諧波背景下電能計(jì)量系統(tǒng)的誤差分析

廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司市場(chǎng)營(yíng)銷部 何 藝

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，諧波的產(chǎn)生是不可避免的，且其會(huì)對(duì)電能采集、計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致誤差問題的產(chǎn)生。電能表是電力系統(tǒng)電能計(jì)量基本設(shè)備，對(duì)于供電、用電雙方而言，電能計(jì)量結(jié)果是經(jīng)濟(jì)結(jié)算的重要依據(jù)，因此加強(qiáng)電能計(jì)量系統(tǒng)誤差控制具有重要意義。

1 諧波概述

諧波概念。電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的運(yùn)用越來越多，難免產(chǎn)生大量的諧波，以致于系統(tǒng)電壓、電流波形產(chǎn)生嚴(yán)重畸變?；兊碾妷骸㈦娏鞯拇嬖?，也將直接導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，給電能劑量帶來諸多影響。諧波（harmonic wave）嚴(yán)格意義上指的是電流中含有的頻率為基波整數(shù)倍的電量，通常對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。廣義上交流電網(wǎng)有效分量是工頻單一頻率，由此與工頻頻率不同成分均可稱為諧波，可分為分?jǐn)?shù)諧波、間諧波、次諧波等[1]。諧波產(chǎn)生原因有正弦電壓加壓于非線性負(fù)載（非線性負(fù)載指UPS、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等）、基波電流發(fā)生畸變。

諧波危害。若不考慮外部影響，電網(wǎng)中的供電電壓頻率和幅值均為固定不變的。根據(jù)我國(guó)工程的相關(guān)資料顯示，當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)高次諧波時(shí)，即使當(dāng)前系統(tǒng)為穩(wěn)定狀態(tài)且負(fù)載均衡，也會(huì)因中線中有電流帶入造成運(yùn)行故障。諧波的出現(xiàn)對(duì)于電力系統(tǒng)的負(fù)面影響主要體現(xiàn)在：對(duì)電網(wǎng)環(huán)境的破壞。電流、電壓等參數(shù)的突然變化會(huì)引發(fā)電力設(shè)備局部發(fā)熱等問題，也對(duì)電力系統(tǒng)的使用周期造成影響，不利于系統(tǒng)的安全運(yùn)行；不利于電力設(shè)備的安全運(yùn)行。諧波的出現(xiàn)會(huì)引發(fā)電擊諧振等現(xiàn)象，影響電力設(shè)備的精確性，不利于儀器的精準(zhǔn)測(cè)量，電力數(shù)據(jù)誤差大也會(huì)造成系統(tǒng)管理混亂[2]；影響周邊區(qū)域內(nèi)通信線路的穩(wěn)定運(yùn)行。突出表現(xiàn)為通信質(zhì)量下降，甚至引發(fā)通信設(shè)備故障、損壞，同時(shí)也不利于生物的生存。

2 諧波對(duì)電能計(jì)量的誤差影響

電能表是電能計(jì)量基本設(shè)備，在電力系統(tǒng)中運(yùn)用廣泛。電能計(jì)量表主要基于兩大原理：一是感應(yīng)式，主要是根據(jù)工頻正弦波設(shè)計(jì)，基本不考慮諧波影響；二是電子式，通過濾波計(jì)量基波功率。諧波對(duì)電能計(jì)量的誤差影響具體分析如下。

