諧波背景下電能計量系統的計量誤差分析

張彪 黃如玉 李坎立

國網山東鄆城縣供電公司 山東鄆城 274700

摘要：對于電力工作人員而言，對電能計量方法進行改進和創新，消除電能計量誤差，是當前需要重點研究的課題。本文首先分析了產生諧波的原因，然后闡述了諧波下電能計量系統存在的誤差，最后探討了諧波存在時電能計量的有效方法。

關鍵詞：諧波；電能計量；計量誤差；電能表

一、產生諧波的原因

產生諧波主要是因為電力系統中非線性負載所引起的，比如逆變器、變頻器等一些變流設備，具體表現在三方面：

（一）發電原因

電站發電機中的三相繞組并不能完全對稱，在制作的過程中也不能滿足這個要求，而且繞過鐵心均勻也是比較困難的，這對發電機的電源質量有很大影響，

諧波也就此產生。

（二）輸配電系統的原因

在這個系統中，變壓器很容易產生諧波，它的鐵心呈現飽和的狀態，而且磁化曲線還是非線性的，變壓器在工作的時候磁密就在曲線的飽和段上，影響著變

壓器的正常運行，這導致了電壓器的磁化電流出現了尖項波形，奇次諧波就在其中產生。通過實踐證明，如果變壓器鐵心的飽和度高的話，線性就越偏離工作的點位，也就非常容易有更大諧波電流產生；相反，就不會有很大的諧波產生。

（三）用電的原因

晶閘管被廣泛用在電氣設備中，在用電的過程中，電氣設備很容易引發諧波產生，尤其是晶閘管材質的整流設備。現在社會中，有很多電力設備都引用了晶閘管，常見的有電源的開關、電動車、所有的充電設備等，這些都是非常容易產生諧波的，影響著電網的正常運行。在單相整流的電路裝置與感性負載相連接的時候，就會有奇次諧波電流產生，最高的時候諧波要占據基波三層左右，比例非常大；而與容性負荷相連接的時候，會有奇次諧波電壓產生，它還會根據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，是通過整流裝置所產生的，占據了基波的四層左右，

二、諧波下電能計量系統存在的誤差

電能計量系統存在的計量誤差，屬全部計量裝置方面的誤差，主要可分電能表、電壓互感設備及 TA 誤差，電能計量系統誤差應從下述幾方面加以合理分析。

（一）電子類型的電能表

包括：機電類型的電能表和電子類型的電能表。前者主要通過測量、電子方面的部件組成，因此類電能表波形信號裝置多通過脈沖信號，也可叫感應類型的脈沖電能表。電子類型的電能表，可叫固態類型多功能電能表/精致類型電能表，主要通過大規模的繼承芯片所組成，通過電子電路實現。電子類型的電能表同時又可分為模擬乘法式及數字型電能表兩種。

1.模擬乘法設備式電能表

這類型的電能表的構成部分為：輸入、乘法設備、電壓、轉化器、頻率轉換器、輸出部分等。模擬乘法設備電能表，其工作的基本原理為：將電壓信號U及電流信號I輸入，將其轉換為乘法器的時候，可充分的接受信號，通過其獲取一段時間內的功率。其二，把平均功勞的信號轉化成頻率脈沖信號，通過頻率信號技術的方式獲取這一段時間的具體電量。電子類型的電能表的乘法設備，主要的作用為將輸入的電壓和電流信號，通過比例轉換成功率設備。而模擬乘法設備的種類非常多。通過原理進行劃分，主要可分為分割乘法設備、霍爾乘法設備。現當今，我國電子類型的電能表一般會應用分割乘法設備。模擬乘法設備電能表的誤差，一般會來源于模擬乘法器。輸入分割乘法設備的信號，其具有較高的諧波，這時應結合分割乘法設備計量的基本原理輸入信號，禁止通過簡便的直流信號。

