淺談諧波對電能表計量的影響

陳嵐

(臺州市計量技術研究院,浙江臺州 317000)

淺談諧波對電能表計量的影響

陳嵐

(臺州市計量技術研究院,浙江臺州 317000)

諧波對電能表計量的精確度影響較大。隨著技術的發展,電子設備在電力系統中得到大量的運用,這些設備自身的非線性因素使電力、電壓電流波產生了畸變,由此產生了大量的諧波。諧波會對電力系統以及電力設備造成危害,由于現代電能表的計量方式是以基波為準的,諧波的產生會嚴重干擾電能表的計量方式,因此影響到了電能表計量的準確性。

諧波 感應式電能表 電子式電能表 影響

1 引言

隨著技術的進步和經濟的發展，電力系統中加入的電力設備存在的非線性，產生了大量的諧波。諧波傳入電網以后，造成電力系統電壓、電流波形發生畸變，污染了電網的環境。同時由于電力供電公司是的通過電能表對用戶用電量進行核算，因此，電能表計量結果是否準確直接影響到供電公司的經濟效益。電網中諧波的存在會對電能表計量產生影響，從而影響到電力計量的準確度。

2 諧波的含義

2.1 諧波的定義

在實際運用當中，人們總是希望得到正弦波的電流、電壓波形，但是由于大量非線性荷載的存在了，造成了電壓電流波形產生畸變。國際電工標準對諧波定義為：諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。對諧波次數定義為：以諧波頻率和基波頻率之比表達的整數。一般規定電力系統工頻為基波頻率。在供用電系統中，正弦電壓可表示為，其中U為電壓的有效值；α為初相角；為角頻率。正弦電壓施加在非線性無源元件電阻、電感和電容上，其電流和電壓分別為比例積分和微分關系，仍為同頻率的正弦波。但當正弦電壓施加在非線性電路上時，電流就變為非正弦波，非正弦電流在電網阻抗上產生壓降，會使電壓波形也變為非正弦波。

圖1 感應式電能表的頻率誤差特性曲線

圖2 電子式電能表的工作原理示意圖

圖3 電子式電能表的頻率誤差特性曲線

2.2 諧波的危害

諧波的危害是多方面的，不但會污染電力系統的運行環境而且會：

(1)造成電力系統設備損耗。

(2)影響電氣設備使用效果，縮短設備的使用壽命。

(3)造成測量儀表不準確，對電力運輸產生影響。

(4)引起局部的并聯諧振和串聯諧振，使諧波放大，對電力系統造成危害。

(5)使通信系統受到干擾，引起通訊設備無法正常工作。

(6)造成巨大的經濟損失。諧波降低了設備的使用壽命，提高了電力生產成本，同時由于計量的誤差，對電力系統造成經濟損失。

3 諧波對電能表電能計量影響

3.1 研究現狀

傳統的對電能的計量方式是以線性負載為前提的，但是感應式電能表的鐵磁元件是非線性的，因此在電力輸送過程中，電網中以及感應式電能表繞組和圓盤中存在的諧波必然會影響電能表的計量結果。

上世紀對感應式電能表的研究主要是對實驗結果的分析。如林杰的《諧波對電能計量影響的研究》一文較早探討了如何利用諧波測試技術對電能表計量進行研究。韓宵漢在《電子式電能表的應用淺析》一文中通過建立感應式電能表的頻率響應模型，來解釋諧波對感應式電能表的計量誤差的影響。這種模型在研究中應用范圍很廣。

電子式電能表的使用歷史較短，因此國內外對它的研究還不是很充分，主要集中于對電子式電能表的電路設計和工作原理的說明。國內的文獻主要有趙淵的《電力系統諧波分析儀算法研究》；張伏生的《電力系統諧波分析的高精度FFT算法》；許文進、麻壽光的《電子式三項功率變換器的設計》等。這些文章發表較早，為我國對電子式電能表的研究提供了借鑒的作用。隨著技術的進步與發展，人們開始研究如何提高電子元器件性能進。韓松林《時分割乘法器式交流功率轉換器的動態誤差分析》，主要是對脈沖調寬器的相移誤差進行研究。胡博《0.5級電子式電能表的設計與實現》則建立了時分割乘法器的誤差仿真計算模型，進行電子式電能表的計量誤差分析。

