關(guān)于非線性負載對電能計量的影響

/國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司 楊國強 陳偉鋒/

關(guān)于非線性負載對電能計量的影響

/國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司 楊國強 陳偉鋒/

在現(xiàn)代經(jīng)濟社會快速發(fā)展的背景之下，各個行業(yè)領(lǐng)域?qū)τ陔娔苌唐返男枨罅恳约靶枨笠?guī)模呈現(xiàn)出了相當(dāng)顯著的發(fā)展趨勢，電網(wǎng)事業(yè)也在這一背景下有了相當(dāng)明顯的變化。一方面，電能需求量的增加使得電力事業(yè)的發(fā)展備受關(guān)注，另一方面，電網(wǎng)運行中開始呈現(xiàn)出不同的問題。特別是從電網(wǎng)系統(tǒng)角度上來說，非線性負載的增加會產(chǎn)生大量的諧波，對電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓波形以及電流波形產(chǎn)生影響，最終干擾電能計量工作的開展。結(jié)合這一背景，文章重點分析非線性負載產(chǎn)生諧波的機理，然后探討非線性負載諧波影響下，電能計量中存在的問題，給出了消除負面影響的幾點意見與建議，希望能夠引起各方工作人員的高度關(guān)注。

非線性負載 電能計量 諧波 影響

0 引言

廊坊地區(qū)電網(wǎng)用電負荷工業(yè)負荷比重較大，以礦山、冶金、建材為主。其中，工業(yè)用電量占70%，居民用電量占14%，商業(yè)商業(yè)、農(nóng)業(yè)及其他領(lǐng)域的用電量占16%。在現(xiàn)代電力電子技術(shù)快速發(fā)展的背景之下，廊坊市電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中所投入的非線性設(shè)備規(guī)模以及數(shù)量均呈現(xiàn)出了相當(dāng)顯著的提升趨勢。這些非線性負載設(shè)備的全面投入使得電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中流入了大量的諧波電流。受到諧波電流的影響，知識電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波形、電流波形不同程度上的發(fā)生畸變問題。這一問題直接對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，累及電力系統(tǒng)中的相關(guān)電氣設(shè)備，導(dǎo)致其工作性能受損，無法正常開展作業(yè)。特別是從電能計量的角度上來說，非線性負載影響下所產(chǎn)生的諧波問題會對電能計量進度產(chǎn)生嚴重干擾。換言之，為了確保電能計量的精確性，就需要正確認識非線性負載對電能計量的影響，及時消除負面影響。

1 非線性負載產(chǎn)生諧波的機理分析

圖1為電力系統(tǒng)常規(guī)等值電路示意圖。結(jié)合圖1而言，空心箭頭表示n次諧波功率所對應(yīng)的潮流走向，實心箭頭表示基波功率所對應(yīng)的潮流走向。

結(jié)合圖1來看，假定在該系統(tǒng)的正常運行過程當(dāng)中存在諧波干擾，根據(jù)式（1）所示的基波功率守恒公式以及如下式（2）所示的諧波功率守恒公式，可知：

圖1 電力系統(tǒng)常規(guī)等值電路示意圖

根據(jù)以上關(guān)系式，可以轉(zhuǎn)化形成式（3）：

結(jié)合式（3）來看認為：在一個完整的電力運行系統(tǒng)當(dāng)中，非線性負載本質(zhì)上來說就是系統(tǒng)所發(fā)出的諧波功率。系統(tǒng)所發(fā)出的諧波功率會被來自于電源、線路、以及線性負載的電路所吸收。同時，由于非線性負載自身不會產(chǎn)生能量，故而諧波源的能量來源以吸收能量為主。從這一角度上來說，諧波功率是非線性負載從電力系統(tǒng)所吸收基波功率當(dāng)中轉(zhuǎn)化形成的。

