電能計量系統的諧波研究

趙春雪

摘要：電能計量設備是用來顯示或者反映國家供電企業對用戶輸送電能的儀器，通過電能計量系統可以如實地反映出消費者消費了多少電能，也是用電消費者進行結算的依據和憑證。電能計量系統的測量準確性直接關系到國家與用電消費的切身利益。電能計量系統其主要由電能表、電壓互感器和電流互感器組成。每個組成部分在基波條件下所產生的誤差不會對總體的設計造成大的影響，但是在諧波條件下，各組成部分將會受到一定的影響。

關鍵詞：電能計量；諧波；影響因素

隨著經濟的發展與社會的進步，我國對電能的需求越來越大，相關電能計量系統也得到了升級。電能計量的數據與供電方、用電方以及發電方的利益具有緊密的聯系。在電力技術不斷進步的背景下，電能負荷量與電能容量不斷地上升，從而使電網中出現了諧波，諧波對電力系統造成了不利影響，可能降低系統的平穩性。

1產生諧波的原因

1.1輸配電系統的原因

現階段，輸配電系統中的變壓器較容易產生諧波，主要是因為變壓器的鐵心易呈現出飽和狀態，同時由于磁化曲線具有非線性的特征，變壓器運行過程中磁密處于曲線的飽和段上，從而對變壓器的運行質量造成影響，最終導致奇次諧波的產生。

1.2發電原因

目前的發電機中的三相繞組不具備完全對稱性，受制作技術的影響，三相繞組無法均勻地繞過鐵心，上述現象導致發電機的電源質量發生下降，由此產生諧波。

1.3用電的原因

目前，許多電氣設備中設有晶閘管。由于晶閘管的存在，在用戶用電的過程中，晶閘管材質的整流設備極有可能出現諧波。當前，社會上許多充電設備中含有晶閘管，給諧波的產生提供了環境。

2諧波對電能計量系統的計算誤差分析

2.1電磁感應電表

電磁感應電能表是根據基波的原理而設計出來的。此外，在高次諧波電流與電壓存在的時候，電能表內部的電壓線阻抗將會產生相應的變化，老式電能表的旋轉圓盤也會發生變化，這就會對電壓與電流的磁通產生影響，這一現象的發生會直接引起電能表計量數據誤差。

2.2全電子電能表

當使用電能表計算電能數值時，中央處理器將分別計算不同頻率下的正弦電流電壓的數值，繼而開展采樣計量工作，采樣計量的數據來源于正弦規律電流電壓的部分計量數據，該計算方式通過記錄負載基波與諧波平均功率耗費的電量。如果諧波電流對基波產生影響，則負載電流與基波呈現的方向將相反，全電子電能表能夠在諧波經過負載電流流向電網的過程中將基波的有功電能與諧波的有功電能進行記錄，不過基波電能在負載時消耗的電能要大于記錄下的用電電能，其是全電子電能表的嚴重缺陷，這種缺陷是致命的。

2.3對計量方式的影響

一直以來，電力系統中采用的都是全能量計量的方式，而由于技術條件、電網規模、用戶性質等的影響，諧波基本上不會造成嚴重影響，因此在電能計量環節可以忽略諧波的存在。不過，科學技術的進步，使得越來越多的電器設備開始走入人們的日常生活，諧波源呈現出不斷增長的趨勢，加上電網逐漸實現了全面覆蓋，整體結構越發復雜，諧波的影響也在持續擴大。諧波對于電能計量方式的影響主要體現在幾個方面，首先，在非正弦供電的線性荷載中，采用全能量計量的方式，得到的數值同時包含了基波電能以及部分諧波電能，導致了用戶用電量的增加；其次，在電網中，非線性負荷會產生相應的諧波功率，其中的一部分會輸入到電網中，在這種情況下，電能計量得到的數值實際上是用戶的用電量減去輸入到電網中的諧波功率，較實際偏小，損害了電力企業的利益；然后，當負載非線性，電源畸變時，負荷不僅會吸收基波與諧波，還會使得諧波倒流回電網，使得電能計量變得更加復雜。

2.4CTV諧波存在的誤差

仿真參數進行設置，電壓源的有效值為1～1.5kV，相位為0°。幅值的誤差的仿真結果和相角的誤差的仿真結果均存在一定差異。CVT基波電壓進行測量，準確度非常高，然而諧波電壓進行測量的幅度值的誤差應在96%左右。諧波的情況，CVT會存在較大的相位偏差。由此可見，CVT不適宜在諧波的條件下進行測量。（1）TA諧波的誤差仿真分析。仿真獲得次諧波的情況，功率因數顯示為1，負載率達到98%以上，TA仿真的時候，需將電流源合理的進行設置，為1kA即可，相位保持為0°。綜上所述，諧波前提下，計量的精度較高，因為TA計量的精度非常高，所以其在TA測量的誤差與很小的范圍，TA適合于在諧波條件下進行測量；（2）電能方面的劑量系統存在的劑量誤差。高壓電能的計量系統，一般多應用于110kV系統，通過在不同條件下，電能計量的誤差也存在很大差異。

3應對措施

一方面，應該在現有的技術條件下，對電能計量方式進行改進，盡可能實現波電能與諧波電能的分別計量，消除諧波所帶來的不良影響；另一方面，應該對計量裝置進行優化和改進，提升計量結果的準確性和可靠性。例如，可以結合分頻技術，針對電子式電能表進行相應的改進和優化處理，強化其對于諧波的辨識能力，使得其可以在電能計量中，準確分辨諧波帶能和基波電能，甚至對諧波電能的大小以及傳遞方向進行計量，減少乃至消除諧波對于電能計量準確性的干擾和影響。

總之，在諧波背景不僅會影響輸電與配電及用電消費者的電力設備的正常運行，致使用電消費者的無功功率數值增大，增加消費者的電費支出，增大消費者的生活支出，不僅如此，還對其它的設備元件也會造成了較大的損害。在計量回路中應該采用新型的基波電能表，采用分頻技術有針對性的計量基波電能和諧波電能，以達到增強非線性負荷的準人方式，這樣將會最大限度控制或者降低諧波所引起的電能計量誤差現象，從而更有效地維護好供電方與用電消費者雙方的利益。