諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性影響的分析

周得紅/國(guó)網(wǎng)青海省電力公司海東供電公司

諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性影響的分析

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電能計(jì)量裝置作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，其計(jì)量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到供、用電雙方的合法權(quán)益，而且電能計(jì)量還是電力企業(yè)進(jìn)行收費(fèi)的重要依據(jù)，所以電能計(jì)量裝置精準(zhǔn)對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量具有非常重要的意義。目前電力系統(tǒng)中非線性設(shè)備使用的頻率較高，這就避免不了會(huì)有大量的諧波產(chǎn)生，從而對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生影響。文中從諧波產(chǎn)生的原因入手，對(duì)諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析，并進(jìn)一步對(duì)提高計(jì)量準(zhǔn)確性和合理性的對(duì)策進(jìn)行了具體的闡述。

電力系統(tǒng)；諧波；電能計(jì)量

前言：諧波相對(duì)于基波來講，其幅值較小，但其頻率卻是基波的整數(shù)倍，所以對(duì)于按照正弦波為工頻進(jìn)行設(shè)計(jì)電能計(jì)量?jī)x表來講，其會(huì)在諧波的影響下導(dǎo)致電能計(jì)量誤差的產(chǎn)生，從而對(duì)供、用電雙方的合法權(quán)益帶來損害。所以需要對(duì)諧波進(jìn)行深入的分析，從而減少其對(duì)電能計(jì)量裝置所帶來的影響，確保電能計(jì)量的精度。

一、諧波產(chǎn)生原因分析

目前電力系統(tǒng)中的變流設(shè)備和非線性負(fù)荷在使用過程中都會(huì)有諧波產(chǎn)生，而且諧波源通常都會(huì)發(fā)出幾種特定頻率的諧波，而且諧波功率凈值為正值，最主要的諧波源為諧波電流源，導(dǎo)致諧波產(chǎn)生的主要原因可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（一）發(fā)電原因

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過程中，不僅其三相繞組在制作上不能做到完全對(duì)稱，而其鐵心質(zhì)地也會(huì)存在不均勻的情況，所以在具體工作中會(huì)有諧波產(chǎn)生。

（二）輸配電系統(tǒng)原因

變壓器磁化曲線呈非線性，當(dāng)變壓器運(yùn)行過程中，其鐵心處于飽和狀態(tài)下時(shí)，這時(shí)磁化曲線在工作時(shí)也接近于飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致磁化電流出現(xiàn)尖項(xiàng)波形，并有奇次諧波產(chǎn)生，通常情況下，鐵心飽和度越高，其諧波電流則會(huì)越大，可以說在輸配電系統(tǒng)中，變壓器是最主要的諧波源。

（三）用電原因

很多電氣設(shè)備中都有晶閘管整流元件，這個(gè)元件在電氣設(shè)備運(yùn)行時(shí)極易導(dǎo)致諧波產(chǎn)生。同時(shí)在單相整流電路裝置與感性負(fù)載進(jìn)行連接時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致奇次諧波電流產(chǎn)生，而且諧波含量也會(huì)隨著電容值的增加而增加。

二、諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的誤差分析

（一）諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性的影響

1.電磁感應(yīng)式電能表。在工頻變化較窄的情況下，一般采用感應(yīng)式電能表，當(dāng)電壓和電流為正弦波時(shí)期計(jì)量最為準(zhǔn)確。電磁感應(yīng)式電流表根據(jù)基波原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)有高次諧波分量的電壓和電流通過時(shí)，其旋轉(zhuǎn)圓盤的阻抗會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)電壓線圈的阻抗亦發(fā)生變化，導(dǎo)致電能計(jì)量器內(nèi)部的電流磁通和電壓磁通發(fā)了變化，使得電磁轉(zhuǎn)盤的在磁通的作用發(fā)生變化，產(chǎn)生了電能計(jì)量誤差。由于基波和諧波在疊加時(shí)會(huì)產(chǎn)生波形畸變，磁通通過非線性的鐵心時(shí)，隨著波形的變化而產(chǎn)生非線性變化。在電能計(jì)量表中產(chǎn)生的畸變電流和電壓通過電磁元件后，磁通的波形不會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的變化，電能計(jì)量表在計(jì)算功率時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩與實(shí)際計(jì)量所得的功率不相符。

2..全電子式電能表。全電子式電能計(jì)量器主要依靠其內(nèi)部的CPU來進(jìn)行計(jì)量，CPU對(duì)不同頻率的正弦電壓和電流進(jìn)行采樣和計(jì)算，并通過內(nèi)部設(shè)置的程序計(jì)算所消耗的電能值。電子式計(jì)量表對(duì)負(fù)載基波和諧波產(chǎn)生的功耗和電量進(jìn)行了計(jì)算，理論上排除了基波和諧波產(chǎn)生的誤差。但由于諧波電流的方向會(huì)發(fā)生變化，并且計(jì)量表將基波產(chǎn)生的電能和諧波產(chǎn)生的電能相加，導(dǎo)致諧波流向負(fù)載時(shí)，計(jì)量表記錄下的電能比實(shí)際基波消化的偏小，從而出現(xiàn)了計(jì)量誤差。另外，全電子式計(jì)量表會(huì)收到外界的溫度、電壓和頻率等的影響下也會(huì)產(chǎn)生誤差。

