諧波條件下電能計量誤差量化分析

楊銘海

（國網山東省電力公司平邑縣供電公司，山東 臨沂 273300）

諧波條件下電能計量誤差量化分析

楊銘海

（國網山東省電力公司平邑縣供電公司，山東 臨沂 273300）

作為電網經濟核算的重要依據，電能計量涉及用電、供電以及發電三方面經濟利益。隨著用電量與用電功率的增大，電力網絡在非線性負荷電力設備（如整流器、逆變器、變頻器開關電源與UPS等）大量接入后使得電力系統電流與電壓波形發生畸變（即產生諧波），致使電能計量科學性與準確性降低。基于此，本文以諧波環境下電能計量誤差為研究對象，以提升電能計量準確性為研究目的，以實現發、供、用三方和諧發展為研究意義，展開量化論述，具有一定的推廣價值。

電能計量；諧波影響；計量誤差；量化分析

諧波指標作為電能質量評價的重要參數之一，其總體來講是一種不可消除的因素，只要系統運行便會產生。所謂諧波，是指在交流電網有效分量為工頻單一頻率狀態下與工頻頻率不同的所有成分，其不僅會造成電能生產、輸送與應用過程效率下降，同時還會引起繼電器失靈甚至電能計量設備誤差擴大，結果嚴重失真。因此，加強諧波條件下電能計量誤差的量化研究，使其更好的服務于電力系統的發展，具有重要意義。

1 供電系統諧波來源分析

1.1 熔煉爐與電弧爐

采用電弧爐煉鋼主要是利用熔化的金屬爐料與電極之間的電弧放熱來實現的，該過程中因極間介質反復且不規則的斷路或開路而使電弧極穩定性下降，進而造成電弧爐熔化期因負荷極不穩定而產生較大的諧波電流，同時存在電壓閃變與波動；感應熔煉爐則是由于采用相控方式而使工作電流大多呈現出非正弦周期變量，其中帶有大量的高次諧波。

1.2 電力機車和電氣化鐵道

運行于電氣化鐵道上的電力機車是目前電力系統一類重要的不對稱非線性負荷，而對于某個固定的牽引變電所而言，運行中的電力機車又為一個隨意的變動負載；對于牽引變壓器低壓側電壓與電流而言，由于電鐵的電力牽引單相整流機車會使其發生畸變，因此會產生大量的高次諧波分量通過牽引變壓器高壓側注入電力系統。

1.3 計算機負載

隨著現代社會計算機使用頻率的增加，諸多計算機大用量場所（如網吧、現代化辦公樓與股票交易所等）則會產生相對較大的負荷，由于相對電力系統而言，計算機的開關電源為非線性負荷，因此在大量使用過程中會形成一定的諧波。

1.4 換流器與變壓器

隨著硅換流設備在電力系統中各種不同服務、不同類型、不同目的以及不同容量等廣泛使用，其在交、直流轉換過程中會在交流側產生大量的高次諧波，且在電力系統中換流設備為諧波的主要來源；作為引起電力系統諧波產生的另一重要原因，變壓器磁化特性的非線性所產生的諧波與變壓器的工作狀態關系密切，變壓器的勵磁電流中主要含有3、5、7次諧波電流。

2 電力諧波的危害分析

2.1 產生附加損耗，增加設備溫升

盡管諧波電流與基波電流相比所占比例不大，但因趨膚效應（又稱集膚效應）增大了設備的有效電阻，隨之增大了有鐵芯設備中鐵芯渦流損耗與磁滯損耗，致使其增加溫升，特別是對局部發熱點，溫升增加更加明顯，使設備加速絕緣老化。另外，當電壓畸變波形出現尖頂波時，還因局部放電強度的增大而降低絕緣壽命，從而縮短了設備的使用壽命。除此之外，電力諧波還會因供、輸、發電設備附加損耗的產生而導致網損增大，降低設備的使用效率。

2.2 造成電氣設備的機械振動

在諧波電流與電機旋轉磁場的相互作用下，其所產生的脈動轉矩極有可能造成電機發生振動，當脈動轉矩激發到電機機械系統的自然頻率時，其則會因共振的產生而引起局部過電壓與轉子過熱，進而造成電機機械振動與產生噪音，在縮短電氣設備使用壽命的同時對人身安全造成威脅。

