最大限度減小諧波源用戶造成計量電能的損失

覃偉光　覃文博

摘 要：諧波源用戶產生的諧波分量會造成計量電能表少計用電量，根據一些科研單位和電能表廠家聯合所做諧波電能表掛網試驗的結果表明，在煉鋼行業的損失率達到0.73%左右，致使供電企業和國家的利益嚴重受損。所以，供電和電網企業應積極尋求得到技術上和法律上的支持以減小損失。

關鍵詞：諧波源用戶；電能表；損失

1 前言

近年來，微電子以及電力電子技術快速發展，大量非線性負荷如可控硅整流設備、電力電子調頻以及電弧煉鋼爐、電鐵牽引等加入電網。這些負荷對電網造成很大的干擾，使電網的波形發生了畸變，不再是單一的50Hz正弦波形。還包括一系列頻率為基波整數倍的正弦波分量，這些分量稱為諧波。電網中諧波成分超過一定程度將會引起嚴重危害。電網以三相正序正弦波形向用戶供電，實際運行中由于諧波源用戶會產生寄生在電能正弦基波上的高次諧波，這些高次諧波將會對電能計量的準確性造成嚴重影響。文章將從基本概念和諧波影響機理出發，尋求最大限度減小諧波源用戶造成對計量電能的損失的有效方法。

2 諧波功率、電能的計量原理和方法

2.1 諧波功率P的計量原理：

其中：

Pi為各次諧波的功率，在實際測量系統中可以通過DFT（離散傅立葉變換）求得電壓、電流信號的各次諧波幅值Un、In以及同次諧波電壓、電流之間的相角，從而通過上式求得各次諧波功率。

2.2 諧波電能Eh的計量方法

諧波電能Eh的計量方法可以按照以下兩種方式計算：

方法一：Et為總電能，可按乘法器原理或者用FFT（快速傅立葉變換）結果計算總功率對時間的積分；E1為基波電能，是基波功率對時間的積分。那么，Et與E1的差值即為諧波電能Eh：

Eh=Et-E1

方法二：根據傅立葉變換的結果，計算各次諧波功率的矢量和對時間的積分，即為諧波電能：

采用方法一通過FFT分析計算的基波計量精度可以達到0.5S級甚至更高，因而諧波電能的計量精度較高。

采用方法二需要對每次諧波的功率進行校正，才能達到較高的精度。

3 諧波源用戶對電能計量的影響機理分析

電網電壓電流是以120°相位差的正弦波組成，電能參數包括基波電壓、基波電流、負序電壓、負序電流、諧波電壓、諧波電流、功率因素、基波功率、諧波功率組成，當電網的非線性負荷和沖擊性負荷增加時，在電網電壓電流正弦波上疊加有非線性和非對稱性的高次脈沖，使電壓、電流波形畸變為包含高次諧波的正弦載波，電網的高次諧波對電能計量的準確性是有影響的，當諧波含量滿足國標規定時，誤差影響微小；當諧波含量超過國標規定時，無論是電磁感應式電能表還是全電子式電能表，誤差影響均較大，即諧波含量愈高影響量越大，電能計量誤差也越大。

為了合理計量用戶消耗的有功電能，在選用貿易結算電能表時，針對含高次諧波的用戶，不僅要求用戶按國標的要求進行諧波治理，還應選用具有計量諧波電能的諧波電能表來彌補計量上的損失。

4 諧波電能表的構成與計量方法實現

4.1 諧波電能表的構成

三相多功能諧波表可采用16位A/D轉換器和DSP高速數據處理器對各相電流、電壓進行采樣，完成電量的測量、電能的累計、諧波分析、諧波電能及諧波電量的計算等工作。儀器采用ADC+DSP+MCU結構形式，其中，ADC選用ADI公司16位高速、低功耗、6通道同步采樣芯片AD73360L，各通道可提供76dB信噪比到直流4 Hz信號帶寬，具有較強的抗干擾能力；DSP選用ADI公司具有豐富通信接口、高運算速度數字信號處理芯片ADSP-BF533；管理MCU選用RENESAS公司的低功耗、高性能、多資源單片機M30624FGPFP。

圖1 諧波電能計量系統結構框圖

4.2 諧波電能計量方法實現

如圖1所示，電網電壓、電流分別經過電阻分壓網絡、電流互感器（TA）與電阻取樣網絡進行信號調理，再經6通道同步ADC轉換器AD73360L完成三相電壓、電流信號實時同步采樣。采樣數據通過SPORT接口送至ADSP-BF533數據處理單元，通過基于Hanning窗（余弦窗）+雙峰插值FFT算法對電流、電壓波形數據進行頻譜分析，分離出基波分量及2～21次諧波分量，憑借其高速處理能力完成電參量測量、諧波分析、諧波電能計量等任務。處理結果通過異步串口發送至MCU管理單元，由M30624FGPFP配合各外圍模塊實現顯示、數據統計、存儲、通信以及功能選擇等工作。

5 最大限度減小諧波源用戶造成對計量電能的損失

目前，從國內外的表計廠家來看，大部分廠家（如蘭吉兒、華隆、華立、等）的諧波表大都只對電網中的諧波進行了幅值和相位的分析，而未對諧波電能或功率進行計算，按上述設計而生產出來規格為電壓3X220V/380V、電流1.5（6）A的三相多功能諧波電能表，經省級計量鑒定機構（湖南省電力公司計量中心）檢定，測量該表的準確度達到：基波有功測量誤差≤0.2%，基波無功測量誤差≤1%，2～21次諧波電壓測量誤差≤2%，諧波電流測量誤差≤5%，諧波相位測量誤差≤5°，滿足GB/T 14549-93的A類諧波測量儀器要求。這樣，就能很好地解決諧波源用戶造成計量電能損失的問題。

作為供電和電網企業應要引起足夠的重視，積極想方設法解決這個問題，切實挽回損失。就目前的狀況來看，技術上已經能夠滿足要求，因為很多廠家都能夠生產諧波電能表，但很難獲得生產許可證，涉及諧波電能計量方面的法律法規已經不相適應和滯后，這是關鍵問題。所以，供電和電網企業若能發揮自身資源上的優勢，努力尋求得到法律上的最大支持，那么，這個老大難問題就會迎刃而解了。

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