2 非線性負載對電能計量的影響分析

2.1 從感應(yīng)式電能表的角度分析

在電能計量的工作領(lǐng)域當(dāng)中，感應(yīng)式電能表是一種在工頻狀態(tài)下，根據(jù)正弦波電流以及電壓波形特點所設(shè)計的電能計量儀器。從該電能表的應(yīng)用角度上來說，若額定頻率與實測信號頻率之間存在較大的誤差，則受到頻率變化的因素影響，將導(dǎo)致磁通量發(fā)生明顯的變化，最終表現(xiàn)為系統(tǒng)所對應(yīng)電流幅值、電壓幅值、以及電流、電壓幅值相位角的改變。在這一因素影響下，感應(yīng)式電能表的補償力矩作用力、驅(qū)動力矩作用力、抑制力矩作用力、以及鐵心損耗都有一定的變動，進而導(dǎo)致電能表所計量的電能使用情況與實際情況不符合。

更加關(guān)鍵的一點是：對于感應(yīng)式電能表而言，計量電能取值的計算標(biāo)準(zhǔn)為：基波電能取值 + 部分諧波電能取值。因此，在非線性負載設(shè)備接入電網(wǎng)系統(tǒng)的背景之下，其所產(chǎn)生諧波功率對應(yīng)的潮流方向表現(xiàn)也會影響電能計量。舉例來說，在用戶為諧波源用戶的情況下，除自身消耗部分諧波的電能是基波電能扣除部分諧波電能后的結(jié)果，進而導(dǎo)致電能表所計量電能值與基波電能之間產(chǎn)生較大差異，多為基波電能＞ 計量電能；而在用戶為非諧波源用戶的情況下，基波潮流主要是由系統(tǒng)注入用戶端，此狀態(tài)下的基波潮流方向與諧波潮流方向一致，電能表所顯示的電能計量值為基波電能與諧波電能的綜合，由此導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生較大差異，多為基波電能＞ 計量電能。

2.2 從電子式電能表的角度分析

此類型電能表在電能計量工作中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，屬于新型的電能測量儀表之一。電子式電能表建立在單片機基礎(chǔ)上，通過對脈沖數(shù)字技術(shù)以及模數(shù)轉(zhuǎn)化技術(shù)的靈活應(yīng)用，實現(xiàn)對電能用量的精確測量。相較于傳統(tǒng)意義上的感應(yīng)至電能表而言，電子式電能表的整體結(jié)構(gòu)更加的簡單，實際應(yīng)用中調(diào)整更加靈活與方便，具有較高的計量準(zhǔn)確度。但在諧波影響下，需要注意的是，電子式電能表的頻率響應(yīng)區(qū)間較寬，其對諧波功率的響應(yīng)水平與對諧波功率的響應(yīng)水平是基本一致的。因而，電子式電能表會同步完成對基波功率以及諧波功率的計量工作，這很有可能導(dǎo)致電能計量誤差的明顯增大。

2.3 從電子式電能表的負荷預(yù)測準(zhǔn)確率分析

負荷預(yù)測無標(biāo)準(zhǔn)化流程。負荷預(yù)測工作是一個涉及多個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)管理工作，無標(biāo)準(zhǔn)工作流程，導(dǎo)致負荷預(yù)測工作的銜接和信息的傳遞不通暢。調(diào)度員人員負荷預(yù)測水平有限，負荷預(yù)測工作由值白班的調(diào)度員在當(dāng)日16點之前將第二天預(yù)測負荷結(jié)果上報給省總調(diào)度。調(diào)度員對軟件的使用熟悉度不同，造成調(diào)度員在負荷預(yù)測工作中存在很大差異，盡管近幾年加強了負荷預(yù)測管理，但只有抽象的認識，沒有把負荷預(yù)測管理與自己的實際工作聯(lián)系起來。由于數(shù)據(jù)上報不及時。調(diào)度員在向省公司上報負荷預(yù)測數(shù)據(jù)過程中，可能會遇到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不通，預(yù)測時間過長或死機等異常現(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)上傳不成功。

