諧波背景下電能計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量誤差分析

張彪 黃如玉 李坎立

國(guó)網(wǎng)山東鄆城縣供電公司 山東鄆城 274700

摘要：對(duì)于電力工作人員而言，對(duì)電能計(jì)量方法進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，消除電能計(jì)量誤差，是當(dāng)前需要重點(diǎn)研究的課題。本文首先分析了產(chǎn)生諧波的原因，然后闡述了諧波下電能計(jì)量系統(tǒng)存在的誤差，最后探討了諧波存在時(shí)電能計(jì)量的有效方法。

關(guān)鍵詞：諧波；電能計(jì)量；計(jì)量誤差；電能表

一、產(chǎn)生諧波的原因

產(chǎn)生諧波主要是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中非線(xiàn)性負(fù)載所引起的，比如逆變器、變頻器等一些變流設(shè)備，具體表現(xiàn)在三方面：

（一）發(fā)電原因

電站發(fā)電機(jī)中的三相繞組并不能完全對(duì)稱(chēng)，在制作的過(guò)程中也不能滿(mǎn)足這個(gè)要求，而且繞過(guò)鐵心均勻也是比較困難的，這對(duì)發(fā)電機(jī)的電源質(zhì)量有很大影響，

諧波也就此產(chǎn)生。

（二）輸配電系統(tǒng)的原因

在這個(gè)系統(tǒng)中，變壓器很容易產(chǎn)生諧波，它的鐵心呈現(xiàn)飽和的狀態(tài)，而且磁化曲線(xiàn)還是非線(xiàn)性的，變壓器在工作的時(shí)候磁密就在曲線(xiàn)的飽和段上，影響著變

壓器的正常運(yùn)行，這導(dǎo)致了電壓器的磁化電流出現(xiàn)了尖項(xiàng)波形，奇次諧波就在其中產(chǎn)生。通過(guò)實(shí)踐證明，如果變壓器鐵心的飽和度高的話(huà)，線(xiàn)性就越偏離工作的點(diǎn)位，也就非常容易有更大諧波電流產(chǎn)生；相反，就不會(huì)有很大的諧波產(chǎn)生。

（三）用電的原因

晶閘管被廣泛用在電氣設(shè)備中，在用電的過(guò)程中，電氣設(shè)備很容易引發(fā)諧波產(chǎn)生，尤其是晶閘管材質(zhì)的整流設(shè)備。現(xiàn)在社會(huì)中，有很多電力設(shè)備都引用了晶閘管，常見(jiàn)的有電源的開(kāi)關(guān)、電動(dòng)車(chē)、所有的充電設(shè)備等，這些都是非常容易產(chǎn)生諧波的，影響著電網(wǎng)的正常運(yùn)行。在單相整流的電路裝置與感性負(fù)載相連接的時(shí)候，就會(huì)有奇次諧波電流產(chǎn)生，最高的時(shí)候諧波要占據(jù)基波三層左右，比例非常大；而與容性負(fù)荷相連接的時(shí)候，會(huì)有奇次諧波電壓產(chǎn)生，它還會(huì)根據(jù)電容值增加的頻率有所增加；此外，還有一種最大容量的諧波源，是通過(guò)整流裝置所產(chǎn)生的，占據(jù)了基波的四層左右，

二、諧波下電能計(jì)量系統(tǒng)存在的誤差

電能計(jì)量系統(tǒng)存在的計(jì)量誤差，屬全部計(jì)量裝置方面的誤差，主要可分電能表、電壓互感設(shè)備及 TA 誤差，電能計(jì)量系統(tǒng)誤差應(yīng)從下述幾方面加以合理分析。

（一）電子類(lèi)型的電能表

包括：機(jī)電類(lèi)型的電能表和電子類(lèi)型的電能表。前者主要通過(guò)測(cè)量、電子方面的部件組成，因此類(lèi)電能表波形信號(hào)裝置多通過(guò)脈沖信號(hào)，也可叫感應(yīng)類(lèi)型的脈沖電能表。電子類(lèi)型的電能表，可叫固態(tài)類(lèi)型多功能電能表/精致類(lèi)型電能表，主要通過(guò)大規(guī)模的繼承芯片所組成，通過(guò)電子電路實(shí)現(xiàn)。電子類(lèi)型的電能表同時(shí)又可分為模擬乘法式及數(shù)字型電能表兩種。

