諧波下的電能計量及電能質量分析方法

呂洪

摘要：目前，電能計費按傳統定義下的有功功率計算電量及功率因數調整電費的方式。為有效計量電能，必須考慮到電網和牽引供電系統中電能質量的干擾因素，比如負序、諧波、無功等。目前電能計量方面關于無功功率、功率因數的研究相對較少。非線性不平衡系統下的功率定義仍然存在爭議，原有電能計量方法應用在負序、諧波環境中的科學性和合理性仍需研究。

關鍵詞：諧波;負序;電能計量方式;功率因數;電費

一、現行功率因數計量方法

電力企業對用戶實行依據功率因數的高低調整電費的辦法，鼓勵用戶采取措施，提高功率因數，即對電力用戶進行功率因數考核，達到規定功率因數考核標準的扣減電費，反之增收電費。目前，功率因數沿用傳統功率理論定義，利用用戶在一定期間內有功和無功負載的累積量來計算用戶的平均功率因數。按原水利電力系統和國家物價局頒布的《功率因數調整電費辦法》（83）水電財字第215號）規定160kV*A以上的高壓供電工業用戶功率因數不小于0.9。目前電力系統考核電氣化鐵路功率因數的計算方法包括無功返送不計和無功返送正計兩種方式。

二、負序、諧波條件下的功率因數計量方法

為分析牽引供電系統電能計量方式的合理性，首先要確定視在功率和功率因數的定義。考慮到諧波和負序條件下，部分傳統功率理論已經不再適用，本文對IEEEStd1459-2010收錄的幾種功率定義進行合理性分析。由于牽引供電系統不含零序分量，因此本文僅探討負序、非零序諧波分量的負載情況。

（一）單相系統

考慮不同負載情況下的瞬時電壓和電流表達式。不同負載情況下的視在功率計算結果列于表1。

表1中SB為Budeanu功率理論中定義的視在功率，S1459為IEEEStd1459-2010推薦的視在功率定義。當單相系統中存在諧波影響時，傳統功率理論不再適用，S1459的計算結果已被廣泛接受。雖然SB和S1459在單相非正弦的計算結果相同。其中，有功功率P為全波有功功率之和，無功功率QB等于全波無功功率的總和。無功功率QB雖然遵循能量守恒定律，但存在物理意義不明的缺陷。無功功率定義的缺陷影響了失真功率DB，失真功率的物理意義不明，無法表示電流波形的實際畸變程度。傳統功率因數不隨諧波分量的增大而減小，無法體現諧波分量的影響，而Budeanu功率因數和IEEEStd1459-2010功率因數的計算結果說明諧波分量增大，功率因數降低，這與理想情況相符。

（二）三相系統

首先，非正弦不平衡系統的功率因數計量方法。在實際牽引供電系統中，無功、負序和諧波問題一般是同時存在的，因此需要確定非正弦不平衡條件下的功率定義。由于算術視在功率定義和矢量視在功率定義均由Budeanu功率理論衍生，因此兩種定義下的功率因數存在不合理性。

三、仿真分析

根據功率定義，分析電能計量方式的合理性，在Matlab/Simulink軟件中搭建仿真模型對電網和牽引負荷進行驗證。由于在牽引供電系統中，電力系統通過牽引變壓器為接觸網供電，機車負載通過受電弓取電后由牽引變流器進行電能轉換，保證機車在網壓波動時也能以給定速度運行。因此，本文搭建了相應的牽引變流器模型模擬鐵路真實負荷情況，仿真模型示意如圖2所示。

投切恒有功功率不平衡負載。投切的負載不平衡度越大，負序的變化也越明顯。利用仿真模型，在固定參數下改變恒有功功率牽引負載的不平衡度，對比分析4種計量方式的結果。

四、實測數據分析

（一）變電所電能質量

對牽引供電系統供電電壓的基本情況進行初步分析。根據GB/T15543-2008規定，電力系統公共連接點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。據此對所給三相電壓數據進行統計計算，得到三相電壓不平衡度95%概率大值為0.36%，未超過國標規定的限值。國標規定110kV及以上電壓等級的奇次諧波電壓含有率不超過1.6%，偶次諧波電壓的含有率不超過0.8%。

（二）視在功率和功率因數計算

實測數據的負序和諧波問題總是同時存在的，為便于對比非正弦不平衡條件下各功率定義的計算結果，將變電所24h觀測的28800個數據按順序分成10組，每組包含2880個數據，取其平均值作為最終的計算結果準確劃分負序和諧波責任是解決電能計量問題的前提，通過以上分析可知，利用等效功率因數調整電費緩解了負序和諧波情況下電能計費不合理的問題。

五、結論

簡而言之，不對稱負載會增加電網損耗，傳統功率因數無法體現負序分量的影響;根據獎懲機制，負載的不平衡度越高應計入的電費越多，采用等效視在功率因數調整電費方式比傳統功率因數更合理;其次，傳統功率因數未考慮諧波的影響，等效視在功率因數隨諧波含有率的增加而減小;最后，實測數據綜合考慮了諧波和負序的影響，計算結果表明等效視在功率因數最低，傳統功率因數最高2。

參考文獻：

[1]水利電力部，國家物價局。功率因數調整電費辦法[Z4].北京：水利電力部，國家物價局，2018.

[2]王月志.電能計量技術[M].北京：中國電力出版社，2017.

[3]賈秀芳，佟子娟，曹東升，等.諧波電能分攤的合理計量方法[J].華北電力大學學報，2016，43（6）：60-66.