廣義非線性電能計量校驗及評測系統的現場應用

譚 華，夏 鵬，劉 靂

（1.中電投江西電力有限公司，江西南昌 330096；2.國網江西省電力科學研究院，江西南昌 330096）

0 引言

隨著現代電力電子技術的發展，大量的電力電子裝置已被廣泛的應用到電網中，進而導致諧波含量的增加。諧波的存在將會影響電能計量裝置的計量準確，進而產生相應的計量誤差，影響了電網中相關各方的利益與交易的合理性。

目前，電能計量裝置仍按《DL/T448-2000電能計量裝置技術管理規程》進行配置。當諧波含量增大到不滿足相應要求時，將會極大的影響計量的準確和可靠。難以滿足諧波源負荷、動態負荷、沖擊負荷、等條件下的電能計量。為解決上述問題，需要提出一種適用于現場非線性工況的電能計量方式和校驗裝置。現階段，一些電表廠家也研發了具有諧波計量功能的諧波電能表。但這種計量方式也有很大的局限性。首先，諧波電能表一般采用FFT算法，而基于FFT的諧波電能算法對于穩態諧波分析比較有效，但對于非線性負荷所反映的暫態、沖擊過程缺乏有效檢測手段。

本文通過對沖擊負荷、動態波動負荷、諧波源負荷進行實時數據采集，研究這些電網特殊負荷的數學特征，建立面向計量需求的負荷特征模型；針對這些典型的特殊負荷模型，提出適于現場工況的電能計量方式。

1 幾種典型非線性負荷的特點

1.1 鋼鐵企業諧波源的主要特點

電弧爐的冶煉過程中電流的波形變化極快，實際上每半個工頻周期的波形都不相同。由于電流波形不規律，故諧波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次諧波電流。據實測，第2、3、5次諧波電流含有率常達5%～6%及以上，嚴重時可達20%以上。

1.2 風電廠諧波源的主要特點

風力發電系統的整流器和逆變器分別采用三相6脈動整流橋或逆變橋，整流橋和逆變橋可統稱為換流橋，它們產生諧波的機理是一樣的。其中，三相6脈動換流橋產生的特征諧波電流次數為h=6K±1，其中以5、7次諧波電流為主。

1.3 電氣化鐵路諧波源的主要特點

電力機車從接觸網獲取電能，再經機車變壓器及機車整流裝置整流后再驅動直流電動機，即交直牽引供電制式；另外，還有交直交牽引供電制式。電忒一諧波的產生、合成和變換過程可知，電鐵系統產生的諧波全為奇次諧波，尤其以3、5、7次諧波電流最為顯著。

2 非線性負荷特征下對電能表的影響原理分析

由于諧波功率的大小和方向的影響，無論電源電壓波形是否畸變，只要系統中存在諧波功率，線性負載實際消耗的電能就大于其吸收的基波電能。而在一般情況下，非線性負載從系統吸收的背景諧波電能小于其向系統注入的諧波電能，所以非線性負載實際消耗的電能值要小于其吸收的基波電能值。如果按現行的電能計量方式，電能表反映的是基波和諧波的綜合電能。這就導致用戶實際消耗基波電能量與電能表讀數不等。按電能表讀數繳費就會使非線性負載向系統注入諧波功率反而少繳電費。

3 典型非線性負荷工況下電能表對環境適應性的測試分析

3.1 電能表對低功率因數的適應性測試分析

實驗條件：給定負載的視在功率2 kVA，功率因數從0.1~1變化（感性負載和容性負載分別進行測試），仿真電源產生標準無諧波干擾的交流正弦220 V、50 Hz的電壓，選取不同廠家的留樣表（精度等級為2級）4只進行測驗，記錄測得的誤差值及不同功率因數下的無功功率值（kVA），如表1和2所示。

表1 不同功率因數（感性）下電能表的誤差值 %

表2 不同功率因數（容性）下電能表的誤差值 %

用功率分析儀日置3390觀察電源的失真率，當功率因數從0.1~1變化時，諧波總失真率一直保持0.08%不變，從而排除電能表的計量誤差受諧波的影響。為了直觀觀察電能表誤差和功率因數的關系，將表1和表2的數據繪制圖形，如圖1所示。

圖1 電能表誤差和功率因數關系

由圖1可以看出：1）隨著負載功率因數的減小，電能表的誤差增大，當功率因數減小到0.5以下時誤差增大幅度變大；2）被測表的誤差為負值。誤差為負值表明電能表所計電量小于標準表所計電量，即功率因數越小電能表所計電量的偏差越大，相當于少計電量；3）功率因數的減小使得無功功率增大，增加了線路的損耗，降低電網線路的效率。

綜上，負載的功率因數影響計量裝置的準確性，應盡量使負載在功率因數0.5以上工作；負載的功率因數降低時，無功功率變大，此時需要從網上吸收無功功率，這樣發電機組就要多發無功，而發無功也是需要能量的，相當于降低了發電機的出力；且無功負荷在網上傳送占用了輸、變、配電設備的資源。

3.2 電能表對諧波工況的適應性測試分析

某電能表廠家在電鐵牽引站實地掛表測試數據，電能表的安裝日期為2014年6月14日，2014年7月16日第一次抄表，2014年8月24日第二次抄表，所抄信息見表3所示。

表3 電鐵牽引站掛表數據

從表3 中可以看出，由于牽引站變向電網反送諧波，導致全波電能比基波電能少計最高達1.44%，如果再加上其向電網反送的諧波電能這個數值將接近3%，因此，諧波電能計量非常重要。建議在諧波含量大的地方為用戶安裝專用的諧波表，以便準確計量諧波產生用戶的用電量。

4 結論

1）本文結合江西電網電能質量各項指標，對電能質量典型擾動源負荷進行初步分類，并對典型負荷實際負載進行現場數據采集，建立了針對江西電網特殊負荷變化特征量的數據庫。并從電能計量系統研究出發，對江西電網負荷進行分類，重點研究了各類諧波源負荷對現行計量方式的影響。

2）針對江西電網現場工況中出現的影響電能表計量準確性的因素，利用電能表現場模擬仿真平臺在實驗室設計了具有針對性的實驗，研究分析了電能表對現場工況環境的適應性，并針對各類特定負荷提出了適應其現場環境的計量方式。