諧波存在時的電能計量改進(jìn)方法和實踐應(yīng)用研究

鄭斌

摘 要：分析了諧波對電能計量的影響，并在此基礎(chǔ)上對諧波存在時的電能計量改進(jìn)方法和應(yīng)用進(jìn)行了論述。期望通過本文的研究能夠?qū)μ岣咧C波存在時的電能計量準(zhǔn)確性有所幫助。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；諧波；電能計量；濾波

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.098

1 諧波對電能計量的影響分析

在電力系統(tǒng)當(dāng)中，電能計量是一個重要環(huán)節(jié)，其主要是通過電能計量裝置來完成。目前，國內(nèi)電網(wǎng)中常用的電能計量裝置有兩種，分別是感應(yīng)式電能表和電子式電能表。諧波是電力系統(tǒng)運行過程中不可避免的一種現(xiàn)象，它對系統(tǒng)的危害較大，由諧波引起的諧振會造成過電流或過電壓等事故。這樣不但會加快電氣設(shè)備絕緣的老化速度，而且還會導(dǎo)致設(shè)備運行異常，額外損耗也會隨之增大，進(jìn)而引起計量裝置誤差。不僅如此，諧波還會對通信設(shè)備的信號產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重時甚至?xí)p壞通信設(shè)備。

1.1 諧波對感應(yīng)式電能表的影響

實踐證明，感應(yīng)式電能表只有在工頻附近較窄的頻率范圍內(nèi)且電流和電壓均為正弦波的情況下，才能處于最佳的工作狀態(tài)。一旦電流或電壓波形發(fā)生畸變，就會導(dǎo)致電能表的測量準(zhǔn)確度降低。圖1為感應(yīng)式電能表的頻率特性曲線。

圖1 感應(yīng)式電能表的頻率特性曲線

從圖1中可以看出，當(dāng)電能表的頻率增加時，其特性曲線會隨之急劇下降。導(dǎo)致這一問題的原因主要有：①由于轉(zhuǎn)盤本身并不是一個純電阻，其中包含了一部分感性分量，當(dāng)頻率升高時，其阻抗和阻抗角都會增大，這樣便會導(dǎo)致電能表的轉(zhuǎn)速變慢；②磁路的磁阻會隨著頻率的升高而增大，與此同時，電流線圈的磁通會減小，驅(qū)動力矩也會隨之減小，由此便會導(dǎo)致電能表轉(zhuǎn)速變慢，進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)誤差；③鐵芯在諧波的作用下會產(chǎn)生出雜亂渦流，其內(nèi)部磁通會隨之減小；④在諧波存在的前提下，線圈感抗會隨著頻率的升高而增大，電壓磁通滯后，電壓的角度會無限接近于90°，由于此時補(bǔ)償角度并未發(fā)生變化，所以會引起轉(zhuǎn)矩減小，進(jìn)而產(chǎn)生負(fù)誤差。

1.2 諧波對電子式電能表的影響

就電子式電能表而言，其對不同的被測信號波形的響應(yīng)均不相同，響應(yīng)的誤差也存在著較大的差別。相關(guān)研究結(jié)果顯示，按照正弦函數(shù)的正交特性，當(dāng)電流或電壓偏離正弦且發(fā)生畸變時，電能表也會隨之出現(xiàn)計量誤差，但是這個誤差并不是很大。即使電網(wǎng)當(dāng)中電流與電壓同時發(fā)生畸變，電子式電能表也會因自身的頻帶較寬而能夠?qū)χC波功率進(jìn)行準(zhǔn)確的計量，換言之，其對諧波功率的響應(yīng)與基波功率的響應(yīng)基本相同。在諧波存在的前提下，電子式電能表的計量值近似等于基波與所有諧波電能的總和，這個值一般在1 kHz以內(nèi)。由于電子式電能表在計量時，未將基波與諧波進(jìn)行區(qū)分，所以諧波對其幾乎沒有影響。然而，從線性負(fù)荷用戶的角度講，諧波的存在會使電子式電能表多計量電能，其合理性有待商榷。

2 諧波存在時的電能計量改進(jìn)方法及應(yīng)用

通過在電能計量前加裝低通濾波器，能夠?qū)χC波起到有效的過濾作用，這是一種相對比較簡單的改進(jìn)措施。由此，電能表只需要對基波電能進(jìn)行計量。但在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，這種方法的效果并不理想。為了有效避免諧波存在對電能計量準(zhǔn)確性的影響，可以采取如下改進(jìn)方法。

2.1 頻域電能計量法

該方法的具體步驟如下：①對電網(wǎng)中的離散化電流和電壓信號序列進(jìn)行加窗處理，以此來降低頻譜泄漏，減輕其對諧波分析的影響；②對加窗處理之后的諧波電流和電壓序列進(jìn)行離散傅里葉變換；③采用EET計算法對頻域參數(shù)進(jìn)行估算，借此來獲取電流和電壓信號當(dāng)中的諧波分量頻率偏差、相位和幅值等。

通過下式對各次諧波無功電能和有功電能進(jìn)行計算：

. （1）

式（1）中，ik和uk分別為電流與電壓波形在K次采樣時的瞬時值；N為周期內(nèi)電流與電壓的采樣對數(shù)；t為時間；dt為分時。

經(jīng)過仿真實驗可以獲取諧波存在時對電能計量影響的數(shù)據(jù)，再通過三角自卷積窗的方式便能夠?qū)崿F(xiàn)對基波電能的準(zhǔn)確計量。

2.2 帶加權(quán)系數(shù)的諧波有功計量法

該方法實質(zhì)上就是對基波電能和諧波電能進(jìn)行分別計量的改進(jìn)型計量方式，其計算公式如下：

. （2）

式（2）中，W1為基波電能；Whpos為正向諧波電能；Whopp為反向諧波電能；Chpos為正向諧波電能的加權(quán)系數(shù)（01）。

通過這種計量方式，不但能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)中受到諧波危害的線性負(fù)荷用戶進(jìn)行一次補(bǔ)償，而且還能對非線性負(fù)荷用戶引起的諧波電能進(jìn)行合理處置，實現(xiàn)了以經(jīng)濟(jì)手段減少諧波對電力系統(tǒng)影響的目標(biāo)，確保了電能計量的公平性和準(zhǔn)確性。該方法適用于諧波污染較為嚴(yán)重的系統(tǒng)，例如發(fā)電站、三類用戶和大動力用戶等。依據(jù)上文的分析可知，當(dāng)諧波存在時，電能表應(yīng)當(dāng)對基波電能進(jìn)行計量，并對諧波的影響程度進(jìn)行分析，以此確保對基波電能計費有一定的折扣。由此一來，大的諧波源用戶便會積極采取各種有效的措施對諧波進(jìn)行治理，而線性負(fù)荷用戶也會隨之獲得一定程度的補(bǔ)償。

3 結(jié)束語

總而言之，諧波是電力系統(tǒng)運行中不可避免的一種現(xiàn)象，其不僅對系統(tǒng)的危害較大，而且還會影響電能計量的準(zhǔn)確性。由于諧波無法徹底消除，所以只能夠通過采取有效的方法對電能計量進(jìn)行改進(jìn)，從而在確保電力用戶利益不受損害的同時，進(jìn)一步提高供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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〔編輯：王霞〕