2.1 感應(yīng)式電能表

感應(yīng)型電能表測(cè)量功率，主要是以電流、電壓在表計(jì)線圈中的正弦交變磁場(chǎng)為依據(jù)，轉(zhuǎn)動(dòng)的鋁盤可感應(yīng)不同相位空間渦流，并由此帶動(dòng)計(jì)數(shù)器走度。傳統(tǒng)感應(yīng)型電能表是基于工頻正弦波條件下進(jìn)行準(zhǔn)確度檢驗(yàn)，在計(jì)量中并未考慮直流、諧波等因素。然而在實(shí)際運(yùn)行中，電能表所處電力系統(tǒng)不可能只有工頻正弦波，支流分量可能導(dǎo)致電能表內(nèi)電磁線圈鐵芯飽和，線圈磁場(chǎng)產(chǎn)生畸變?cè)斐射X盤轉(zhuǎn)動(dòng)力矩受到制動(dòng)，計(jì)數(shù)失準(zhǔn)；鐵芯中，高次諧波會(huì)產(chǎn)生高頻磁通，直接干擾基波產(chǎn)生的工作磁通，以致于鋁盤高頻微顫，計(jì)量誤差增大[3]。

感應(yīng)式電能儀表整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、安全性高、成本低，同時(shí)其使用便捷、使用年限較長(zhǎng)，性價(jià)比較高，是電力公司中較為普遍的電能計(jì)度儀表類型。該設(shè)備在頻率略窄的頻帶中應(yīng)用效果最佳，但隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的日益復(fù)雜，外部的負(fù)面影響因素增多，供電網(wǎng)內(nèi)波形畸變出現(xiàn)頻率提高，造成電能儀表的測(cè)量精度降低，因電能計(jì)量誤差大造成了電力公司巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至損害了用戶的利益。

2.2 電子式電能表

電子式電能表基本結(jié)構(gòu)如圖1，其中乘法器是關(guān)鍵器件，常見的為模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩種，數(shù)字乘法器可繼續(xù)分為：硬件乘法器。由移位寄存器、加法器組成，通過時(shí)序控制，根據(jù)乘法（0或者1）決定累加和右移，運(yùn)算速度較快，需要額外的硬件電路；軟件乘法器。通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換電流、電壓數(shù)據(jù)，利用乘法指令實(shí)現(xiàn)數(shù)字量相乘，運(yùn)算速度相對(duì)較慢，可使用CPU 自帶的乘法器、加法器，有利于節(jié)約硬件成本。

圖1 電子式電能表基本結(jié)構(gòu)圖

目前技術(shù)條件下電子式電能表得到了普遍運(yùn)用，電壓、電流分別施加于采樣元件上，兩大參數(shù)同步采樣并同時(shí)輸入乘法器。在實(shí)際運(yùn)行中，負(fù)載電壓、電流均在濾波處理后方輸入采樣元件，乘法器計(jì)算的是工頻正弦電壓、電流信號(hào)。由此，傳統(tǒng)電子式電能表未考慮諧波分量所致的誤差。

現(xiàn)階段我國(guó)電能計(jì)量中主要采用電子式電能表，與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表相比，由于電能表內(nèi)未設(shè)置轉(zhuǎn)盤，以微電子電路為基礎(chǔ)，電能計(jì)量更加精確、可靠[4]。下文主要圍繞電子式電能表對(duì)誤差自動(dòng)檢測(cè)與修正展開分析，諧波未消除的情況下電能計(jì)量無法達(dá)理想狀態(tài)?；诖?，改善諧波對(duì)于表計(jì)精確度的影響具有必要性：其一，這是供電企業(yè)遵循市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律的必要措施；其二，實(shí)現(xiàn)電力費(fèi)用的科學(xué)管理，合理保護(hù)客戶利益。

3 諧波背景下電能計(jì)量系統(tǒng)的誤差控制建議

基于諧波背景下，必須精確分析出計(jì)量裝置安裝處的諧波并進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，主要采用誤差自動(dòng)檢測(cè)方法，通過不斷提高誤差檢測(cè)準(zhǔn)確率獲得良好的誤差控制效果[5]。本文針對(duì)此提出一種電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差自動(dòng)檢測(cè)方法，具體分析如下。

