧波情況下的電能計量方式對供、用電企業(yè)都會造成較大的影響，因此非常有必要去探討在這種情況下合理、正確的電能計量方式。

本文通過無功電能表諧波實驗深入分析其在頻率變化情況下的計量特性，得出其在不同次諧波和不同畸變程度下的計量誤差，并總結(jié)出感應(yīng)式無功電能表在諧波情況下的一般計量規(guī)律。此舉可使供電企業(yè)正確認識到用戶的無功電能消費情況，利用計量規(guī)律正確制定有效的無功電能計量誤差補償或懲罰方法，對開拓公平電力運營市場具有重要意義。

1 諧波對感應(yīng)式無功電能表計量影響的理論分析

1.1 感應(yīng)式無功電能表的計量模型

感應(yīng)式無功電能表的制造原理是改變有功電能表的接線方式，大致可分為正弦感應(yīng)式無功電能表和余弦感應(yīng)式無功電能表。前者是通過電壓回路串聯(lián)電阻、電流回路并聯(lián)電阻來實現(xiàn)移相，后者則是通過跨相接線和在電壓回路串聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娮鑱硪葡?。受磁化特性、轉(zhuǎn)盤在各次諧波下的阻抗特性、摩擦力矩和自制動力矩非線性等因素影響，無論何種接線方式無功電能表都與有功電能表有著相似的計量特性。感應(yīng)式有功電能表的頻率特性如圖1所示，故無功電能表的計量模型可近似為[6]：

(1)

式中：QF為基波功率；QH為諧波功率；KH為對應(yīng)H次諧波功率的特性系數(shù)。由于感應(yīng)式電能表有下降的頻率特性，故有KHlt;1，并且隨著頻率的增大(諧波次數(shù)H的增大)，KH的值逐漸減小。

圖1 感應(yīng)式電能表頻率特性曲線

1.2 感應(yīng)式無功電能表的計量誤差

電網(wǎng)中用戶大致可分為線性用戶和非線性用戶，諧波對它們的影響各不相同。從經(jīng)濟的角度出發(fā)，諧波情況下線性用戶和非線性用戶的電能計量準(zhǔn)確性具有重要意義。感應(yīng)式無功電能表在諧波情況下將出現(xiàn)一定程度的誤差，以下分四種情況具體分析。

1)本文將用戶實際上消耗掉的無功電能稱為WQ-C，電能表計量的無功電能稱為WQ-M。當(dāng)感應(yīng)式無功電能表掛在線性用戶端、系統(tǒng)中無諧波時，則WQ-C=WQ-M=QF×T，此時對于線性用戶來講，計量誤差εL(%)為

(2)

可見，線性用戶只消耗基波無功電能，故不存在誤差。

100%

(3)

式中：QF×T為理論基波電能；QH×T為理論諧波電能。此時，由于KHlt;1，則計量誤差εL%lt;0，即電能表計量的無功電能要比實際消耗的無功電能小。然而，此時線性用戶不僅受到了諧波污染，而且可能因為多計量的諧波無功電能導(dǎo)致較低的功率因數(shù)，從而多交無功懲罰電費。

100%

(4)

4)當(dāng)感應(yīng)式無功電能表掛在非線性用戶端，系統(tǒng)中存在諧波的情況比較復(fù)雜，可以說是多諧波源相互影響的復(fù)雜關(guān)系：非線性負荷作為一個諧波源，會向外發(fā)出諧波，但同時又會受外來諧波的影響，此時需要考慮實際的諧波功率流動情況。但一般地，非線性負荷仍以發(fā)出諧波功率為主，此時的情況與3)基本相同。

