全波電能表的應用探討

【摘要】本文以廣州供電局計量管理現狀為例，分析了常規三相電能表在諧波源用戶的計量中存在的問題，并提出試用全波電能表的建議。

【關鍵詞】全波；諧波；電能表；應用

Abstract：Taking the current situation in measure administration of Guangzhou power supply bureau as example，this article analyses the problems of routine three-phase electric energy meter which lying in harmonic consumers’measurement.And propose applying the all waves electric energy meter.

Key words：all waves；harmonic；electric energy meter；application

1.概況

廣州供電局的電能計量裝置管理，一直按照《DL/T 448-2000電能計量裝置技術管理規程》、《南方電網電能計量管理辦法》、《廣東電網公司電能計量管理辦法》《廣東電網公司電能計量裝置技術規范》和《廣州供電局電能計量管理辦法》等相關規定進行I-V類用戶的電能計量裝置的選配和管理。對互感器和電能表的選配，只是參照用電容量和用電性質配置相應精度的互感器和有、無功電能表，并未考慮諧波的影響。

近幾年，隨著城市現代化的飛速發展，諧波的污染呈日益嚴重的趨勢。應用于地鐵、高速鐵路、煉鋼等領域的各類換流設備、調壓裝置、變頻裝置等非線性負荷的使用都將產生諧波，從而對電力設備、電力用戶和通信線路等造成較大的影響。電網中的諧波還會影響到電能表計量的真實性和準確性。為此，近年來，一些電能表廠家相繼研制出了應用于諧波工況下的三相多功能電能表，使全波計量方式成為可能。

2.諧波源頭

非線性用電設備是造成諧波的根本原因。非線性設備有電弧爐、弧焊機、電子整流換流設備、高壓直流輸電設備、電氣化鐵道、家用電器以及各種電子節能控制設備如開關電源，晶閘管控制設備如換流設備、整流器、逆變器、靜止無功補償裝置、變頻器等，涉及冶金、公共交通、電氣化鐵路、電信、化工、有色金屬、交通、機械、汽車制造等行業的用電客戶。

3.諧波對計量裝置的影響

諧波對電網的影響，除增加變壓器和電力電路的損耗，可能引起保護誤動外，還會影響到電能計量裝置的準確性。

電網中的高次諧波主要是由非線性用電設備產生的，而高次諧波的產生是要消耗一定電能的，并且諧波功率在流經送變電設備和用電設備時也要做功，所以諧波也會產生有功功率和無功功率，并產生相應的有功電能和無功電能。從準確的角度來考慮諧振波產生的有功電能和無功電能也需要計算。

電能計量裝置通常是按50Hz標準的正弦波設計，供電電壓或負荷電流中的諧波成分會影響感應式電能表和電子式電能表的正常工作，使其不能準確計量。

有諧波源存在時，該處用戶的電能量記錄本應為其吸收的基波電能量加上小部分諧波電能量，而現使用的感應式電能表的記錄為其吸收的基波電能量減去小部分諧波電能量，電子式電能表（基波表）只記錄了其吸收的基波電能量，諧波電能量則未能記錄，故諧波能使電能計量裝置產生誤差。下面分別分析諧波對電能計量準確度的影響。

3.1 對感應型電能表計量準確度的影響

傳統的電能測量方法采用電壓、電流的總有效值，測量功率為P=Vrms×Irms×cosφ，對于非正弦系統的，，通常使有效值增大。當電力系統中有諧波分量存在時，諧波與基波相迭加，波形就會發生畸變，而由于電壓、電流鐵芯導磁率的非線性，在電壓、電流波形發生畸變時，磁通并不能相應地線性變化。從電工基礎知識和電能表工作原理可知，只有同頻率的電壓和電流相互作用才會產生平均功率，電能表也只有同頻率的電壓和電流產生的磁通之間相互作用才能產生轉矩，畸變的波形通過電磁元件以后，由于磁通不與波形對應變化，導致轉矩不能與平均功率成正比而產生附加誤差。