3.1 誤差自動(dòng)檢測(cè)方法

針對(duì)諧波來源設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，獲取電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差數(shù)據(jù)。為提高電能計(jì)量系統(tǒng)運(yùn)行誤差檢測(cè)精確性，采用小波變換法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。小波基函數(shù)ψa,b計(jì)算公式如下：

式中a 為連續(xù)小波變換尺度，a 值越大則對(duì)應(yīng)頻率越高；t 為平移參數(shù)；b 為初始值。a、t 限定在一定離散點(diǎn)上取值，離散小波變換函數(shù)計(jì)算公式式中j、k 為a、t 所限定的離散點(diǎn)。通過上述兩個(gè)公式可得函數(shù)f(t)的離散小波變換Cj,k計(jì)算公式：基于上述過程完成數(shù)據(jù)小波變換，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)諧波狀況、諧波影響下電能計(jì)量裝置運(yùn)行誤差檢測(cè)樣本的高質(zhì)量數(shù)據(jù)采集。

誤差數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。將獲取誤差數(shù)據(jù)經(jīng)由GPRS 網(wǎng)絡(luò)輸入處理中心，獲取誤差自動(dòng)監(jiān)測(cè)結(jié)果；監(jiān)測(cè)結(jié)果傳輸至顯示器/客戶端，供相關(guān)人員查看。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

本文以某諧波條件下電能計(jì)量裝置運(yùn)行情況為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，采用MATLAB 仿真平臺(tái)模擬，具體測(cè)試環(huán)境如下：諧波輸出。輸出裝置為濾波電感濾除逆變器，電感值（mH）5、50、100；變壓器。容量(MVA)250/250/60，電壓組合(kV)525/230/35，短路阻抗（高-中14.51%、高-低53.32%、中-低33.59%），負(fù)載損耗（高-中345.58kW、高-低76.13kW、中-低72.32kW），空載損耗65.02kW，空載電流0.036%；電機(jī)。額定工作電壓220V，額定工作頻率50Hz，電機(jī)參數(shù)為Simulink 設(shè)定的默認(rèn)值，通斷占空比55%。

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。隨機(jī)選取10個(gè)樣本測(cè)試運(yùn)行狀況，其檢測(cè)效率與檢測(cè)準(zhǔn)確率具體測(cè)試結(jié)果分別為：91%、93%；94%、90%；87%、87%；90%、80% ；89%、85% ；95%、93% ；91%、83% ；85%、80%；93%、95%；87%、84%。

結(jié)果分析：與傳統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)方法相比，本實(shí)驗(yàn)中采取的誤差檢測(cè)方法精確度高于80%，且檢測(cè)時(shí)間相對(duì)較短，可實(shí)際運(yùn)用中操作性較強(qiáng)，具有較大的推廣運(yùn)用價(jià)值；完成誤差檢測(cè)后可采取誤差補(bǔ)償控制方法完成誤差修正，提高電能表計(jì)量準(zhǔn)確性?；谥C波背景下，電能計(jì)量系統(tǒng)誤差修正方法主要有判決反饋修正方法、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)修正方法、隨機(jī)補(bǔ)償修正方法，結(jié)合濾波、信號(hào)調(diào)制方法有效控制計(jì)量誤差。

綜上，基于含諧波背景下如何有效提高電能計(jì)量的精確性已成為一個(gè)關(guān)鍵性問題，其直接關(guān)系到發(fā)電廠、供電企業(yè)、電力用戶等多方利益。我國(guó)主要電能計(jì)量裝置可分為感應(yīng)式、電子式兩種，尤以后者的運(yùn)用越加廣泛，電能計(jì)量精確性相對(duì)較高。為有效控制諧波所致的計(jì)量誤差，在電子式電能表設(shè)置時(shí)應(yīng)配備誤差自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)諧波誤差的實(shí)時(shí)采集與分析，并選用合適的誤差補(bǔ)償控制方法進(jìn)行誤差修正，切實(shí)提高電能表計(jì)量精確性，為電力系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展保駕護(hù)航。