關于諧波對電子式電能表計量的影響分析

王 丹

（國網冀北電力有限公司唐山供電公司，河北 唐山063000）

1 電力系統的諧波問題

1.1 諧波的定義

由于交流電網有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。由于正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發生畸變產生諧波。主要非線性負載有UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器等。

1.2 諧波的產生和主要諧波源

1.2.1 發電源質量不高產生諧波發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因。

1.2.2 輸配電系統產生諧波

輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大。

1.2.3 用電設備產生的諧波

晶閘管整流設備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置等許多方面得到了廣泛的應用，給電網造成大量諧波。晶閘管整流裝置從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。

1.3 諧波的危害

諧波對電力系統是有害的，其主要危害包括：（1）增加輸、供和用電設備的額外附加損耗。（2）影響繼電保護和自動裝置的動作和可靠性。（3）干擾通信系統工作。（4）影響測量表計的準確計量，其實諧波的危害不僅表現在工程上，而且表現在經濟上，比如增加電力固定成本；諧波會造成電能計量裝置的誤差，影響電力公司收入與其他公司的成本。

2 電子式電能表的工作原理

2.1 基本原理

電子式電能表采用乘法器實現對電功率的測量，乘法器是用來完成兩個電量電壓、電流相乘運算的器件，它的準確度將直接影響著電能表的精度。

2.2 功能組成

基于模擬乘法器的電子式電能表的功能組成包括以下幾個方面：（1）輸入級：電壓信號輸入經過精密電阻分壓或通過電壓互感器變換為與被測電壓成正比的低電壓，輸出至乘法器；電流信號常直接通過分流電阻變換為電壓或采用表內互感器將大電流變換為乘法器適用的小電流或再將其變換為電壓；為提高表計抗干擾性能從而增加穩定性，各信號輸入回路基本上均采用具有較高準確度的電壓、電流互感器，使外電路與測量系統在電氣上完全隔離。（2）乘法器：乘法器是實現將被測電壓、電流相乘，從而轉換為功率的器件。時分割模擬乘法器的制造技術比較成熟且工藝性好，具有更好的線性度，其最突出的優點是具有較高的準確度級別，可以達0.01級。（3）U/f轉換器：不同的乘法器后面應跟不同的U/f轉換器，模擬乘法器輸出的有功功率送給電壓頻率U/f變換（或電流頻率I/f變換）電路，從而產生頻率正比于有功功率的電能脈沖，U/f（或I/f）轉換器在極低頻時誤差較大，為了獲得線性好而且穩定的頻率信號，通常是把電壓變換為較高的頻率信號，然后分頻為低頻信號。（4）輸出部分：輸出部分即顯示部分。顯示器顯示電能表所測量的電能，顯示器有字輪計度器、液晶顯示器（LCD）和發光二極管顯示器（LED）幾種類型。（5）工作電源：除上述幾部分外，電子式電能表中還包括直流穩壓電源，為各部分電子電路的工作提供合適的直流電壓，直流穩壓電源由降壓變壓器、整流電路、濾波電路穩壓電路等幾部分組成。

3 諧波對電子式電能表計量的影響分析

3.1 電子式電能表的有功計量方法

電子式電能表計量有功就是用A/D采樣數值計算的方法，實際上用戶負荷是不斷變化的，無法快速而精確的測得每個周期的電壓有效值、電流有效值，以及電壓、電流向量之間的相位差。所以無法直接計算功率，但功率可由電壓、電流的瞬時值計算而得，所以可以通過對電壓、電流瞬時值采樣的辦法計算功率，將采樣點電流、電壓相乘相加再乘以采樣周期就是平均電能。實踐表明引起這種電子式電能表計量誤差的原因不僅是采樣次數和A/D轉換精度，主要是由電壓、電流互感器及其后的放大線路元器件分散性造成的幅值誤差和相位誤差。在測量電能量時，電網電壓、電流要經測量用互感器轉換成弱電信號后才送入電能表，因此測量用互感器的準確度直接影響著測量結果的準確程度，如果測量用互感器存在非線性，當畸變信號經過互感器時，互感器對各次諧波成分的轉換比例就不一致，從而使被測信號發生變形。在這種情況下，測量誤差會很大，在波形畸變情況下，互感器的波形變換誤差隨i波次數的增加而非線性的增大，偶次諧波的波形變換誤差比奇次諧波更大。

3.2 電子式電能表的頻率特性

電子式電能表的頻率特性曲線相對平坦，可近似認為沒有衰減，這表明電子式電能表具有較寬的頻率效應。當電網中的電壓和電流信號只有一個信號發生畸變，而另一個信號仍為正弦波時，根據正弦函數正交性可得，電子式電能表在這種情況下，其誤差變化很小。當電網電壓和電流都發生畸變時，由于電子式電能表頻帶較寬，仍可以準確的計量諧波功率，電子式電能表把基波功率和所有諧波功率一同計量。

3.3 諧波情況下對電子式電能表的影響

電子式電能表是以總的畸變波形作為基礎來計算電能，沒有將基波和諧波加以區分，對線性用戶來說，它計量的電能為基波電能與諧波電能之和，諧波對線性用戶有害，但其電能也被計入，多計量了電能。而對非線性用戶來說，他們產生諧波并將一部分倒流入電網，此時電能表計量的是基波電能減去倒流入電網的諧波電能。雖然非線性用戶發出的諧波污染了電網，卻少計了電能，起到了鼓勵用戶向電網注入諧波的作用。顯然，這種計量方式是不合理的，現有改進措施如加前置低通濾波器，濾去除基波外的諧波，只計量基波電能，對線性用戶來說，無用的諧波電能沒有計入；對非線性用戶來說，計量了基波電能，而沒有計量由基波電能轉化來的諧波電能，所以說這種措施也不是很理想。

針對上述情況我們提出了一種改進措施，具體措施如下：電流電壓信號經過A/D轉換后形成采樣數字信號U（n）和I（n），經過相位校正，利用數字乘法器得到總有功功率；數字化的U（n）和I（n）通過一個基波抑制濾波器得到不包含基波成分的電流、電壓信號Uh（n）和Ih（n），利用數字乘法器計算出總諧波有功功率Ph，總有功功率和總諧波功率對時間的積分，得到總電能ES和諧波電能EH。（1）當基波功率和諧波功率方向相同時，也就是當負荷為線性負荷時，只有基波電能對它是有用的，我們只計量基波電能；（2）當基波功率和諧波功率方向相反時，也就是當負荷為非線性負荷時我們應該計量基波和諧波絕對值的和。采用上述我們提出的計量方式，避免了線性用戶因被多計諧波電能而遭受經濟損失；對非線性用戶，也不會因為計量了負的諧波電能使用戶少交電費，而使電力企業蒙受損失，該計量方式有助于鼓勵非線性用戶采用諧波處理裝置，減少諧波的產生，有助于建設“綠色電網”。