基于諧波電能表的電能計量模式探討

呂幾凡，胡瑛俊，沈建良，姚 力，傅曉平，賀 民，申 坤

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；3.國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000；4.國網山東省電力公司禹城市供電公司，山東 禹城 251200）

0 引言

電能作為電網公司與電力用戶之間交易的商品，是以準確、公平的計量為前提[1]。隨著電力電子技術及設備的發展與應用，非線性負荷快速增加，導致電網中的諧波水平不斷增加。電網中的諧波一方面會對電力設備、用電設備以及通信設備的壽命及運行產生影響，增加運行成本；另一方面也會對諧波功率分攤、電能計量準確性以及電費合理收取帶來挑戰。

為了驗證諧波電能表（以下簡稱“諧波表”）基波以及諧波的電能計量和電能質量測量等功能，積累諧波表應用經驗與數據，探討基于諧波表的不同電能計量模式，自2017年10月在寧波、嘉興等地開展了諧波表試點應用。本文重點對此次諧波表試點應用中的電能計量數據進行分析，并探討基于諧波表的電能計量問題。

1 諧波電能計量問題

諧波電能計量主要問題在于諧波電能計量準確性以及諧波電能計量分攤2方面。

1.1 諧波對電能表計量準確性的影響

當前，電能計量普遍采用的是全波電能計量的模式，即總電能E等于基波電能E1與各次諧波電能Eh（h=2，3，…，n）的代數和。 但受電能表頻率響應曲線以及電能表電壓采樣回路與電流采樣回路帶寬的限制，諧波次數越高，諧波電能越少，高次諧波電能的計量越不準確。

1.2 諧波電能計量分攤

以簡明的供電系統示意圖，分析說明供電系統中存在線性及非線性負荷情況下的電能計量情況[2-6]。

圖1中的U源等效為供電系統中的電源，Z源，Z線路，Z線性負荷，Z非線性負荷分別等效為供電系統中的電源阻抗、輸電線路阻抗、線性負荷阻抗以及非線性負荷阻抗。假定供電系統中的電源為理想條件，不計及背景諧波等因素，發出基波功率P源，在被電源阻抗、電壓阻抗吸收了一部分后，流向負荷的功率 P負荷=P線性負荷+P非線性負荷。

圖1 供電系統示意

非線性負荷吸收的基波功率中除了用于維持用電設備運行的功率外，另有一部分被用電設備轉化成了諧波功率P諧波，方向與基波功率相反，由負荷流向系統與線性負荷， 即 P諧波=P諧波（系統）+P諧波（線性負荷）。 因此非線性負荷接入點的功率為P非線性負荷總=（P非線性負荷-P諧波）＜P非線性負荷。

線性負荷由于諧波功率 P諧波（線性負荷）的存在，受到諧波的污染，且諧波功率方向與線性負荷吸收的基波功率P線性負荷相同，線性負荷接入點的功率為 P線性負荷總=（P線性負荷+P諧波（線性負荷））＞ P線性負荷。

電能等于功率對時間的積分。線性負荷與非線性負荷吸收的電能分別用公式（1）和（2）表示。從理論分析可以得出，諧波功率是導致計量誤差的主要原因之一，按照當前普遍采用的全波電能計量方式，可能存在線性用戶多計量電能、非線性用戶少計量電能現象。

式中：T為時間周期。

2 諧波表計量原理

由前一章節所述可知，在諧波影響下選擇諧波表對正反向基波電能與正反向諧波電能分別進行計量的方式更加有效。

諧波表硬件架構如圖2所示。諧波表中采用高精度模數轉化芯片通過高速同步信號接口與DSP（數字信號處理器）連接[7-10]，將電壓、電流采樣數據實時采集到DSP中進行處理；高速DSP芯片作為信號處理單元，負責全波、基波以及諧波等電能的計算，其中全波電能計量采用經典有功、無功電能計量算法對全波電能計量采樣數據進行計算，基波電能計量是通過FIR（有限沖激響應）濾波器對全波進行濾波得到基波電能后進行計算，諧波電能計量則是采用FFT（快速傅里葉變換）得到h次諧波電壓和電流的有效值與相位值，求得兩者間夾角，進一步得到諧波總功率、諧波總電能與各次諧波功率、各次諧波電能；ARM（高級精簡指令微處理器）作為邏輯控制MCU（微控制單元），負責控制電能表整體的運行控制，負責實時從DSP芯片中獲取計量數據結果。