1.模擬乘法設(shè)備式電能表

這類(lèi)型的電能表的構(gòu)成部分為：輸入、乘法設(shè)備、電壓、轉(zhuǎn)化器、頻率轉(zhuǎn)換器、輸出部分等。模擬乘法設(shè)備電能表，其工作的基本原理為：將電壓信號(hào)U及電流信號(hào)I輸入，將其轉(zhuǎn)換為乘法器的時(shí)候，可充分的接受信號(hào)，通過(guò)其獲取一段時(shí)間內(nèi)的功率。其二，把平均功勞的信號(hào)轉(zhuǎn)化成頻率脈沖信號(hào)，通過(guò)頻率信號(hào)技術(shù)的方式獲取這一段時(shí)間的具體電量。電子類(lèi)型的電能表的乘法設(shè)備，主要的作用為將輸入的電壓和電流信號(hào)，通過(guò)比例轉(zhuǎn)換成功率設(shè)備。而模擬乘法設(shè)備的種類(lèi)非常多。通過(guò)原理進(jìn)行劃分，主要可分為分割乘法設(shè)備、霍爾乘法設(shè)備。現(xiàn)當(dāng)今，我國(guó)電子類(lèi)型的電能表一般會(huì)應(yīng)用分割乘法設(shè)備。模擬乘法設(shè)備電能表的誤差，一般會(huì)來(lái)源于模擬乘法器。輸入分割乘法設(shè)備的信號(hào)，其具有較高的諧波，這時(shí)應(yīng)結(jié)合分割乘法設(shè)備計(jì)量的基本原理輸入信號(hào)，禁止通過(guò)簡(jiǎn)便的直流信號(hào)。

2.數(shù)字類(lèi)型電能表

數(shù)字類(lèi)型的電能表的誤差，一般多來(lái)源于數(shù)字乘法設(shè)備，其通過(guò)采樣的方式保持、模擬的方式保持或數(shù)字轉(zhuǎn)換組成。所以，對(duì)上述工作原理及諧波條件引入誤差，進(jìn)而獲得數(shù)字型電能表計(jì)量的誤差。

（二）CVT諧波測(cè)量的誤差

諧波情況下，能夠有效的補(bǔ)償電抗設(shè)備、中間變壓設(shè)備、阻尼設(shè)備等，其均有可能于飽和的范圍內(nèi)，所以應(yīng)充分的考慮到其特征和性能，如非線(xiàn)性。我國(guó)110kV和發(fā)電廠升壓站、變電站母線(xiàn)和出現(xiàn)等均通過(guò)CVT。然而，相關(guān)的研究顯示CVT不能應(yīng)用到諧波的測(cè)量中。國(guó)際電工IEC的標(biāo)準(zhǔn)中，具有明確的標(biāo)準(zhǔn)，CVT進(jìn)行測(cè)量繞組需確保在既定頻率的基礎(chǔ)上98%～100%左右，滿(mǎn)足精度方面的標(biāo)準(zhǔn)。保護(hù)繞組與既定的頻率95%～101%左右，達(dá)成精度方面的要求。CTV于基波電壓的基礎(chǔ)上、系統(tǒng)保護(hù)、自動(dòng)裝置基波信號(hào)變換的情況下，能夠達(dá)成系統(tǒng)方面的要求。然而，測(cè)電壓頻率出現(xiàn)一定變化的時(shí)候，存在諧波的時(shí)候，CVT通過(guò)電容分壓設(shè)備等值電容、補(bǔ)償電抗設(shè)備電感方面所構(gòu)成，這時(shí)LC串聯(lián)諧振的回路就會(huì)出現(xiàn)偏離的現(xiàn)象，致使其測(cè)量存在較大的誤差。所以，諧波系統(tǒng)CVT不能夠有效的反應(yīng)真實(shí)的狀況。實(shí)行諧波測(cè)量的過(guò)程，以CVT變換裝置獲得二次測(cè)信號(hào)，所以存在一定誤差。

