電能計量中諧波對計量結果的影響及防范

摘要：電能計量是電力系統收費的依據，而電網中諧波的存在，使電能計量結果的合理性與準確性受到較大的影響，進而直接影響發、供、用電三方的經濟利益及交易的公平性。針對這一實際問題，采用理論分析和仿真實驗相結合的方法，探究諧波對電能計量結果的影響，并在此基礎上提出具體的防范措施，以期能更好地促進當前電力系統的安全、合理、有效運行。

關鍵詞：電能計量；諧波；電能表

隨著電力系統非線性用電負荷的日益增多，電力系統中的諧波不斷增加。電力系統諧波不僅對供電系統造成污染，對電力設備構成危害，而且對電能計量結果產生較大的影響。電能表作為電能計量的重要基本量具，電能計量結果的精度在很大程度上是由電能表的計量準確度所決定的。由于諧波的存在使電能表產生誤差，造成電能表讀數與實際所用負荷數不符，影響電能的正確計量。其中，感應式電能表由于其計量原理的限制，對于諧波條件下的電能計量有較大的計量誤差，而電子式電能表在諧波情況下也產生一定的計量誤差。[1]而且在諧波下，兩種電能表都存在計量準確性和合理性相互矛盾的問題。為此有必要系統深入地研究在諧波影響下的電能計量方式和原理，對目前電能計量中存在的問題提出合理的改進措施，以確保電能計量準確，保障電力系統用戶的利益和營運企業的經營效益。

一、諧波對電能計量影響的研究概述

1.諧波對電能計量影響的國內外研究概況

目前，國內外學者關于諧波對電能計量的影響進行了研究，也取得一些成果，但缺乏系統和深入的理論研究和試驗研究。由于感應式電能表較電子式電能表出現得早，基于感應式電能表相關的諧波對電能計量影響的研究成果相對較多，對電子式電能表受諧波影響的研究尚不夠深入也不夠系統。[2]即便有了針對感應式電能表的一些相關研究成果，但這些研究多是探討諧波對感應式電能表影響的研究，而且這些研究所基于的實驗還不夠精確，不少研究成果從理論上推導出的感應式電能表的頻率響應模型也不夠精確。在基于電子式電能表的相關研究基礎上，由于不同的電子式電能表計量方式也不同，即使在相同條件下，所獲得的結論也不盡相同，究竟哪種電能計量方法正確，尚有待進一步進行研究。此外，諧波潮流在電網中流動而引起的諧波網損特性問題，還需要進一步研究。只有搞清諧波網損的特性，才能為諧波網損的準確計量奠定科學的理論基礎。

2.本文的研究方法

本文從理論上研究電力系統非線性負荷的基本特性和數學模型，掌握各種非線性負荷產生的諧波特性；根據感應式電能表和電子式電能表的基本結構和基本工作原理，研究系統供電電源波形無畸變和畸變條件下，非線性負荷產生諧波或吸收諧波的分布和諧波潮流；結合實際電力系統模型（線性負荷與非線性負荷混合系統），計算諧波潮流的分布，并利用MATLAB進行仿真實驗；選擇諧波污染較為嚴重的有代表意義的觀測點，利用自行研制的配電網綜合測量箱進行諧波測試和電能計量，獲取實際測試數據；在實時數字仿真系統（RTDS）上建立實際電力系統模型，模型輸出可控諧波電壓和電流，經放大器輸出接入感應式電能表和電子式電能表，對不同諧波條件下的電能進行計量，獲取計量誤差，與理論結果進行比較；根據理論研究、仿真實驗以及實時數字仿真系統（RTDS）模擬試驗的結果，提出結論性意見或改進方案。

二、諧波對電能計量結果的影響分析

筆者通過對包括大型鋼鐵廠、軋鋼廠及電力機車牽引變電站等在內的各種諧波污染較為嚴重的用戶進行實地調研和收集資料。根據現場調研的資料，建立非線性負荷的數學模型，并根據現場測試數據和觀測點的實際情況，在實時數字仿真系統（RTDS）上進行現場模擬實驗，模擬觀測點的實際諧波情況，經放大器將實際使用的感應式電能表和電子式電能表接入模擬系統進行電能計量，分析計量誤差，驗證相關的理論分析結果。在完成上述研究和試驗后，根據理論分析、仿真實驗和RTDS模擬實驗的結果，得出如下結論：