例如：電壓為基波，電流為3次諧波，結果瞬時功率曲線如圖1所示，有功功率為零。

可見，諧波電流并不一定增大有功功率。使用感應型電能表計量非正弦系統電量影響準確度。

3.2 對電子式電能表計量準確度的影響

我們知道瞬時功率P（t）-v（t）×i（t），諧波情況下的有功功率：

即：

Pav=P0+P1+P2+P3+……

總的畸變波形的有功功率等于直流分量功率、基波功率與各次諧波分量功率之和。總的畸變波形的有功功率的大小決定于基波功率方向與諧波功率方向是否一致。

例如計算含3次諧波的有功功率：當3次諧波電壓與3次諧波電流相位相同時，瞬時功率曲線如圖2所示，有功功率為0.5，總的有功功率大于基波有功功率。

反之，當3次諧波電壓與3次諧波電流相位相反時，總的有功功率小于基波有功功率。對于非線性用戶，產生諧波倒流入電網，此時電能表計量是基波電能減去倒流入電網的諧波電能，不但產生污染電網的諧波，還少計量了電能；對于線性用戶，諧波流入，計量的電能為基波電能與諧波電能之和，不但受害，還被多計量了電能。顯然，這種計量方式是不合理的。

3.3 對基波電子式電能表計量準確度的影響

針對上述情況，現有電子式電能表一般都加前置低通濾波器，濾去除基波外的諧波，只計量基波電能。這樣，對線性用戶，諧波電能沒有被誤計入；對非線性用戶，只計量了基波電能，而沒有計量諧波電能，導致少計量電能。

以廣東省粵北某電氣化鐵路牽引站為例：

其牽引變壓器容量為31.5MVA諧波負荷總和為0.088MW，基波負荷為11.481MW，諧波負荷總和與基波負荷的比值為0.76%。按該牽引站年用電量100GWh計算，1年可挽回損失電量760MWh，即100000000000x0.76%=760MWh。

同時，基波電子式電能表計量結構設計也影響了電能表的計量精度。諧波對電子型電能表呈寬帶響應的特性，電子表帶寬主要受其互感器頻帶和乘法器時鐘頻率的限制。電子式電能表的誤差主要源自其輸入模塊。在結構設計上，由于電能表輸入模塊的信號變送僅考慮基波，當電壓、電流波形發生畸變時，磁通不能相應地發生線性變化而產生誤差，影響了電能表的整體計量精度。

從電能計量的角度來看，正弦波電源供非線性負荷，負荷污染電網、向系統注入諧波功率，少交電費，對電力系統不公平；諧波電源供線性負荷，用戶設備性能變壞，吸收諧波功率，多交電費、對電力用戶不公平。

對于諧波電源供非線性負荷，應根據諧波電壓電流的相位差具體分析，以判斷用戶是吸收諧波功率還是污染電網而向系統注入諧波功率。無論這些諧波源的諧波含量超標與否，針對這些諧波源應用具有諧波計量功能的電能表，提高電能計量的真實性和準確性，將是計量管理精細化的趨勢。

4.具有諧波計量功能的電子式電能表的研發與應用現狀

4.1 應用現狀

近年來，隨著電子式電能表的迅速應用和普及，電能表的功能日益向自動化終端（包括RTU、FTU、TTU、負控、電能質量監測儀等）的功能擴展和完善，國內外的一些電能表廠家如蘭吉爾、威勝等相繼研制出了應用于諧波工況下的三相多功能電能表（全波表），并已開始在國內外試運行，使全波計量方式成為可能。而一些國內外芯片廠家相繼推出的具有基波和諧波電能計量的三相多功能計量芯片，如ADE7878等等，又將使全波表的造價大幅降低，使全波表在I-Ⅳ類用戶中的普及成為可能。

產品及應用實例舉例：蘭吉爾高端關口表ZQC.6以上的電表都具有諧波計量功能，同時還具有電壓驟降表等質量檢測功能幫助提高電網運行質量和運行分析功能。蘭吉爾ZQ表對于諧波的計量是將諧波有功，電壓，電流分開計量并帶有方向，可以清楚分清諧波的正反向，對于諧波進行獨立的計量，同時還可以根據需求百分比形式計量。可以記錄高達30次諧波，滿足電網諧波計量的需要。還有一款單相含諧波計量的電能表，專門針對電氣化鐵路單相計量的特點而設計。目前該系列全波表已開始相繼在山東、江西、安徽等地的電氣化鐵路試用，在歐洲（希臘，瑞士，德國，西班牙，波蘭，法國等）及新加坡、泰國等國家的電氣化鐵路中也有應用。

