諧波對電子式電能表計(jì)量的影響分析研究

王龍森　趙　龍

摘要:文章主要對諧波對電子式電能表計(jì)量的影響進(jìn)行了分析研究,諧波產(chǎn)生的根本原因是電力系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性,即所加的電壓和所產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電網(wǎng)反饋高次諧波,導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變,使電能質(zhì)量變壞,因此分析電子式電能表的工作原理及諧波對電子式電能表計(jì)量的影響具有重要意義。

關(guān)鍵詞:諧波;電子式電能表;計(jì)量

中圖分類號:TM711

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-2374(2009)19-0005-02

一、電力系統(tǒng)的諧波問題

(一)諧波的定義

在國際電工標(biāo)準(zhǔn)中定義:“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。由于頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù),我們也常稱諧波為高次諧波,對諧波次數(shù)的定義為:“以諧波頻率和基波頻率之比表達(dá)的整數(shù)”。習(xí)慣上,規(guī)定電力系統(tǒng)工頻為基波頻率。

(二)諧波的產(chǎn)生和主要諧波源

在理想的情況下,優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)應(yīng)該提供具有正弦波形的電壓,但在實(shí)際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形,即產(chǎn)生諧波。我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率)整數(shù)倍的正弦波分量,又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中,諧波產(chǎn)生的根本原因是電力系統(tǒng)中某些設(shè)備和負(fù)荷的非線性特性,即所加的電壓和所產(chǎn)生的電流不成線性關(guān)系。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電網(wǎng)反饋高次諧波,導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變,使電能質(zhì)量變壞。電力系統(tǒng)中的非線性設(shè)備和負(fù)荷都是諧波源,按其非線性特性主要有三大類:(l)電磁飽和型:各種鐵芯設(shè)備,如電抗器等,其鐵磁飽和特性為非線性。(2)電子開關(guān)型:主要是各種交直流換流裝置(整流器、逆變器)以及雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等,它們在冶金、礦山、電氣鐵道等大量工礦企業(yè)中被廣泛使用,晶閘管整流裝置采用移相控制,從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波,從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波,顯然在留下部分中含有大量的諧波,經(jīng)統(tǒng)計(jì),由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%。(3)電弧型:各種煉鋼設(shè)備,電弧焊機(jī)等,如在電弧爐中由于加熱原料時(shí)三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料,使得燃燒不穩(wěn)定,引起三相負(fù)荷不平衡,產(chǎn)生諧波電流,經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。

(三)諧波的危害

諧波對電力系統(tǒng)是有害的,其主要危害包括:(1)增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗,諧波電流頻率是基波頻率的整數(shù)倍,高頻電流流過導(dǎo)體時(shí),由于“集膚”效應(yīng)的作用,使導(dǎo)體對諧波電流的電阻增加,從而增加了設(shè)備的損耗,使設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重。(2)影響繼電保護(hù)和自動裝置的動作和可靠性,由于按負(fù)序(基波)量整定的保護(hù)裝置,整定值小、靈敏度高,如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再疊加上諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧爐等諧波源還是負(fù)序源)則會引起發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)誤動(若誤動引起跳閘,則后果嚴(yán)重)、變電站主變的復(fù)合電壓啟動過電流保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動、母線差動保護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動,嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。(3)干擾通信系統(tǒng)工作,電力線路上流過的幅值較大的奇次諧波電流經(jīng)過磁場禍合,會在臨近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓,干擾通信系統(tǒng)工作。(4)影響測量表計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)量,其實(shí)諧波的危害不僅表現(xiàn)在工程上,而且表現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)上,比如增加電力固定成本;諧波會造成電能計(jì)量裝置的誤差,影響電力公司收入與其他公司的成本。

二、電子式電能表的工作原理

(一)基本原理

電子式電能表是在數(shù)字功率表的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它采用乘法器實(shí)現(xiàn)對電功率的測量,乘法器是用來完成兩個(gè)電量電壓、電流相乘運(yùn)算的器件,是電子式電能表的核心,它的準(zhǔn)確度將直接影響著電能表的精度。乘法器主要有模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩大類,根據(jù)所采用乘法器的不同,可以將電子式電表進(jìn)一步劃分為兩類。