2.3 引起無功補償電容器組諧波電流的放大

電容回路與局部電感由電力系統中的電感和無功補償電容構成，該組合形式下因串聯諧振與并聯諧振的產生而對某次諧波電流可能起到放大作用，進而加劇了對系統的危害。而且當其構成局部諧波回路頻率相近于系統中存在的某次諧波頻率時，則會因過電壓與過電流的產生而增加系統危險性。

除以上危害外，電力諧波的產生還會給通信系統造成干擾，增加電力運行的投資成本及引起電能計量裝置計量誤差等。

3 諧波對電子式電能表計量的影響分析

3.1 誤差特性理論分析

（1）輸入電壓特性。由于時分割乘法器功能的發揮主要是靠場效應管開關與運算放大器等電子電路來實現，因此其誤差隨著輸入電壓的變化而呈現出非線性趨勢。（2）輸入頻率特性。時分割乘法器因較為穩定的頻率特性而在很寬頻率范圍內幾乎不會受到影響。（3）溫度特性。先進大規模集成電路在現代時分割乘法器中的應用，使得溫度即使在-40～85°范圍變化時仍可忽略時分割乘法器誤差的變化，溫度特性表現良好。

實際應用過程中，經過采樣與乘法器的被測電流、電壓會引入一個相位偏移，此時電能計算公式表示為：

式中：I′為實測電流幅值；U′為實測電壓幅值。則有

由此可知，在經過轉換器、時分割乘法器與輸入電路后，電子式電能表在電流與電壓之間存在一個位偏移，而且幅值也存在一個誤差（與乘積相關）。

3.2 頻率特性理論分析

試驗發現，就頻率特性而言，感應式電能表隨著諧波次數的增加衰減現象嚴重，而電子式電能表則隨著諧波次數的增加其幾乎無衰減現象，表現出較為平坦的變化趨勢，該現象說明電子式電能頻率響應較寬。其原因主要表現為：

電子式電能表在諧波存在情況下t時間內電能計量值為：

當系統中電流或電壓信號僅發生其中一個畸變時，由三角函數正交性分析可知，電子式電能表會表現出變化極小的測量誤差；當電流與電壓信號均發生畸變時，電子式電能表仍表現出較小的測量誤差。由此可見電子式電能表對基波與諧波具有相同的響應，頻率特性較寬。

3.3 諧波對電子式電能表計量準確性的影響

實際測量過程中，電網電流與電壓的強電信號通過輸入電路轉換為弱電信號并送入電能表。當輸入電路呈非線性特性時，畸變波形通過后（采樣）所得到的電流與電壓則會發生畸變，從而導致被測信號失真，因此被測信號的準確性在一定程度上受輸入電路準確度的影響。作為電能計量的核心元件，乘法器內部結構的組成主要為模擬器，該情況下則會放大測量誤差，因此，造成電能計量誤差產生的主要部件為乘法器。

在不同的諧波指標下，對電子式電能表計量準確性的影響因產生誤差的差異而表現不同，但以計量方式分析，電子式電能表計量過程中對于流入電能表現誤差較小，對諧波下的總電能值能夠做出很好的反映。

4 結語

（1）實施電能選擇性計量。利用數模轉換器將電壓與電流信號轉化為數字形式，其后將相應總功率通過數字化計算得出后實施相位校正。對于基波功率與諧波功率而言，如果二者方向相同，只對基波電能進行計量；如果二者方向不同，則需計量電能總和。（2）利用寬頻功率電能表與基波電能表的配合使用，二者協同作用在測量諧波潮流大小、方向的同時又能對基波功率進行計量，達到了準確計量基波電能與諧波電能的目的。（3）對于基波電能與諧波電能的計量采用分頻技術，利用電能費用措施懲罰部分增加的諧波電能，獎勵消耗或吸收諧波電能的舉措，以此抑制諧波源的擴散，降低諧波源數量，減小對電能計量的影響。（4）引進單頻協濾波器、雙頻濾波器或高階低通濾波器于供電系統中，在過濾掉電能表的高次諧波后只對基波功率及其消耗的電能進行記錄。該方式實施相對簡單，且可保住線性負載用戶，進而減少了供電企業在電費方面的損失。（5）引進大變頻電能表于供電系統中，以此準確計量線性負載基波功率，但該方法對非線性負載用戶不適用。

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