全波電能表的應(yīng)用探討

【摘要】本文以廣州供電局計(jì)量管理現(xiàn)狀為例，分析了常規(guī)三相電能表在諧波源用戶的計(jì)量中存在的問(wèn)題，并提出試用全波電能表的建議。

【關(guān)鍵詞】全波；諧波；電能表；應(yīng)用

Abstract：Taking the current situation in measure administration of Guangzhou power supply bureau as example，this article analyses the problems of routine three-phase electric energy meter which lying in harmonic consumers’measurement.And propose applying the all waves electric energy meter.

Key words：all waves；harmonic；electric energy meter；application

1.概況

廣州供電局的電能計(jì)量裝置管理，一直按照《DL/T 448-2000電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》、《南方電網(wǎng)電能計(jì)量管理辦法》、《廣東電網(wǎng)公司電能計(jì)量管理辦法》《廣東電網(wǎng)公司電能計(jì)量裝置技術(shù)規(guī)范》和《廣州供電局電能計(jì)量管理辦法》等相關(guān)規(guī)定進(jìn)行I-V類用戶的電能計(jì)量裝置的選配和管理。對(duì)互感器和電能表的選配，只是參照用電容量和用電性質(zhì)配置相應(yīng)精度的互感器和有、無(wú)功電能表，并未考慮諧波的影響。

近幾年，隨著城市現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，諧波的污染呈日益嚴(yán)重的趨勢(shì)。應(yīng)用于地鐵、高速鐵路、煉鋼等領(lǐng)域的各類換流設(shè)備、調(diào)壓裝置、變頻裝置等非線性負(fù)荷的使用都將產(chǎn)生諧波，從而對(duì)電力設(shè)備、電力用戶和通信線路等造成較大的影響。電網(wǎng)中的諧波還會(huì)影響到電能表計(jì)量的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。為此，近年來(lái)，一些電能表廠家相繼研制出了應(yīng)用于諧波工況下的三相多功能電能表，使全波計(jì)量方式成為可能。

2.諧波源頭

非線性用電設(shè)備是造成諧波的根本原因。非線性設(shè)備有電弧爐、弧焊機(jī)、電子整流換流設(shè)備、高壓直流輸電設(shè)備、電氣化鐵道、家用電器以及各種電子節(jié)能控制設(shè)備如開(kāi)關(guān)電源，晶閘管控制設(shè)備如換流設(shè)備、整流器、逆變器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、變頻器等，涉及冶金、公共交通、電氣化鐵路、電信、化工、有色金屬、交通、機(jī)械、汽車制造等行業(yè)的用電客戶。

3.諧波對(duì)計(jì)量裝置的影響

諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，除增加變壓器和電力電路的損耗，可能引起保護(hù)誤動(dòng)外，還會(huì)影響到電能計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性。

電網(wǎng)中的高次諧波主要是由非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的，而高次諧波的產(chǎn)生是要消耗一定電能的，并且諧波功率在流經(jīng)送變電設(shè)備和用電設(shè)備時(shí)也要做功，所以諧波也會(huì)產(chǎn)生有功功率和無(wú)功功率，并產(chǎn)生相應(yīng)的有功電能和無(wú)功電能。從準(zhǔn)確的角度來(lái)考慮諧振波產(chǎn)生的有功電能和無(wú)功電能也需要計(jì)算。

電能計(jì)量裝置通常是按50Hz標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)，供電電壓或負(fù)荷電流中的諧波成分會(huì)影響感應(yīng)式電能表和電子式電能表的正常工作，使其不能準(zhǔn)確計(jì)量。

有諧波源存在時(shí)，該處用戶的電能量記錄本應(yīng)為其吸收的基波電能量加上小部分諧波電能量，而現(xiàn)使用的感應(yīng)式電能表的記錄為其吸收的基波電能量減去小部分諧波電能量，電子式電能表（基波表）只記錄了其吸收的基波電能量，諧波電能量則未能記錄，故諧波能使電能計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差。下面分別分析諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確度的影響。