(二)功能組成

基于模擬乘法器的電子式電能表的功能組成包括以下幾個(gè)方面:(1)輸入級:電壓信號輸入經(jīng)過精密電阻分壓或通過電壓互感器變換為與被測電壓成正比的低電壓,輸出至乘法器;電流信號常直接通過分流電阻變換為電壓或采用表內(nèi)互感器將大電流變換為乘法器適用的小電流或再將其變換為電壓;為提高表計(jì)抗干擾性能從而增加穩(wěn)定性,各信號輸入回路基本上均采用具有較高準(zhǔn)確度的電壓、電流互感器,使外電路與測量系統(tǒng)在電氣上完全隔離。(2)乘法器:乘法器是實(shí)現(xiàn)將被測電壓、電流相乘,從而轉(zhuǎn)換為功率的器件,是電能表的關(guān)鍵電路。模擬乘法器又分為時(shí)分割乘法器、霍爾乘法器、熱偶乘法器等。時(shí)分割模擬乘法器的制造技術(shù)比較成熟且工藝性好,原理較為先進(jìn),具有更好的線性度,其最突出的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的準(zhǔn)確度級別,可以達(dá)0.01級,主要缺點(diǎn)是帶寬較窄,僅為數(shù)百赫茲。(3)U/f轉(zhuǎn)換器:不同的乘法器后面應(yīng)跟不同的U/f轉(zhuǎn)換器,模擬乘法器輸出的有功功率送給電壓頻率U/f變換(或電流頻率I/f變換)電路,從而產(chǎn)生頻率正比于有功功率的電能脈沖,U/f(或I/f)轉(zhuǎn)換器在極低頻時(shí)誤差較大,為了獲得線性好而且穩(wěn)定的頻率信號,通常是把電壓變換為較高的頻率信號,然后分頻為低頻信號。(4)輸出部分:輸出部分即顯示部分。顯示器顯示電能表所測量的電能,顯示器有字輪計(jì)度器、液晶顯示器(LCD)和發(fā)光二極管顯示器(LED)幾種類型。(5)工作電源:除上述幾部分外,電子式電能表中還包括直流穩(wěn)壓電源,為各部分電子電路的工作提供合適的直流電壓,直流穩(wěn)壓電源由降壓變壓器、整流電路、濾波電路穩(wěn)壓電路等幾部分組成。

三、諧波對電子式電能表計(jì)量的影響分析

(一)電子式電能表的有功計(jì)量方法

電子式電能表計(jì)量有功就是用A/D采樣數(shù)值計(jì)算的方法,實(shí)際上用戶負(fù)荷是不斷變化的,無法快速而精確的測得每個(gè)周期的電壓有效值、電流有效值,以及電壓、電流向量之間的相位差。所以無法直接計(jì)算功率,但功率可由電壓、電流的瞬時(shí)值計(jì)算而得,所以可以通過對電壓、電流瞬時(shí)值采樣的辦法計(jì)算功率,將采樣點(diǎn)電流、電壓相乘相加再乘以采樣周期就是平均電能。這是一個(gè)數(shù)值計(jì)算公式,計(jì)算機(jī)可以輕松完成,關(guān)鍵是如何把交流電壓、交流電流模擬量轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量。實(shí)踐表明引起這種電子式電能表計(jì)量誤差的原因不僅是采樣次數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換精度,主要是由電壓、電流互感器及其后的放大線路元器件分散性造成的幅值誤差和相位誤差。應(yīng)當(dāng)指出,在測量電能量時(shí),電網(wǎng)電壓、電流要經(jīng)測量用互感器轉(zhuǎn)換成弱電信號后才送入電能表,因此測量用互感器的準(zhǔn)確度直接影響著測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度,如果測量用互感器存在非線性,當(dāng)畸變信號經(jīng)過互感器時(shí),互感器對各次諧波成分的轉(zhuǎn)換比例就不一致,從而使被測信號發(fā)生變形。在這種情況下,測量誤差會很大,在波形畸變情況下,互感器的波形變換誤差隨i波次數(shù)的增加而非線性的增大,偶次諧波的波形變換誤差比奇次諧波更大。