3.2 諧波對電能表計量的影響

3.2.1 諧波對感應式電能表計量的影響

當感應式電能表串聯到電網中以后，由于諧波的影響，使電能表內的電壓線圈阻抗和轉盤阻抗發生改變，造成工作磁通發生改變，從而影響到感應式電能表的計量精度。同時電能表內部的鐵芯是非線性的，因而當由諧波和基波疊加而成的電壓、電流波會發生畸變時磁通不能夠做出相應的線性變化，磁通相互作用才能產生轉矩。磁通不與波形形成線性關系，導致轉矩與平均率之間呈非線性的變化關系，造成了附加誤差的產生，從而影響到電能表計量的精確性。平均功率的產生是在同頻率的電流電壓下產生的。

存在諧波功率時電能值可以表示為：

可以通過研究畸變波形下電能表的運作狀況來分析感應式電能表的頻率特性。一般來說感應式電能表頻率特性曲線平坦與否表明了其在諧波功率下的計量的精確程度。感應式電能表的頻率誤差特性曲線如圖1所示。

由圖可知當頻率在100Hz時，相對誤差達到最大值，之后隨著頻率的增大，相對誤差就會降低。之所以出現這么大的誤差主要是因為感應式電能表內部的轉盤并非純電阻，其中含有感性成分，當頻率增大時，阻抗角隨頻率的增大而增大，這樣電能表的轉速就會變慢，就會產生較大的誤差。

感應式電能表的計量方式屬于全電能計量，不可能對對用戶進行線性區分。對于線性用戶，基波與諧波功率方向一致，電能表計算時會包含諧波電能，造成線性用戶蒙受經濟損失的同時，還有受到諧波的危害。反之，對于非線性用戶，在自身消耗諧波的同時，會向電網反饋諧波，因此，計量結果小于基波電能。

3.2.2 諧波對電子式電能表計量的影響

電子式電能表是通過對采樣電壓和電流信號進行處理并相乘轉換成與電能成正比的脈沖輸出，通過計度器或數字顯示器顯示的一種新型測量儀表。電子式電能表具有防竊電能力強、計量精度高、負荷特性較好、誤差曲線平直、功率因數補償性能較強、自身功耗低的特點。

電子式電能表計量原理是采用集成運算放大器按時分割原理，通過測量和計算電路的電壓與電流的乘積，之后由V/F轉換器將乘積轉換為為脈沖信號，將計量結果顯示出來。電子式電能表計量特點在于當電路中的電壓與電流波只有一個發生畸變，且另一個正常時，電子式電能表的計量誤差很小，可以忽略不計。但是當電壓與電流波都發生畸變時，由于電子式電能表比感應式電能表又有更寬的頻率，就可以進行諧波功率的計量。這樣導致了電子式電能表計量時會把基波功率和諧波功率一同進行計量，結果會導致計量誤差大大超過感應式電能表的計量誤差。電子式電能表的工作原理如圖2所示。

電子式電能表的工作原理如下。電能表首先對電壓、電流進行采樣，將采樣的信號通過模擬乘法器得到功率，在經過ADC轉換器將功率轉化為頻率，通過頻率來對電能值進行計數。從電子式電能表的整個工作流程來看模擬乘法器的準確度直接決定了電子式電能表的計量準確度。在使用電子式電能表進行測量時，由于電網中的電壓、電流需要進行互感器轉換才能送入電能表之中，所以互感器的準確度也會對測量結果產生影響。如果所用的互感器是存在非線性，同感應式電能表一樣，畸變信號經過互感器以后，對諧波成分不相同，造成了最終誤差變大。電子式電能表的頻率誤差特性曲線如圖3所示。

由上圖可知，電子式電能表的相對誤差曲線較為平坦。誤差的變化幅度不大。在數值計算時，由于電子式電能表是將電壓和電流的瞬時值分別采樣并作運算，也沒有將基波和諧波加以區分，所計量的是基波電能和和各次諧波電能之和，因此，電子式電能表也是全電能計量方式。電子式電能表是也是以總的畸變波形進行計算的，其計量原理與感應式電能表的計量方式相似，都是全電能計量。因此對于線性用戶來說，仍然是會交諧波部分的電費，對于非線性用戶來說，電能表會少計量電能。

4 結語

隨著我國電力市場的向新城市、新領域的不斷拓展，對電能表計量的高效性、準確性、智能性提出了更高的要求。目前來來看針對電能表計量的精度問題是未來的研究趨勢。如何更好的進行電能計量，及時調整電能表的誤差，減少諧波的影響，進而保護好發電企業、供電企業和用戶三者之間的共同利益。對未來電力企業的發展具有重要的意義。

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