3 非線性負載所產(chǎn)生的危害分析

在當(dāng)前電能計量工作開展過程當(dāng)中，所使用的電能表大多具有一個共同的特點，即能夠?qū)崿F(xiàn)對瘠基波功率以及諧波功率的同步反應(yīng)。對于存在諧波系統(tǒng)而言，常規(guī)電能表進行計量難免會存在一定的局限性與不合理性。對于諧波源用戶而言，除了會向電力系統(tǒng)內(nèi)注入大量諧波，對電力系統(tǒng)正常運行產(chǎn)生危害以外，同時還會導(dǎo)致這部分用戶少支付諧波功率下所對應(yīng)的電費。而對于非諧波源用戶而言，由于在常規(guī)電能表計量下的基波電能 ＜ 計量電能，則除了會受到諧波所帶來的危害以外，更需要多付出電費，造成一定的經(jīng)濟損失。非線性負載所產(chǎn)生諧波還會對整個電力系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生相當(dāng)不良的影響。

3.1 供電電壓波形畸變

受到非線性負載影響，供電電壓波形畸變，公共連接點所對應(yīng)的供電質(zhì)量受到不良影響。同時，在諧波電流進入電網(wǎng)以后，可能誘發(fā)諧振，并導(dǎo)致系統(tǒng)大范圍內(nèi)出現(xiàn)過電壓以及過電流方面的問題，造成電力系統(tǒng)的運行失穩(wěn)。

3.2 電力系統(tǒng)造成經(jīng)濟損失

諧波不僅對電力系統(tǒng)和線性負荷有害，而且還會使線性負荷用戶因吸收了諧波功率而需多交電費；而非線性負荷用戶作為諧波源，發(fā)出諧波功率，對電力系統(tǒng)造成危害的同時，卻少交了電費。因此，對于電力部門來講，受諧波的影響主要是既少收了非線性負荷用戶的電費，又增大了線路損耗，經(jīng)濟損失巨大。

總之，線性用戶不但由于吸收非線性用戶所產(chǎn)生對自身運行毫無用處甚至有危害的諧波，還得多支付一定的費用；相反，非線性用戶不但將吸收的一部分基波電能轉(zhuǎn)化為諧波電能污染了電網(wǎng)，而且還少支付這一部分的費用。

4 非線性負載所帶來問題的預(yù)防建議

根據(jù)以上對非線性負載的分析認為：在電能計量的過程當(dāng)中，最合理的計量方式應(yīng)當(dāng)為：分別對諧波功率以及基波功率進行計量，對功率所對應(yīng)的潮流方向進行合理的區(qū)分。為實現(xiàn)這一目標(biāo)可以額采取工頻基波電能表與寬頻帶功率電能表相互配合的計量方式。在這一計量方案下，除能夠評估系統(tǒng)所對應(yīng)的基波功率取值標(biāo)準(zhǔn)以外，還能夠測量系統(tǒng)內(nèi)諧波電流所對應(yīng)的潮流取值以及走向特點。在這一模式下，對于非線性負載用戶而言，能夠根據(jù)諧波功率的大小，給予相應(yīng)的經(jīng)濟性補償，補償線性用戶以及電力部門受諧波影響而產(chǎn)生的經(jīng)濟損失。所以必須使負載的電流波形與電壓波形同步且為線性關(guān)系，將發(fā)出的電能全部用來做有用功，電能才能被充分利用，才能不浪費一次能源，提高能源利用率，才是真正的節(jié)省了能源。由此可見，這種綜合性的電能計量方案更較傳統(tǒng)方案而言更加的合理，電能計量精確性得到了保障。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實踐測試，在電壓為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波作用下，同等功率的負載即測試的電流有效值相同的負載的情況下，阻性負載電度表計量的電能數(shù)值大于感性負載，大于非線性負載。在電網(wǎng)系統(tǒng)的運行過程當(dāng)中，隨著非線性負載投入量的持續(xù)增加，整個電力系統(tǒng)所面臨的諧波污染問題進一步加劇。為了讓供電方以優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)贏得市場的承認，同時用電方成為市場經(jīng)營的平等參與者，就需要積極研究更為科學(xué)的、合理的電能計量方式，通過對電能計量工作的合理改進與完善，才能做到電能計量的公平、公正。文章在分析非線性負載增加所產(chǎn)生諧波的主要機理基礎(chǔ)之上，從感應(yīng)式電能表以及電子式電能表兩個方面入手，分析非線性負載對電能計量的影響情況，探討其所產(chǎn)生的危害以及預(yù)防方法，希望能夠引起重視。

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