諧波下的電能計量及電能質(zhì)量分析方法

呂洪

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

關(guān)鍵詞：諧波;負序;電能計量方式;功率因數(shù);電費

一、現(xiàn)行功率因數(shù)計量方法

電力企業(yè)對用戶實行依據(jù)功率因數(shù)的高低調(diào)整電費的辦法，鼓勵用戶采取措施，提高功率因數(shù)，即對電力用戶進行功率因數(shù)考核，達到規(guī)定功率因數(shù)考核標(biāo)準(zhǔn)的扣減電費，反之增收電費。目前，功率因數(shù)沿用傳統(tǒng)功率理論定義，利用用戶在一定期間內(nèi)有功和無功負載的累積量來計算用戶的平均功率因數(shù)。按原水利電力系統(tǒng)和國家物價局頒布的《功率因數(shù)調(diào)整電費辦法》（83）水電財字第215號）規(guī)定160kV*A以上的高壓供電工業(yè)用戶功率因數(shù)不小于0.9。目前電力系統(tǒng)考核電氣化鐵路功率因數(shù)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(shù)計量方法

為分析牽引供電系統(tǒng)電能計量方式的合理性，首先要確定視在功率和功率因數(shù)的定義。考慮到諧波和負序條件下，部分傳統(tǒng)功率理論已經(jīng)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(tǒng)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(tǒng)

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(jié)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(dāng)單相系統(tǒng)中存在諧波影響時，傳統(tǒng)功率理論不再適用，S1459的計算結(jié)果已被廣泛接受。雖然SB和S1459在單相非正弦的計算結(jié)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(tǒng)功率因數(shù)不隨諧波分量的增大而減小，無法體現(xiàn)諧波分量的影響，而Budeanu功率因數(shù)和IEEEStd1459-2010功率因數(shù)的計算結(jié)果說明諧波分量增大，功率因數(shù)降低，這與理想情況相符。

（二）三相系統(tǒng)

首先，非正弦不平衡系統(tǒng)的功率因數(shù)計量方法。在實際牽引供電系統(tǒng)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(shù)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(shù)存在不合理性。

三、仿真分析

根據(jù)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(wǎng)和牽引負荷進行驗證。由于在牽引供電系統(tǒng)中，電力系統(tǒng)通過牽引變壓器為接觸網(wǎng)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(zhuǎn)換，保證機車在網(wǎng)壓波動時也能以給定速度運行。因此，本文搭建了相應(yīng)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(shù)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(jié)果。

四、實測數(shù)據(jù)分析

（一）變電所電能質(zhì)量

對牽引供電系統(tǒng)供電電壓的基本情況進行初步分析。根據(jù)GB/T15543-2008規(guī)定，電力系統(tǒng)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(jù)此對所給三相電壓數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(biāo)規(guī)定的限值。國標(biāo)規(guī)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(shù)計算

實測數(shù)據(jù)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(jié)果，將變電所24h觀測的28800個數(shù)據(jù)按順序分成10組，每組包含2880個數(shù)據(jù)，取其平均值作為最終的計算結(jié)果準(zhǔn)確劃分負序和諧波責(zé)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(shù)調(diào)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(jié)論

簡而言之，不對稱負載會增加電網(wǎng)損耗，傳統(tǒng)功率因數(shù)無法體現(xiàn)負序分量的影響;根據(jù)獎懲機制，負載的不平衡度越高應(yīng)計入的電費越多，采用等效視在功率因數(shù)調(diào)整電費方式比傳統(tǒng)功率因數(shù)更合理;其次，傳統(tǒng)功率因數(shù)未考慮諧波的影響，等效視在功率因數(shù)隨諧波含有率的增加而減小;最后，實測數(shù)據(jù)綜合考慮了諧波和負序的影響，計算結(jié)果表明等效視在功率因數(shù)最低，傳統(tǒng)功率因數(shù)最高2。

參考文獻：

[1]水利電力部，國家物價局。功率因數(shù)調(diào)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(shù)[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(xué)學(xué)報，2016，43（6）：60-66.