諧波對電能計量準確性影響的分析

周得紅/國網青海省電力公司海東供電公司

諧波對電能計量準確性影響的分析

周得紅/國網青海省電力公司海東供電公司

電能計量裝置作為電力系統的重要組成部分，其計量的準確性直接關系到供、用電雙方的合法權益，而且電能計量還是電力企業進行收費的重要依據，所以電能計量裝置精準對電能進行計量具有非常重要的意義。目前電力系統中非線性設備使用的頻率較高，這就避免不了會有大量的諧波產生，從而對電能計量產生影響。文中從諧波產生的原因入手，對諧波對電能計量產生的誤差進行了分析，并進一步對提高計量準確性和合理性的對策進行了具體的闡述。

電力系統；諧波；電能計量

前言：諧波相對于基波來講，其幅值較小，但其頻率卻是基波的整數倍，所以對于按照正弦波為工頻進行設計電能計量儀表來講，其會在諧波的影響下導致電能計量誤差的產生，從而對供、用電雙方的合法權益帶來損害。所以需要對諧波進行深入的分析，從而減少其對電能計量裝置所帶來的影響，確保電能計量的精度。

一、諧波產生原因分析

目前電力系統中的變流設備和非線性負荷在使用過程中都會有諧波產生，而且諧波源通常都會發出幾種特定頻率的諧波，而且諧波功率凈值為正值，最主要的諧波源為諧波電流源，導致諧波產生的主要原因可以歸納為以下幾點：

（一）發電原因

發動機在運行過程中，不僅其三相繞組在制作上不能做到完全對稱，而其鐵心質地也會存在不均勻的情況，所以在具體工作中會有諧波產生。

（二）輸配電系統原因

變壓器磁化曲線呈非線性，當變壓器運行過程中，其鐵心處于飽和狀態下時，這時磁化曲線在工作時也接近于飽和狀態，從而導致磁化電流出現尖項波形，并有奇次諧波產生，通常情況下，鐵心飽和度越高，其諧波電流則會越大，可以說在輸配電系統中，變壓器是最主要的諧波源。

（三）用電原因

很多電氣設備中都有晶閘管整流元件，這個元件在電氣設備運行時極易導致諧波產生。同時在單相整流電路裝置與感性負載進行連接時，也會導致奇次諧波電流產生，而且諧波含量也會隨著電容值的增加而增加。

二、諧波對電能計量產生的誤差分析

（一）諧波對電能計量準確性的影響

1.電磁感應式電能表。在工頻變化較窄的情況下，一般采用感應式電能表，當電壓和電流為正弦波時期計量最為準確。電磁感應式電流表根據基波原理進行設計，當有高次諧波分量的電壓和電流通過時，其旋轉圓盤的阻抗會發生變化，同時電壓線圈的阻抗亦發生變化，導致電能計量器內部的電流磁通和電壓磁通發了變化，使得電磁轉盤的在磁通的作用發生變化，產生了電能計量誤差。由于基波和諧波在疊加時會產生波形畸變，磁通通過非線性的鐵心時，隨著波形的變化而產生非線性變化。在電能計量表中產生的畸變電流和電壓通過電磁元件后，磁通的波形不會產生對應的變化，電能計量表在計算功率時，其電磁轉矩與實際計量所得的功率不相符。

2..全電子式電能表。全電子式電能計量器主要依靠其內部的CPU來進行計量，CPU對不同頻率的正弦電壓和電流進行采樣和計算，并通過內部設置的程序計算所消耗的電能值。電子式計量表對負載基波和諧波產生的功耗和電量進行了計算，理論上排除了基波和諧波產生的誤差。但由于諧波電流的方向會發生變化，并且計量表將基波產生的電能和諧波產生的電能相加，導致諧波流向負載時，計量表記錄下的電能比實際基波消化的偏小，從而出現了計量誤差。另外，全電子式計量表會收到外界的溫度、電壓和頻率等的影響下也會產生誤差。

