電力諧波對電能計量的影響

李建偉

（云南省錫業股份有限公司設備能源部，個舊 661000）

1 概述

諧波是指電流中包含的電量，它是基頻的整數倍。一般來說，它是指周期性非正弦電量的傅立葉級數分解，以及頻率大于基頻的其他電流所產生的電量。電力系統任何每個環節均有可能產生，并且極難避免諧波，可以說人們的日常生活中不時要與它“接觸”。當諧波電流達到一定程度時電壓也會產生諧波，因為諧波阻抗的存在，如果對于強電網的情況，即使電流畸變，PCC電的電壓也畸變很小，但是對于弱點網的情況，電流畸變，電壓就會畸變，從而產生諧波。諧波因為定義較為寬泛，也存在一些次級稱呼，比如分數諧波。

傅里葉級數的思想告訴我們可以把大多數的周期信號分解為多個正弦信號和直流分量的和，其中，直流分量是一個恒定的常數（可能為0），而這些正弦信號的頻率，最低的是等于這個周期信號自己頻率的，稱作基波分量，這個頻率稱作基波頻率，其他正弦信號的頻率則是這個頻率的正整數倍，稱作諧波分量，他們的頻率稱為諧波頻率，所以稱之為2次諧波、3次諧波。

與其相似的概念是泛音，就是物理學上的諧波，泛音原理是駐波是物體局部振動產生的。一根弦分成四段分別進行振動。這四段的振動頻率是一樣的通俗的講，第一泛音比基頻高八度，其他泛音就是三倍基頻，四倍基頻，等等。泛音和諧波轉換為數學圖形來看，兩者是完全一致的

實際生活中，諧波產生的原因，總結起來，如以下幾點：發電源頭質量低下，輸配電系統自電力變壓器在實際運行中不可避免地產生，最多的諧波來自于晶閘管可控硅整流設備的泛用，這種可控的導電開關深入普通人民的生活中。產生的原因復雜多變，這也是其難以治理的根本原因。

2 諧波對電能計量的影響概述

電能計量是整個電網經濟整個工程的基底，其精度關系到政府與人民，或者說供需兩方的利益，牽扯的利害關系眾多。而由于一個自然現象的諧波，讓精度出現誤差，這是供用電雙方的一個都要面臨的問題。隨著現代科技的發展，國家電網污染日趨嚴重，電能表是否真實地反映非線性用戶的用電量這是一個比較緊要的課題。

具體來看，首當其沖的影響就是電能計量的準確度，家用的一般都是單相表，國家電網公司和南網電網公司的要求一般都是2級單相表，2級的意思是誤差不超過2%，也就是說一戶人家走100度電，只要電表計量在98-102之間都是沒什么問題的。單相表，或者說電子式電能表主要采用模擬式分割乘法器實現測量電功率和電能。隨著電力系統諧波含量的不斷增加，電子式電能表在諧波下的計量不可避免地出現誤差，也就是我們常常提到的兩個概念：頻譜泄漏是沒有截取整數倍周期信號造成的，這時候頻譜會受到截斷窗頻譜的卷積，可以類比為通過了一個信道，其沖激響應導致頻譜尖峰模糊不清，頻譜泄露就是分析結果中，出現了本來沒有的頻率分量。簡而言之就是分析結果與實際不一致。柵欄效應是“頻率分辨力不夠”的別稱，本質上是信息量不足的問題，一般由采集頻率過低產生，這和如何截取信號無關。解決方案是要么增加數據量，要么提供先驗信息柵欄效應只能看到一些頻率點上的值，但不一定是真實的信號頻率值。

此外，感應式電能表，即傳統的機械表，利用電磁感應原理將電壓，電流和相位轉換為磁矩，并推動鋁盤旋轉，盤（蝸桿）的軸驅動齒輪傳動表的鼓，轉動車輪和旋轉的過程是累積時間量的過程，這也在我國在中西部地區得到廣泛的使用。

在生活中，一些比較明顯的影響比如：加速電力變壓器老化，變相地縮短了變壓器的使用壽命使用時長；斷路器過載，由于諧波電流在導體表面流動，引起導體發熱，使開關的容量實際降低，造成經常性莫名地跳閘；還有就是對變電所的繼電保護產生干擾，造成局部停電事故，這個發生的頻率降低，相關部門有一定的防護措施；干擾通訊影響通訊網絡通訊系統，當下網民數量攀升，使用頻率高，諧波的存在極其容易造成網絡波動，最后就是一些常用的的家庭電器。

3 關于消除諧波的不利影響的幾點建議

消除諧波就是只剩下基波，使其無法疊加為原信號，但這其實是不可能實現的，理論上來講，不惜巨額資金投入，將所有可能出現的諧波都做上足夠容量的濾波器，且是實時的動態濾波，才能夠實現完全消除諧波，但事實上是不可能的，排除巨額資金的問題，就是諧波本身也無法得知?，F在所說的動態補償，一般有10毫秒以上的反應時間，而諧波是實時變化的。所以我們談及消除影響的建議時，一般會選擇以盡量減輕為主，以下為建議：

首先，根據國際電機工程協會非正弦工作組的推存，建議對有電壓或電流波形畸變的用戶采用原理先進的數字電能表計量；根據其實際測試情況可采取裝設濾波裝置等其他對應的措施，保證諧波含量降到最低的標準，減少諧波對電能計量的影響減輕諧波對家用電氣設施的損害。

其次，利用諧波電表，理論上來講，它能夠專門對諧波進行準確的計量，我國的諧波電表還處在試用初入電網的階段，相比國際上的同類產品，還有著階段性的差距，不僅涉及到電能計量，同時也與諧波功率因數計算技術相關，此項目尚在起步階段，如若有所成就，必定能對諧波污染的治理有巨大的推進作用。

最后則是推進風電光伏發電等清潔能源項目，電網污染嚴重且并非一日之功，在深度治理的措施下也要拓寬思路，打開新的治理方法，以上方法避免了線性用戶因被多計諧波電能而遭受經濟損失同時避免了非線性用戶計量負的諧波電能從而讓人民少承擔部分電費，達到最終的目的。

4 結束語

諧波是實時出現的，并且產生原因和很多因素有關，如和電源質量、用電設備本身的狀態的微小改變等等。使用的濾波設備本身的精度限制，也不可能將諧波無誤差的測量出來，所以治理諧波的工程還是需要期待于現代科技的進一步發展。