3.1 對(duì)感應(yīng)型電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響

傳統(tǒng)的電能測(cè)量方法采用電壓、電流的總有效值，測(cè)量功率為P=Vrms×Irms×cosφ，對(duì)于非正弦系統(tǒng)的，，通常使有效值增大。當(dāng)電力系統(tǒng)中有諧波分量存在時(shí)，諧波與基波相迭加，波形就會(huì)發(fā)生畸變，而由于電壓、電流鐵芯導(dǎo)磁率的非線性，在電壓、電流波形發(fā)生畸變時(shí)，磁通并不能相應(yīng)地線性變化。從電工基礎(chǔ)知識(shí)和電能表工作原理可知，只有同頻率的電壓和電流相互作用才會(huì)產(chǎn)生平均功率，電能表也只有同頻率的電壓和電流產(chǎn)生的磁通之間相互作用才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，畸變的波形通過(guò)電磁元件以后，由于磁通不與波形對(duì)應(yīng)變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩不能與平均功率成正比而產(chǎn)生附加誤差。

例如：電壓為基波，電流為3次諧波，結(jié)果瞬時(shí)功率曲線如圖1所示，有功功率為零。

可見(jiàn)，諧波電流并不一定增大有功功率。使用感應(yīng)型電能表計(jì)量非正弦系統(tǒng)電量影響準(zhǔn)確度。

3.2 對(duì)電子式電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響

我們知道瞬時(shí)功率P（t）-v（t）×i（t），諧波情況下的有功功率：

即：

Pav=P0+P1+P2+P3+……

總的畸變波形的有功功率等于直流分量功率、基波功率與各次諧波分量功率之和。總的畸變波形的有功功率的大小決定于基波功率方向與諧波功率方向是否一致。

例如計(jì)算含3次諧波的有功功率：當(dāng)3次諧波電壓與3次諧波電流相位相同時(shí)，瞬時(shí)功率曲線如圖2所示，有功功率為0.5，總的有功功率大于基波有功功率。

反之，當(dāng)3次諧波電壓與3次諧波電流相位相反時(shí)，總的有功功率小于基波有功功率。對(duì)于非線性用戶，產(chǎn)生諧波倒流入電網(wǎng)，此時(shí)電能表計(jì)量是基波電能減去倒流入電網(wǎng)的諧波電能，不但產(chǎn)生污染電網(wǎng)的諧波，還少計(jì)量了電能；對(duì)于線性用戶，諧波流入，計(jì)量的電能為基波電能與諧波電能之和，不但受害，還被多計(jì)量了電能。顯然，這種計(jì)量方式是不合理的。

3.3 對(duì)基波電子式電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響

針對(duì)上述情況，現(xiàn)有電子式電能表一般都加前置低通濾波器，濾去除基波外的諧波，只計(jì)量基波電能。這樣，對(duì)線性用戶，諧波電能沒(méi)有被誤計(jì)入；對(duì)非線性用戶，只計(jì)量了基波電能，而沒(méi)有計(jì)量諧波電能，導(dǎo)致少計(jì)量電能。

以廣東省粵北某電氣化鐵路牽引站為例：

其牽引變壓器容量為31.5MVA諧波負(fù)荷總和為0.088MW，基波負(fù)荷為11.481MW，諧波負(fù)荷總和與基波負(fù)荷的比值為0.76%。按該牽引站年用電量100GWh計(jì)算，1年可挽回?fù)p失電量760MWh，即100000000000x0.76%=760MWh。

同時(shí)，基波電子式電能表計(jì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也影響了電能表的計(jì)量精度。諧波對(duì)電子型電能表呈寬帶響應(yīng)的特性，電子表帶寬主要受其互感器頻帶和乘法器時(shí)鐘頻率的限制。電子式電能表的誤差主要源自其輸入模塊。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于電能表輸入模塊的信號(hào)變送僅考慮基波，當(dāng)電壓、電流波形發(fā)生畸變時(shí)，磁通不能相應(yīng)地發(fā)生線性變化而產(chǎn)生誤差，影響了電能表的整體計(jì)量精度。