由以上分析可知，除了1)的情況之外，其他任何情況下感應(yīng)式無功電能表無論是掛在線性用戶還是非線性用戶，都會導(dǎo)致計量誤差εlt;0的結(jié)果，即電能表計量的無功電能會較用戶實際消耗的無功電能偏小。真正的原因在于感應(yīng)式無功電能表的諧波特性，同感應(yīng)式有功電能表一樣，隨著諧波次數(shù)越高，KH越小。本文將通過感應(yīng)式無功電能表的諧波實驗驗證上述理論分析。

2 感應(yīng)式無功電能表的諧波實驗及其分析

本實驗主要分為兩大部分：感應(yīng)式無功電能表無諧波實驗和感應(yīng)式電能表無功諧波實驗。前者主要是測試實驗無功電能表在無諧波情況下的計量準(zhǔn)確性，結(jié)果表明誤差在精度等級以內(nèi)。后者諧波實驗主要目的在于測試無功電能表對不同次和不同畸變程度諧波的敏感程度，從而分析得出在每種諧波情況下的計量誤差。

2.1 感應(yīng)式無功電能表實驗設(shè)置

本次實驗電能表選擇了某供電局提供的三相四線感應(yīng)式無功電能表一部：型號為DX862-4型，額定電壓為3×380 V，基本電流為1.5～6A，準(zhǔn)確等級為3。此感應(yīng)式無功電能表技術(shù)指標(biāo)符合GB/T 15283-1994，其接線方式采用一般傳統(tǒng)接線，如圖2所示。

本次實驗儀器還包括標(biāo)準(zhǔn)源KS833(0.05級)1個、溫濕度計F971型1個。其中，KS833(0.05級)可輸出高精度的諧波功率。這兩個實驗裝置都經(jīng)過CNAS認證的華南計量院的校準(zhǔn)，以確保實驗的正確性。實驗進行了1個月左右，主要完成以下實驗內(nèi)容：①檢驗無功電能表是否存在“潛動”情況(分別校驗在只有電壓無電流，以及只有電流無電壓的情況下電能表的情況)；②記錄有諧波存在(分別輸出諧波畸變率THD為5%、10%、20%的2次、3次、4次、5次、6次、7次的諧波)，且基波相角與諧波相角都為75°時的電能計量情況。

圖2 感應(yīng)式無功電能表接線方式

2.2 感應(yīng)式無功電能表實驗結(jié)果分析

感應(yīng)式無功電能表無諧波實驗表明在無諧波的情況下，計量結(jié)果仍然有誤差，但在電能表的準(zhǔn)確等級的允許范圍內(nèi)(實驗數(shù)據(jù)及分析不再贅述)。而本實驗主要是分析感應(yīng)式無功電能表在不同次諧波和不同畸變諧波下的計量誤差，例如，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)源KS833輸出基波電壓為308 V和基波電流為1.5 A，同時輸出為基波含量5%的2次諧波，記錄實驗計量電能。則可計算得出其在此種情況下的計量誤差：

(5)

由此可得標(biāo)準(zhǔn)源分別輸出5%、10%、20%的2次、3次、4次、5次、6次、7次諧波的各種情況下的計量誤差，如表1所示。

表1 不同諧波畸變程度下無功電能表計量誤差

從表1可知，當(dāng)有諧波時，感應(yīng)式無功電能表計量受到諧波的影響，出現(xiàn)了不同程度的計量誤差。由實驗數(shù)據(jù)可得出很直觀的感應(yīng)式無功電能表在各種情況下的計量誤差圖，如圖3所示。

實驗結(jié)果分析：

1)由圖3可以很直觀地看出，感應(yīng)式無功電能表在諧波情況下具有負的計量誤差，即εlt;0，與1.1和1.2的理論分析相一致，只有5%含量的3次諧波一種情況出現(xiàn)異常，可認為實驗操作或記錄誤差；

2)感應(yīng)式無功電能表的計量誤差隨著諧波含量的增大，計量誤差越大；

3)結(jié)合公式(5)和圖3分析可知，感應(yīng)式無功電能表對奇次諧波的敏感程度要低于偶次諧波，即奇次諧波特性系數(shù)KH(H為3、5、7次)一般大于相鄰偶次諧波特性系數(shù)KH(H為2、4、6次)，造成感應(yīng)式無功電能表在奇次諧波情況下的計量誤差大體要小于偶次諧波；