圖2 諧波表硬件架構

3 諧波表試點應用情況

3.1 試點應用方案

試點應用選擇了嘉興、寧波兩地7個非線性用戶，負荷類型主要包括金屬加工制造、紡織品制造、塑料制品加工、新能源發電及化工與食品加工等，諧波污染源包括注塑機、光伏逆變器、織機、金屬切割機、電焊機及車床等設備。諧波表安裝點用戶負荷情況以及表計信息詳見表1。

諧波表由寧波偉吉、煙臺東方以及長沙威勝等廠家提供，安裝前均進行了誤差測試，其誤差在精度等級的允許范圍以內。在寧波王龍科技、余姚五星金屬兩個試點中安裝了不同的諧波表以進行比對。

表1 用戶負荷情況以及表計信息

3.2 試點應用數據

工作人員采集了自2017年11月5日起諧波表近1個月的實際運行數據，詳見表2—4。

表2 全波電能量數據對比

3.3 數據分析

以下從諧波表以及諧波電能計量2個方面進行分析。

（1）諧波表所計量的全波有功總電能與常規智能電能表（簡稱“常規表”）所計量的正向有功總電能相比：經互感器接入式的計量點兩者累計走字差異在0.1%左右，兩者數值接近；直接接入式計量點兩者差異為0.37%。

（2）經對比發現，寧波王龍科技、余姚五星金屬2個計量點中不同諧波表各項電能計量數據基本一致。

（3）常規表所計量的正向有功電能基本上要小于諧波表所計量的正向基波有功電能，以及小于正向基波有功電能與反向諧波有功電能的絕對值之和，與理論分析基本一致。

（4）諧波表實現了全波、基波與諧波正反向電能計量的功能，為供電企業提供了靈活多樣的計量方式，包括：采用常規表計量；采用諧波表計量的正向基波有功電能與反向諧波有功電能絕對值之和（計量模式1）；采用諧波表計量的正向基波有功電能（計量模式2）。以5號用戶為例，試點期間若按常規表計量，應收取144.23 kWh的電量電費；如果按照計量模式1，則應收取144.69+0.48=145.17 kWh的電量電費，兩者相差0.94 kWh，考慮到互感器綜合變比6 000，折算下來，可為電網公司挽回5 460 kWh的電量損失，以1元/kWh收費，全年可挽回損失65 000余元。如果按照計量模式2，則應收取144.69 kWh電費，兩者相差0.46 kWh，結合互感器綜合變比6 000，可為電網公司挽回2 760 kWh的電量損失，以1元/kWh收費，全年可挽回損失33 000余元。

（5）諧波電能與基波電能相比，占比較小，普遍小于1%。試點中用戶電流畸變率略嚴重，而電壓畸變率較小，導致諧波電能卻不大的情況，無法真實反映負荷諧波實際對電網的危害（例如，諧波電流含量為100%，諧波電壓含量為1%，諧波電能也只有基波電能的1%），因此除考慮按正向基波電能或者正向基波電能與反向諧波電能的收費方式外，還可以引入其他數據指標，如IEEE 1459-2000標準中規定的諧波污染因數等相關指標。

4 其他問題

關于諧波電能計量收費的問題還存在爭論，計量模式主要有全波電能計量、基波電能計量以及基波電能加上諧波電能計量3種，每種模式對于不同類型的用戶負荷不盡相同。對于純電阻性線性負荷，基波與諧波都在做功，全波電能計量模式較為合理；對于只利用基波做功的線性負荷，基波電能計量模式相對合理；對于非線性用戶，從諧波治理的角度考慮，采用基波電能加上諧波電能模式，進行一定懲罰性質的計量計費對供電企業以及線性用戶來說更為合理，但要以合理分清諧波來源為前提，這也是推廣諧波電能計量的難點，在技術成熟前可采用基波電能計量模式代替。

另外，DL/T 645-2007《多功能電能表通信協議》中抄表規約對諧波電能、電能質量相關數據的格式未作明確與擴充，當前都由各電能表廠家自行定義，現有的抄表終端、用電信息采集系統數據格式無法兼容，導致現場抄表效率不高。

5 結語

結合嘉興、寧波兩地諧波表試點應用情況，對用戶選擇、試點應用方案進行了介紹，從諧波表的現場抄讀數據分析結果來看：

（1）諧波表對全波、基波以及諧波電能分別進行有效計量，為多種諧波計量模式提供了技術支撐。

（2）與理論分析相同，諧波表計量得到的基波電能以及基波與諧波電能之和基本上大于全波電能。

（3）不同電能計量模式對于不同類型的用戶負荷不盡相同，采用諧波電能計量模式，需要以能合理判定諧波來源作為技術支撐。