從電能計(jì)量的角度來(lái)看，正弦波電源供非線性負(fù)荷，負(fù)荷污染電網(wǎng)、向系統(tǒng)注入諧波功率，少交電費(fèi)，對(duì)電力系統(tǒng)不公平；諧波電源供線性負(fù)荷，用戶設(shè)備性能變壞，吸收諧波功率，多交電費(fèi)、對(duì)電力用戶不公平。

對(duì)于諧波電源供非線性負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)諧波電壓電流的相位差具體分析，以判斷用戶是吸收諧波功率還是污染電網(wǎng)而向系統(tǒng)注入諧波功率。無(wú)論這些諧波源的諧波含量超標(biāo)與否，針對(duì)這些諧波源應(yīng)用具有諧波計(jì)量功能的電能表，提高電能計(jì)量的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，將是計(jì)量管理精細(xì)化的趨勢(shì)。

4.具有諧波計(jì)量功能的電子式電能表的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)，隨著電子式電能表的迅速應(yīng)用和普及，電能表的功能日益向自動(dòng)化終端（包括RTU、FTU、TTU、負(fù)控、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀等）的功能擴(kuò)展和完善，國(guó)內(nèi)外的一些電能表廠家如蘭吉爾、威勝等相繼研制出了應(yīng)用于諧波工況下的三相多功能電能表（全波表），并已開(kāi)始在國(guó)內(nèi)外試運(yùn)行，使全波計(jì)量方式成為可能。而一些國(guó)內(nèi)外芯片廠家相繼推出的具有基波和諧波電能計(jì)量的三相多功能計(jì)量芯片，如ADE7878等等，又將使全波表的造價(jià)大幅降低，使全波表在I-Ⅳ類用戶中的普及成為可能。

產(chǎn)品及應(yīng)用實(shí)例舉例：蘭吉爾高端關(guān)口表ZQC.6以上的電表都具有諧波計(jì)量功能，同時(shí)還具有電壓驟降表等質(zhì)量檢測(cè)功能幫助提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行分析功能。蘭吉爾ZQ表對(duì)于諧波的計(jì)量是將諧波有功，電壓，電流分開(kāi)計(jì)量并帶有方向，可以清楚分清諧波的正反向，對(duì)于諧波進(jìn)行獨(dú)立的計(jì)量，同時(shí)還可以根據(jù)需求百分比形式計(jì)量?？梢杂涗浉哌_(dá)30次諧波，滿足電網(wǎng)諧波計(jì)量的需要。還有一款單相含諧波計(jì)量的電能表，專門針對(duì)電氣化鐵路單相計(jì)量的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)。目前該系列全波表已開(kāi)始相繼在山東、江西、安徽等地的電氣化鐵路試用，在歐洲（希臘，瑞士，德國(guó)，西班牙，波蘭，法國(guó)等）及新加坡、泰國(guó)等國(guó)家的電氣化鐵路中也有應(yīng)用。

由于全波表試用時(shí)間較短，尚沒(méi)有相關(guān)試用效果的實(shí)際資料。

4.2 全波表標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題

盡管國(guó)內(nèi)外一些電表廠已相繼推出應(yīng)用于諧波工況下的三相多功能電能表（全波表），但是其功能和性能卻是五花八門，沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范，全波電能表技術(shù)走向成熟還有一個(gè)過(guò)程。

鑒于國(guó)際上尚未有三相多功能表的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織起草國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《多功能電能表特殊要求》，現(xiàn)正進(jìn)入審定階段。制定該標(biāo)準(zhǔn)的目的，是為制造商和使用電能的用戶提供一個(gè)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，并使其體現(xiàn)產(chǎn)品訂貨技術(shù)規(guī)范的大部分內(nèi)容，多功能表的通用要求，將參照中國(guó)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。

4.3 諧波功率電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

全波電能表的應(yīng)用，如何進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源和傳遞是其應(yīng)用時(shí)應(yīng)解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

在歐洲，三相0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，具有諧波功率計(jì)量功能；已建立起諧波有功功率、諧波視在功率的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)；