三、諧波存在時(shí)電能計(jì)量的有效方法

針對(duì)上述問(wèn)題，電力工作人員應(yīng)該充分重視起來(lái)，結(jié)合諧波原理以及諧波產(chǎn)生的基本要素，對(duì)諧波的危害進(jìn)行約束，從而提升計(jì)量的準(zhǔn)確性。從目前來(lái)看，諧波存在時(shí)，電能計(jì)量的有效措施，包括以下幾種：

（一）應(yīng)用全電子式智能電能表

全電子式智能電能表在計(jì)量中存在的誤差，主要是由點(diǎn)積算法引起的，因此，對(duì)電能表進(jìn)行更新，需要從計(jì)算算法開(kāi)始。應(yīng)該對(duì)電力系統(tǒng)中各次諧波的含量進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)諧波類(lèi)型提出相應(yīng)的解決方案。當(dāng)前應(yīng)用的全電子式電能表，在計(jì)量方法上相當(dāng)復(fù)雜，必須由專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作，而且生產(chǎn)成本相對(duì)較高，因此一般都是在大中型工業(yè)企業(yè)中被廣泛應(yīng)用，可以有效降低諧波對(duì)于電能計(jì)量的影響。全電子式智能電能表的計(jì)量方法如下：在實(shí)際計(jì)量中，需要對(duì)帶加權(quán)系數(shù)、諧波電能以及基波電能等進(jìn)行分別計(jì)量。

W=C1W1-CfinWfin+Cfout|Wfout|

其中，W1、Wfin、Wfout分別代表負(fù)載所消耗的基波電能、吸收的諧波電能以及產(chǎn)生的諧波電能；而C1、Cfin、Cfout則代表相應(yīng)的加強(qiáng)系數(shù)。一般情況下，將C1設(shè)置為1，則當(dāng)Cfout大于1時(shí)，則應(yīng)該對(duì)發(fā)出諧波電能的非線(xiàn)性負(fù)載用戶(hù)進(jìn)行懲罰；當(dāng)Cfout在0-1的范圍內(nèi)時(shí)，則對(duì)線(xiàn)性負(fù)載用戶(hù)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。這種計(jì)量方法，能夠有效避免因電能計(jì)量誤差而引發(fā)的收費(fèi)不公現(xiàn)象，同時(shí)可以利用經(jīng)濟(jì)手段，督促用戶(hù)采取相應(yīng)的措施，減少注入電網(wǎng)的諧波量。

（二）采用頻域電能計(jì)量方法

在實(shí)際應(yīng)用中，首先，應(yīng)該對(duì)離散化的電流和電壓信號(hào)序列進(jìn)行相應(yīng)的加窗處理，以降低頻譜泄露，避免其可能對(duì)諧波分析造成的影響；其次，對(duì)加窗后的諧波電流電壓序列進(jìn)行離散傅里葉變換；然后，結(jié)合FFT計(jì)算方法，對(duì)頻域參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的估量和計(jì)算，以獲取電流和電壓信號(hào)中存在的諧波分量頻率偏差、相位及幅值等；最后，由FFT算法得到加窗后的電流電壓頻域參數(shù)，結(jié)合相應(yīng)的公式，對(duì)各次諧波無(wú)功電能及有功電能進(jìn)行計(jì)算。

（三）仿真實(shí)驗(yàn)

通過(guò)相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，可以得到諧波存在時(shí)的電能計(jì)量誤差數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)三角自卷積窗方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于基波電能的準(zhǔn)確計(jì)量，以保證電能計(jì)量的可靠性和準(zhǔn)確性。

結(jié)語(yǔ)

綜上，諧波對(duì)于電力系統(tǒng)的危害是非常巨大的，當(dāng)諧波存在時(shí)，電能計(jì)量可能會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，影響電力用戶(hù)和供電企業(yè)雙方的利益。因此，電力工作人員應(yīng)該充分重視起來(lái)，采取合理有效的措施，對(duì)計(jì)量方式進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)基波電能和諧波電能的分別計(jì)算，從而保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，保證我國(guó)電力行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展。

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