（二）電能計量方式分析

在諧波作用下，電能計量主要有以下三種方式：一是電能計量表應準確地反應基波和諧波的綜合功率，這種同時計算基波和諧波功率的方式被稱為電能全計量方式，也是當前普遍使用的計量方式；二是電能計量表值計算基波功率，不計算諧波功率，稱為基波電能方式；三是電能計量表分別計算諧波功率和基波功率，稱為諧波電能方式。

在諧波作用下，采用電能全計量方式會使得電能計量的準確性和合理性產生矛盾。為了解決上述問題，首先必須通過實驗的方法，在諧波環境下對電能的計量進行定性分析，并得出其規律。主要采用的方法有：一是諧波測試方法。其原理較為簡單，通過諧波檢測儀直接檢測諧波對電能計量產生的誤差，并進行定量和定性的分析；二是仿真實驗方法。通過利用波形發生器，記錄產生的波形信號，在輸入到實驗用電能表進行分析，從而得到電能表誤差的原因。

三、提高計量準確性和合理性的對策

（一）提高計量準確性的對策

電能表在計量過程中只對基波功率進行計量，所以需要將諧波濾除掉。在進行諧波濾除時往往可以采用兩種方式進行，即硬件和軟件實現方式。但在實際應用中，通常會采用硬件實現方式，通過對合適的頻率進行截止，然后再高階低通濾波器作用下，將要進入到電能表中的高次諧波進行阻止，這樣就可以有效的將諧波消除掉，而對基波進行保留。而在軟件方式中消除諧波是通過傅里葉算法來進行的。通過過濾諧波方式，使在諧波影響下的電力部門及線性用戶有效的避免了由于諧波產生的額外功率，但對于非線性用戶來講，在存在諧波的情況下，會導致在諧波作用下產生電能費用，從而導致用戶受到損失。

下面討論分別計量諧波和基波功率的方式，并區分正負功率。該方式采用的智能電表具有一個單片機核心處理單元，利用快速傅里葉算法進行頻譜分析，準確的計量基波和諧波功率。其計量是否合理，區分了基波功率和諧波功率，對非線性用戶產生的諧波功率有一定的懲罰作用，來彌補電力部門的損失。但其使用較為困難，且成本高昂。

（二）提供計費合理的對策

為了做到電能收費的合理性，在對用戶征收基波電能電費時，可以征收附加電費。尤其對于非線性用戶，在電網中注入的諧波電能往往不盡相同，必須采取適當的機制，收取一定的懲罰性電費，設用戶消耗的總電能為E，負載消耗的電能為E1，則電網中諧波電能損耗為Ek=E-E1，其中Ek>0表示為非線性負載，Ek<0為線性負載。則向用戶征收的電費為FH=D1×E1+DH×Ek。其中D1是基波電能電價，DH為非線性用戶的懲罰性電價，線性用戶DH=0。通過上述計量方式，可以定量和合理地計量非線性和線性用戶的電能消耗，解決了諧波對電能計量產生的不合理性。

四、結束語

在電力系統運行過程中，無論是輸配電還是用戶用電過程中都會有諧波功率的產生，從而對電能計量帶來較大的影響。所以為了能夠電能計量的準確性和合理性，則需要將基波功率和諧波功率分開，然后利用分頻技術分別對基波電能和諧波電能進行計量。同時在實際生產過程中，還需要加強對非線性負荷的管理，這樣可以有效的對諧波導致電能計量的誤差進行有效的控制，從而更好的維護用戶和電力企業的合法權益。

[1]蔡夏，邢駿.電力系統負荷預測方法綜述[J].信息化研究，2010，（6）.

[2]康重慶，夏清，張伯明.電力系統負荷預測研究綜述與發展方向的探討 [J].電力系統自動化，2004，（28）.

[3]宋恩金.諧波對電能計量的影響分析[J].城市建設理論研究（電子版），2011，（27）.