第一，研究諧波對電能表計量影響的重要依據是電能表的頻率特性，因此，電能表的頻率特性曲線的穩定與否，在很大程度上決定它在諧波功率下對電能計量誤差影響的大小。[3]研究感應式電能表在諧波下的運行情況時發現感應式電能表接入電路后，電能表的頻率一旦發生變化，電能計量結果就會出現誤差。在相關實驗分析的基礎上，發現以上問題主要是由如下幾方面的原因所造成的：一是電能表的頻率發生改變時，非純電阻的轉盤就會產生感抗分量，這樣就會引起轉盤的阻抗角和等效阻抗的改變，從而最終致使電能表的轉速發生改變，以至于電能計量結果產生誤差；二是電能表頻率的改變會引發電流線圈磁通量的改變，而電流線圈磁通量的變化會導致電流線圈驅動力矩的變化，從而也最終導致電能表轉速的改變，進而產生電能計量誤差；三是隨著頻率的改變，電壓線圈磁通量也會發生相應的變化，從而使驅動力矩發生改變，電能表誤差也就會產生。

第二，研究感應式電能表在諧波下的運行情況時發現當檢測信號的電流產生畸變時，隨檢測信號電流畸變程度的不同，電子式電能表在電能計量中會產生不同程度的測量誤差，但這些誤差相對較小，一般可以忽略不計；[4]當電流和電壓兩個信號的波形都偏離正弦波形而出現畸變時，對具有計量諧波功率功能的基于數字乘法器和時分割乘法器所構成的電子式電能表的測量結果而言，其測量誤差在其允許的精度范圍內。

第三、兩種電能表誤差頻率特性的比較。實驗結果表明：隨著高次諧波的改變，感應式電能表誤差頻率特性曲線會發生明顯的變化，而且二者呈正相關的變化關系。而電子式電能表的誤差頻率曲線則隨著高次諧波的變化所發生的改變不明顯，即電子式電能表在電能計量中對諧波的影響具有較寬的頻率響應，而感應式電能表則達不到。

三、防范措施

從實驗的分析結果來看，采用計量基波的計量方式下電子式電能表的計量誤差和感應式電能表的計量誤差都比較大，[5]綜合各種因素，在計量基波的計量方式的基礎上提出了一種帶加權系數的、對基波電能及諧波電能分別計量的改進的電能計量方式，該計量方式能有效防范諧波對電能計量結果的影響。具體的計量公式如下：

公式中，CFin為負載（線性或非線性兩種）吸收的諧波電能，CFout為負載產生的諧波電能，C1為基波電能。WFin、WFout、W1則分別為以上三個參數相應的加權系數。為了能有效防范諧波對電能計量結果的影響，以上三個參數相應的加權系數的設計應滿足以下條件：設W1為1；當01時，是對發出諧波電能的非線性負載用戶所進行的懲罰，有效保證電能計量結果的合理性。基于上述計量公式，可以在電能計量結果的計算上有效避免線性負載因計量諧波電能造成的額外損失，而對于非線性負載，也不會因為計量負諧波而產生較大的電能計量誤差，而且基于該計量公式可以有效地通過經濟手段采取相應的補償和懲罰，從而迫使用戶采取措施減小注入電網的諧波量，從根源上避免諧波對電能計量結果的影響。

從對上述計量公式的分析來看，有效防范諧波對電能計量結果影響的改進辦法就是對基波能量和諧波能量分別進行計量。然而，在實際的操作中，由于對諧波能量和基波能量分別計量的成本較高，因此，本文所提出的這種新的電能計量方式不適用于一般用戶，比較適合于諧波污染較嚴重的供電系統，如大中型電力用戶等。雖然這種新的電能計量方式的原理相對復雜，而且實際操作所花費的成本較高，但從理論上看，設計具體的計量方法時要突破所設計的方法是否可能測量或便于測量的束縛，首先要考慮它是否具有科學的根據，要力求使計量方法準確合理。相信隨著電子技術的不斷發展，本文提出的這種新的計量方式會越來越得到廣泛的應用。

四、結論

本文研究諧波對電能計量的影響，得出在諧波情況下現有電能計量是否準確、合理的結論后，對目前電能計量中存在的問題提出合理的改進措施，將解決諧波對電能計量的影響，使電能計量的準確性問題，為發、供、用電三方的經濟利益及交易的公平性提供技術依據，有利于電力市場化。同時文中所提出的有效防范諧波對電能計量結果影響的改進的電能計量方式將為諧波條件下電能計量的合理性提供技術依據，實現對產生諧波的用戶進行懲罰，有利于改善電網的環境污染，具有很好的市場應用前景。

參考文獻：

[1]趙偉，呂鴻莉.電子式電能表及其在現代用電管理中的應用[M].北京：中國電力出版社，1999.

[2]郭漢橋.電力系統中諧波的預防[J].天津電力技術，2009，（12）.

[3]王兆安，劉進軍.對諧波影響下的電能計量方式的探討[J].黑龍江電力，2010，（12）.

[4]唐福順.基于電力諧波的電能計量分析[J].民營科技，2012，（13）.

[5]禹仲明.諧波抑制和無功功率補償分析[J].自動化與儀表，

2012，（13）.

（責任編輯：劉輝）