4)另外，按照1.1部分的理論分析，公式(1)中的KH為對應(yīng)H次諧波功率的特性系數(shù)，它會隨著頻率的增大(諧波次數(shù)H的增大)，其值逐漸減小，即隨著諧波次數(shù)越高，感應(yīng)式無功電能表的計量誤差越大，但實驗結(jié)果表明計量誤差并不遵循這一規(guī)律。

上述分析中的1)和2)與感應(yīng)式有功電能表的計量特性相似；3)和4)是感應(yīng)式無功電能表本身的特殊計量特性，其原因有待進一步研究。

圖3 感應(yīng)式無功電能表計量誤差圖

3 結(jié)論

本文在對諧波情況下感應(yīng)式無功電能表計量誤差的理論分析基礎(chǔ)上，通過大量諧波實驗證明感應(yīng)式無功電能表與有功電能表具有相似的諧波計量特性，但同時也存在一些不同的計量性質(zhì)，主要得出以下結(jié)論：

1)與理論分析一致，感應(yīng)式無功電能表在諧波情況下具有負的計量誤差，且隨著諧波含量的增大，計量誤差越大；

2)感應(yīng)式無功電能表諧波實驗發(fā)現(xiàn)一個新的諧波計量特性，即其對奇次諧波的敏感程度要低于偶次諧波，造成感應(yīng)式無功電能表在奇次諧波情況下的計量誤差要小于偶次諧波的現(xiàn)象，此特殊性質(zhì)為以后的計量誤差深入分析提供研究方向；

3)根據(jù)理論分析，感應(yīng)式無功電能表受諧波的影響規(guī)律應(yīng)該是諧波次數(shù)越高，計量誤差越大，但實驗數(shù)據(jù)和圖3表明計量誤差并不一定遵循這一規(guī)律。這也說明在諧波情況下感應(yīng)式電能表計量誤差存在一定的復(fù)雜性。

隨著電網(wǎng)中的諧波污染越來越嚴(yán)重，合理地對用戶進行電能計量有利于創(chuàng)造一個公平競爭、懲罰分明的和諧電力市場。研究感應(yīng)式無功電能表的諧波計量特性反映了當(dāng)今電網(wǎng)無功優(yōu)化及規(guī)劃、電網(wǎng)綠色化建設(shè)的實際需求，對實際無功電能計量具有重要的參考指導(dǎo)作用。

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史訓(xùn)濤(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為電能質(zhì)量、無功優(yōu)化等。Email:xuntaotaozi@163.com

蔣金良(1953-)，男，副研究員，研究方向為電力市場和電力企業(yè)管理。Email:jljiang@scut.edu.cn

HarmonicInfluenceonPowerMeasurementofInductionReactiveWatt-hourMeter

SHI Xun-tao， JIANG Jin-liang

(Foshan Nanhai Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation,Foshan 528200, China)

In order to assess reactive power consumption status of users, this paper analyzed the measurement characteristics of induction reactive watt-hour meter. By analyzing of a large number of experiments under the cases of non-harmonics and a variety of harmonics, the results showed that induction reactive watt-hour meter and active watt-hour meter have a similar characteristic, i.e. they both have negative measurement errors under harmonics. At the same time, induction reactive watt-hour meter also showed a new special characteristic that is much less sensitive to odd harmonics than even harmonics. Finally, this paper summarized the general measurement principle of inductive reactive watt-hour meter in harmonics which can guide the practical reactive power metering significantly.

power quality； harmonics； reactive power； induction watt-hour meter； power measurement

TM933.3+7

A

1003-8930(2012)06-0157-04

2011-03-25；

2011-09-08