在美國(guó)，電能表自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，在任意波形諧波總含量30%以下，計(jì)量準(zhǔn)確度為+/-0.005%～0.05%；高精度三相標(biāo)準(zhǔn)表，在功率因數(shù)低于0.5（60o～90o），計(jì)量準(zhǔn)確度為+/-0.02%/功率因數(shù)；電能功率標(biāo)準(zhǔn)源，提供七種非正弦信號(hào)的無(wú)功功率計(jì)算方法。

目前我國(guó)尚未建立基于全波表的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 全波表的應(yīng)用方式

在尚未有相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和尚未建立基于全波表的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)的情況下，全波表的應(yīng)用建議參考國(guó)內(nèi)外的使用方式。

2009年11月20日，國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)審議通過(guò)了《供電監(jiān)管辦法》，并自2010年1月1日起施行。其中第七條規(guī)定：“……供電企業(yè)應(yīng)當(dāng)審核用電設(shè)施產(chǎn)生諧波、沖擊負(fù)荷的情況，按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定拒絕不符合規(guī)定的用電設(shè)施接入電網(wǎng)。用電設(shè)施產(chǎn)生諧波、沖擊負(fù)荷影響供電質(zhì)量或者干擾電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的，供電企業(yè)應(yīng)當(dāng)及時(shí)告知用戶采取有效措施予以消除；用戶不采取措施或者采取措施不力，產(chǎn)生的諧波、沖擊負(fù)荷仍超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的，供電企業(yè)可以按照國(guó)家有關(guān)規(guī)定拒絕其接入電網(wǎng)或者中止供電?！蔽覀兛梢砸源俗鳛橐罁?jù)試用全波表。

（1）選擇地鐵、高鐵、煉鋼廠及其它生產(chǎn)線采用各類換流設(shè)備、調(diào)壓裝置、變頻裝置等非線性負(fù)荷的I類用戶；

（2）在簽訂供用電合同時(shí)，根據(jù)《GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)110kV和10kV網(wǎng)絡(luò)的諧波限值與用戶溝通，并達(dá)成共識(shí)，在供用電合同中明確，造成諧波污染所應(yīng)承擔(dān)的違約責(zé)任；

（3）選用諧波電量和基波電量分開(kāi)累計(jì)方式的全波表，實(shí)時(shí)掌握諧波源用戶返送電網(wǎng)的諧波量，作為違約罰款或者督促用戶進(jìn)行諧波治理的依據(jù)；

（4）待積累一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后，同電能表家一道完善相關(guān)功能標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

5.結(jié)語(yǔ)

（1）現(xiàn)行的感應(yīng)式電能表和基波電子式電能表計(jì)量非正弦系統(tǒng)電量不準(zhǔn)確，少計(jì)了非線性負(fù)荷用戶的電量。

（2）對(duì)于非線性負(fù)荷用戶應(yīng)用全波表，可計(jì)入諧波消耗的電能量，使計(jì)量更精確；與非線性負(fù)荷用戶在同一公用連接點(diǎn)上供電的其它用戶也應(yīng)使用全波電能表計(jì)量，以避免少計(jì)諧波消耗的電量。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 14549-1993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波.

[2]DL/T 448-2000 電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程.

[3]南方電網(wǎng)電能計(jì)量管理辦法.

[4]廣東電網(wǎng)公司電能計(jì)量裝置技術(shù)規(guī)范.

[5]廣州供電局電能計(jì)量管理辦法.

[6]供電監(jiān)管辦法（電監(jiān)會(huì)27號(hào)令）.

[7]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].中國(guó)電力出版社.

[8]Dr.He Xuenong.現(xiàn)代電能質(zhì)量測(cè)量技術(shù)[M].美國(guó)福祿克公司，2009.

作者簡(jiǎn)介：

張彤，廣州供電局有限公司計(jì)量中心高級(jí)工程師，主要從事電能計(jì)量技術(shù)管理工作。

鐘錦群，廣州供電局有限公司生產(chǎn)技術(shù)部高級(jí)工程師，主要從事電能質(zhì)量管理工作。