（二）電能計(jì)量方式分析

在諧波作用下，電能計(jì)量主要有以下三種方式：一是電能計(jì)量表應(yīng)準(zhǔn)確地反應(yīng)基波和諧波的綜合功率，這種同時(shí)計(jì)算基波和諧波功率的方式被稱為電能全計(jì)量方式，也是當(dāng)前普遍使用的計(jì)量方式；二是電能計(jì)量表值計(jì)算基波功率，不計(jì)算諧波功率，稱為基波電能方式；三是電能計(jì)量表分別計(jì)算諧波功率和基波功率，稱為諧波電能方式。

在諧波作用下，采用電能全計(jì)量方式會(huì)使得電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和合理性產(chǎn)生矛盾。為了解決上述問題，首先必須通過實(shí)驗(yàn)的方法，在諧波環(huán)境下對(duì)電能的計(jì)量進(jìn)行定性分析，并得出其規(guī)律。主要采用的方法有：一是諧波測(cè)試方法。其原理較為簡(jiǎn)單，通過諧波檢測(cè)儀直接檢測(cè)諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的誤差，并進(jìn)行定量和定性的分析；二是仿真實(shí)驗(yàn)方法。通過利用波形發(fā)生器，記錄產(chǎn)生的波形信號(hào)，在輸入到實(shí)驗(yàn)用電能表進(jìn)行分析，從而得到電能表誤差的原因。

三、提高計(jì)量準(zhǔn)確性和合理性的對(duì)策

（一）提高計(jì)量準(zhǔn)確性的對(duì)策

電能表在計(jì)量過程中只對(duì)基波功率進(jìn)行計(jì)量，所以需要將諧波濾除掉。在進(jìn)行諧波濾除時(shí)往往可以采用兩種方式進(jìn)行，即硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方式。但在實(shí)際應(yīng)用中，通常會(huì)采用硬件實(shí)現(xiàn)方式，通過對(duì)合適的頻率進(jìn)行截止，然后再高階低通濾波器作用下，將要進(jìn)入到電能表中的高次諧波進(jìn)行阻止，這樣就可以有效的將諧波消除掉，而對(duì)基波進(jìn)行保留。而在軟件方式中消除諧波是通過傅里葉算法來進(jìn)行的。通過過濾諧波方式，使在諧波影響下的電力部門及線性用戶有效的避免了由于諧波產(chǎn)生的額外功率，但對(duì)于非線性用戶來講，在存在諧波的情況下，會(huì)導(dǎo)致在諧波作用下產(chǎn)生電能費(fèi)用，從而導(dǎo)致用戶受到損失。

下面討論分別計(jì)量諧波和基波功率的方式，并區(qū)分正負(fù)功率。該方式采用的智能電表具有一個(gè)單片機(jī)核心處理單元，利用快速傅里葉算法進(jìn)行頻譜分析，準(zhǔn)確的計(jì)量基波和諧波功率。其計(jì)量是否合理，區(qū)分了基波功率和諧波功率，對(duì)非線性用戶產(chǎn)生的諧波功率有一定的懲罰作用，來彌補(bǔ)電力部門的損失。但其使用較為困難，且成本高昂。

（二）提供計(jì)費(fèi)合理的對(duì)策

為了做到電能收費(fèi)的合理性，在對(duì)用戶征收基波電能電費(fèi)時(shí)，可以征收附加電費(fèi)。尤其對(duì)于非線性用戶，在電網(wǎng)中注入的諧波電能往往不盡相同，必須采取適當(dāng)?shù)臋C(jī)制，收取一定的懲罰性電費(fèi)，設(shè)用戶消耗的總電能為E，負(fù)載消耗的電能為E1，則電網(wǎng)中諧波電能損耗為Ek=E-E1，其中Ek>0表示為非線性負(fù)載，Ek<0為線性負(fù)載。則向用戶征收的電費(fèi)為FH=D1×E1+DH×Ek。其中D1是基波電能電價(jià)，DH為非線性用戶的懲罰性電價(jià)，線性用戶DH=0。通過上述計(jì)量方式，可以定量和合理地計(jì)量非線性和線性用戶的電能消耗，解決了諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的不合理性。

四、結(jié)束語

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，無論是輸配電還是用戶用電過程中都會(huì)有諧波功率的產(chǎn)生，從而對(duì)電能計(jì)量帶來較大的影響。所以為了能夠電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和合理性，則需要將基波功率和諧波功率分開，然后利用分頻技術(shù)分別對(duì)基波電能和諧波電能進(jìn)行計(jì)量。同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，還需要加強(qiáng)對(duì)非線性負(fù)荷的管理，這樣可以有效的對(duì)諧波導(dǎo)致電能計(jì)量的誤差進(jìn)行有效的控制，從而更好的維護(hù)用戶和電力企業(yè)的合法權(quán)益。

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