2.數字類型電能表

數字類型的電能表的誤差，一般多來源于數字乘法設備，其通過采樣的方式保持、模擬的方式保持或數字轉換組成。所以，對上述工作原理及諧波條件引入誤差，進而獲得數字型電能表計量的誤差。

（二）CVT諧波測量的誤差

諧波情況下，能夠有效的補償電抗設備、中間變壓設備、阻尼設備等，其均有可能于飽和的范圍內，所以應充分的考慮到其特征和性能，如非線性。我國110kV和發電廠升壓站、變電站母線和出現等均通過CVT。然而，相關的研究顯示CVT不能應用到諧波的測量中。國際電工IEC的標準中，具有明確的標準，CVT進行測量繞組需確保在既定頻率的基礎上98%～100%左右，滿足精度方面的標準。保護繞組與既定的頻率95%～101%左右，達成精度方面的要求。CTV于基波電壓的基礎上、系統保護、自動裝置基波信號變換的情況下，能夠達成系統方面的要求。然而，測電壓頻率出現一定變化的時候，存在諧波的時候，CVT通過電容分壓設備等值電容、補償電抗設備電感方面所構成，這時LC串聯諧振的回路就會出現偏離的現象，致使其測量存在較大的誤差。所以，諧波系統CVT不能夠有效的反應真實的狀況。實行諧波測量的過程，以CVT變換裝置獲得二次測信號，所以存在一定誤差。

三、諧波存在時電能計量的有效方法

針對上述問題，電力工作人員應該充分重視起來，結合諧波原理以及諧波產生的基本要素，對諧波的危害進行約束，從而提升計量的準確性。從目前來看，諧波存在時，電能計量的有效措施，包括以下幾種：

（一）應用全電子式智能電能表

全電子式智能電能表在計量中存在的誤差，主要是由點積算法引起的，因此，對電能表進行更新，需要從計算算法開始。應該對電力系統中各次諧波的含量進行檢測，針對諧波類型提出相應的解決方案。當前應用的全電子式電能表，在計量方法上相當復雜，必須由專業的技術人員進行操作，而且生產成本相對較高，因此一般都是在大中型工業企業中被廣泛應用，可以有效降低諧波對于電能計量的影響。全電子式智能電能表的計量方法如下：在實際計量中，需要對帶加權系數、諧波電能以及基波電能等進行分別計量。

W=C1W1-CfinWfin+Cfout|Wfout|

其中，W1、Wfin、Wfout分別代表負載所消耗的基波電能、吸收的諧波電能以及產生的諧波電能；而C1、Cfin、Cfout則代表相應的加強系數。一般情況下，將C1設置為1，則當Cfout大于1時，則應該對發出諧波電能的非線性負載用戶進行懲罰；當Cfout在0-1的范圍內時，則對線性負載用戶進行相應的補償。這種計量方法，能夠有效避免因電能計量誤差而引發的收費不公現象，同時可以利用經濟手段，督促用戶采取相應的措施，減少注入電網的諧波量。

（二）采用頻域電能計量方法

在實際應用中，首先，應該對離散化的電流和電壓信號序列進行相應的加窗處理，以降低頻譜泄露，避免其可能對諧波分析造成的影響；其次，對加窗后的諧波電流電壓序列進行離散傅里葉變換；然后，結合FFT計算方法，對頻域參數進行相應的估量和計算，以獲取電流和電壓信號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，結合相應的公式，對各次諧波無功電能及有功電能進行計算。

（三）仿真實驗

通過相應的仿真實驗，可以得到諧波存在時的電能計量誤差數據，同時通過三角自卷積窗方式，實現對于基波電能的準確計量，以保證電能計量的可靠性和準確性。

結語

綜上，諧波對于電力系統的危害是非常巨大的，當諧波存在時，電能計量可能會出現相應的誤差，影響電力用戶和供電企業雙方的利益。因此，電力工作人員應該充分重視起來，采取合理有效的措施，對計量方式進行改進和創新，實現基波電能和諧波電能的分別計算，從而保證電能計量的準確性，保證我國電力行業的持續穩定健康發展。

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