由于全波表試用時間較短，尚沒有相關試用效果的實際資料。

4.2 全波表標準問題

盡管國內外一些電表廠已相繼推出應用于諧波工況下的三相多功能電能表（全波表），但是其功能和性能卻是五花八門，沒有一個統一的技術標準來規范，全波電能表技術走向成熟還有一個過程。

鑒于國際上尚未有三相多功能表的統一標準，中國電工儀器儀表標準化技術委員會組織起草國家標準《多功能電能表特殊要求》，現正進入審定階段。制定該標準的目的，是為制造商和使用電能的用戶提供一個產品技術規范，并使其體現產品訂貨技術規范的大部分內容，多功能表的通用要求，將參照中國相關國家標準的內容。

4.3 諧波功率電能計量標準

全波電能表的應用，如何進行計量標準的溯源和傳遞是其應用時應解決的關鍵問題。

在歐洲，三相0.01級標準表，具有諧波功率計量功能；已建立起諧波有功功率、諧波視在功率的計量傳遞標準；

在美國，電能表自動校準系統，在任意波形諧波總含量30%以下，計量準確度為+/-0.005%～0.05%；高精度三相標準表，在功率因數低于0.5（60o～90o），計量準確度為+/-0.02%/功率因數；電能功率標準源，提供七種非正弦信號的無功功率計算方法。

目前我國尚未建立基于全波表的計量傳遞標準。

4.4 全波表的應用方式

在尚未有相關國家標準和尚未建立基于全波表的計量傳遞標準的情況下，全波表的應用建議參考國內外的使用方式。

2009年11月20日，國家電力監管委員會審議通過了《供電監管辦法》，并自2010年1月1日起施行。其中第七條規定：“……供電企業應當審核用電設施產生諧波、沖擊負荷的情況，按照國家有關規定拒絕不符合規定的用電設施接入電網。用電設施產生諧波、沖擊負荷影響供電質量或者干擾電力系統安全運行的，供電企業應當及時告知用戶采取有效措施予以消除；用戶不采取措施或者采取措施不力，產生的諧波、沖擊負荷仍超過國家標準的，供電企業可以按照國家有關規定拒絕其接入電網或者中止供電。”我們可以以此作為依據試用全波表。

（1）選擇地鐵、高鐵、煉鋼廠及其它生產線采用各類換流設備、調壓裝置、變頻裝置等非線性負荷的I類用戶；

（2）在簽訂供用電合同時，根據《GB/T 14549-1993電能質量公用電網諧波》標準中對110kV和10kV網絡的諧波限值與用戶溝通，并達成共識，在供用電合同中明確，造成諧波污染所應承擔的違約責任；

（3）選用諧波電量和基波電量分開累計方式的全波表，實時掌握諧波源用戶返送電網的諧波量，作為違約罰款或者督促用戶進行諧波治理的依據；

（4）待積累一定的運行經驗后，同電能表家一道完善相關功能標準和技術標準，進而擴大應用范圍。

5.結語

（1）現行的感應式電能表和基波電子式電能表計量非正弦系統電量不準確，少計了非線性負荷用戶的電量。

（2）對于非線性負荷用戶應用全波表，可計入諧波消耗的電能量，使計量更精確；與非線性負荷用戶在同一公用連接點上供電的其它用戶也應使用全波電能表計量，以避免少計諧波消耗的電量。

參考文獻

[1]GB/T 14549-1993電能質量 公用電網諧波.

[2]DL/T 448-2000 電能計量裝置技術管理規程.

[3]南方電網電能計量管理辦法.

[4]廣東電網公司電能計量裝置技術規范.

[5]廣州供電局電能計量管理辦法.

[6]供電監管辦法（電監會27號令）.

[7]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].中國電力出版社.

[8]Dr.He Xuenong.現代電能質量測量技術[M].美國福祿克公司，2009.

作者簡介：

張彤，廣州供電局有限公司計量中心高級工程師，主要從事電能計量技術管理工作。

鐘錦群，廣州供電局有限公司生產技術部高級工程師，主要從事電能質量管理工作。