電力系統諧波對電能計量裝置的影響分析

李 璨

（國網山東省電力公司檢修公司，濟南 250000）

電能是經濟社會的一種特殊商品，電能質量的好壞直接影響到電力系統的各個環節，正在受到越來越多的部門的重視[1-3]。

隨著電力電子技術的迅速發展，電力電子裝置廣泛的應用于電力系統的各個領域，整流、逆變、變頻等設備實現了變革，拓寬了電能的應用，但是在提高用電效率的同時也造成了電力系統的諧波污染日益嚴重，直接影響到了電力系統的安全穩定運行[4-7]。隨著社會發展以及科技不斷進步，電力用戶對供電質量及其可靠性的要求會日益提高，電能質量問題將更為突出。

電能與其他商品一樣也具備生產、銷售、使用等各個環節，這就說明了在發電、供電、用電三方之間存在著貿易結算的問題，而電能計量裝置就是貿易結算的基礎與依據，電能計量數據的精確也直接影響到發、供、用三方的經濟利益及交易的公平性[8-11]。因此，研究諧波對電能計量裝置的影響具有重要現實意義。

1 電網諧波測試

電能是一種具有廣泛適用性的終端能源，可直接轉換成其他能源形式消耗，也可轉換成多種形態的電能后再消耗（或再利用），電能形態的轉換必然伴隨著諧波的產生。表1至表4是某電網220kV、110kV、35kV、10kV母線的諧波畸變率測試結果。

表1 220kV母線諧波電壓、電流畸變率/%

表2 110kV母線諧波電壓、電流畸變率/%

表3 35kV母線諧波電壓、電流畸變率/%

表4 10kV母線諧波電壓、電流畸變率/%

諧波是人類用電方式發展的直接體現，也是衡量電能質量的一個重要指標，隨著我國綜合國力的不斷增強，諧波問題會越來越突出。

2 諧波影響下有功功率的計算

在諧波影響下的電壓、電流的表達式為

式中，h為諧波次數；N為最高諧波次數；ω1為基波角頻率；Uh、Ih為諧波電壓、電流有效值；αh、βh為諧波電壓、電流初相角。

諧波功率也可分為有功功率與無功功率，諧波影響下的無功功率的定義目前還沒有統一的方法，有功功率為

由于：

對于所有m、h，有：

則式（2）可變換為

由式（3）可知：只有同頻率的電壓和電流才構成有功功率，而不同頻率的電壓電流之間只能構成瞬時功率。

3 諧波對電能計量的影響

電力系統諧波對電能計量裝置的影響主要表現對電能表計的影響，諧波影響下的基波電能與諧波電能的大小將影響到電能表的準確性，本小節主要分析電力系統諧波對感應式電能表與電子式電能表的影響。

3.1 諧波對感應式電能表的影響

諧波會使電網的電壓、電流產生波形畸變，而且會出現高頻分量，波形畸變與頻率變化會對感應式電能表產生影響。

1）感應式電能表的最佳工作頻率為電網額定頻率，即工頻50Hz，而且電壓、電流的波形必須為正弦波形，如果電壓、電流出現波形畸變，就會影響電能表的準確度。

在基波電流與基波電壓保持不變的情況下，電壓與電流中含有諧波分量，會使電能表的電壓線圈的阻抗以及轉盤阻抗發生變化，影響電壓、電流的工作磁通，進而影響到電能表的測量精度。

在感應式電能表中含有鐵心，具有非線性的特性，電壓、電流波形的畸變會使鐵心出現飽和，磁通不能呈現線性變化。由于同頻率的電壓、電流才能產生有效的功率，而且同頻率的電壓、電流的磁通才能產生有效轉矩，在波形畸變的影響下，功率與轉矩不成比例產生誤差。

2）感應式電能表頻率響應曲線如圖1所示，諧波的產生會影響到電能計量的準確性，電能表的頻率特性曲線是分析諧波危害的重要依據。

圖1 電磁式電能表頻率響應特性曲線

由圖1可知，隨著頻率的變化，電磁式電能表的誤差也在變化，頻率變化越大，誤差也越大。電磁式電能表的電流線圈磁通量與頻率變化成反比，磁通越小，驅動力矩就會越小，直接導致電能表的轉速減慢，產生負誤差；磁通越大，驅動力矩就會越大，直接導致電能表的轉速加快，產生正誤差。

3.2 諧波對電子式電能表的影響

1）電子式電能表在測量不同的信號時有不同的響應，測量的誤差也不同。相關研究數據表明：當測量信號的電壓、電流分量中，其中一個信號含有諧波出現畸變時，電子式電能表會出現測量誤差，而且誤差的大小與畸變程度呈正比。當測量信號中，電壓電流均出現波形畸變時，這時會產生諧波功率，對電子式電能表測量的電能值影響不大，誤差較小，可以忽略。

2）電子式電能表頻率響應曲線如圖2所示，由圖可知，電子式電能表的頻率響應特性曲線比較平坦，頻率變化對其計量誤差影響不大。

圖2 電子式電能表頻率響應特性曲線

時間T內，諧波影響下，電子式電能表的電能值為

式中，n=2,3??????；λn為電能表的諧波功角偏移。

4 結論

電能計量數據的精確也直接影響到發、供、用三方的經濟利益及交易的公平性隨著電力電子裝置的不斷推廣應用，電力系統中的諧波污染問題將會越來越嚴重，如何有效進行諧波治理，提高電能計量裝置數據的準確性具有重大意義。

[1]林海雪.現代電能質量的基本問題[J].電網技術,2001,25(10):5-12.

[2]周剛,王斌.電能質量相關問題的分析與總結[J].電網技術,2007,31(增刊1):20-24.

[3]陳志業,尹華麗,李鵬.電能質量及其治理新技術[J].電網技術,2002,26(7):67-70.

[4]文俊,涂大石.對負載與諧波及電能計量問題的分析[J].電測與儀表,2000,37(12):12-14.

[5]胡之榮.諧波對電能計量的影響及對策討論[J].云南電力技術.2001,29(3):68-70.

[6]唐福順,禹仲明.基于電力諧波的電能計量分析[J].湖南電力，2002, 22(5):13-15.

[7]王勇軍,岳超源.諧波對電力成本的影響及諧波電價研究[J].2001,18(8):1-6.

[8]肖宇.諧波對電能計量的影響[J].湖南電力,2000,20(6):41-43.

[9]徐柏榆,鄧志.諧波電流對感應式有功電度表計量的影響[J].電網技術,2002,26(9):37-42.

[10]丁藝,趙偉,侯國屏.諧波條件下感應系電能表計量誤差分析[J].電測與儀表,2002,39(10):42-47.

[11]趙文明,袁茂奎.諧波對感應式有功電度表計量誤差的影響[J].電網技術,1998,22(4):69-73.