(二)電子式電能表的頻率特性

感應(yīng)式電能表隨著高次諧波的增加,頻率特性曲線衰減很嚴(yán)重;而電子式電能表的頻率特性曲線則相對平坦,可近似認(rèn)為沒有衰減,這表明電子式電能表具有較寬的頻率效應(yīng)。當(dāng)電網(wǎng)中的電壓和電流信號只有一個(gè)信號發(fā)生畸變,而另一個(gè)信號仍為正弦波時(shí),根據(jù)正弦函數(shù)正交性可得,電子式電能表在這種情況下,其誤差變化很小。當(dāng)電網(wǎng)電壓和電流都發(fā)生畸變時(shí),由于電子式電能表頻帶較寬,仍可以準(zhǔn)確的計(jì)量諧波功率,電子式電能表把基波功率和所有諧波功率一同計(jì)量。

(三)諧波情況下對電子式電能表的影響

電子式電能表是以總的畸變波形作為基礎(chǔ)來計(jì)算電能,沒有將基波和諧波加以區(qū)分,對線性用戶來說,它計(jì)量的電能為基波電能與諧波電能之和,諧波對線性用戶有害,但其電能也被計(jì)入,多計(jì)量了電能。而對非線性用戶來說,他們產(chǎn)生諧波并將一部分倒流入電網(wǎng),此時(shí)電能表計(jì)量的是基波電能減去倒流入電網(wǎng)的諧波電能。雖然非線性用戶發(fā)出的諧波污染了電網(wǎng),卻少計(jì)了電能,起到了鼓勵用戶向電網(wǎng)注入諧波的作用。顯然,這種計(jì)量方式是不合理的,現(xiàn)有改進(jìn)措施如加前置低通濾波器,濾去除基波外的諧波,只計(jì)量基波電能,對線性用戶來說,無用的諧波電能沒有計(jì)入;對非線性用戶來說,計(jì)量了基波電能,而沒有計(jì)量由基波電能轉(zhuǎn)化來的諧波電能,所以說這種措施也不是很理想。

針對上述情況我們提出了一種改進(jìn)措施,具體措施如下:電流電壓信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后形成采樣數(shù)字信號U(n)和I(n),經(jīng)過相位校正,利用數(shù)字乘法器得到總有功功率;數(shù)字化的U(n)和I(n)通過一個(gè)基波抑制濾波器得到不包含基波成分的電流、電壓信號Uh(n)和Ih(n),利用數(shù)字乘法器計(jì)算出總諧波有功功率Ph,總有功功率和總諧波功率對時(shí)間的積分,得到總電能ES和諧波電能EH。(1)當(dāng)基波功率和諧波功率方向相同時(shí),也就是當(dāng)負(fù)荷為線性負(fù)荷時(shí),只有基波電能對它是有用的,我們只計(jì)量基波電能;(2)當(dāng)基波功率和諧波功率方向相反時(shí),也就是當(dāng)負(fù)荷為非線性負(fù)荷時(shí)我們應(yīng)該計(jì)量基波和諧波絕對值的和。采用上述我們提出的計(jì)量方式,避免了線性用戶因被多計(jì)諧波電能而遭受經(jīng)濟(jì)損失;對非線性用戶,也不會因?yàn)橛?jì)量了負(fù)的諧波電能使用戶少交電費(fèi),而使電力企業(yè)蒙受損失,該計(jì)量方式有助于鼓勵非線性用戶采用諧波處理裝置,減少諧波的產(chǎn)生,有助于建設(shè)“綠色電網(wǎng)”。

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作者簡介:王龍森(1983-),男,陜西安康人,陜西省電力公司安康供電局助理工程師,研究方向:諧波對電能計(jì)量的影響;趙龍(1982-),男,陜西三原人,陜西省電力公司安康供電局助理工程師,研究方向:計(jì)量裝置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。