最大限度減小諧波源用戶造成計量電能的損失

覃偉光　覃文博

摘 要：諧波源用戶產(chǎn)生的諧波分量會造成計量電能表少計用電量，根據(jù)一些科研單位和電能表廠家聯(lián)合所做諧波電能表掛網(wǎng)試驗的結果表明，在煉鋼行業(yè)的損失率達到0.73%左右，致使供電企業(yè)和國家的利益嚴重受損。所以，供電和電網(wǎng)企業(yè)應積極尋求得到技術上和法律上的支持以減小損失。

關鍵詞：諧波源用戶；電能表；損失

1 前言

近年來，微電子以及電力電子技術快速發(fā)展，大量非線性負荷如可控硅整流設備、電力電子調(diào)頻以及電弧煉鋼爐、電鐵牽引等加入電網(wǎng)。這些負荷對電網(wǎng)造成很大的干擾，使電網(wǎng)的波形發(fā)生了畸變，不再是單一的50Hz正弦波形。還包括一系列頻率為基波整數(shù)倍的正弦波分量，這些分量稱為諧波。電網(wǎng)中諧波成分超過一定程度將會引起嚴重危害。電網(wǎng)以三相正序正弦波形向用戶供電，實際運行中由于諧波源用戶會產(chǎn)生寄生在電能正弦基波上的高次諧波，這些高次諧波將會對電能計量的準確性造成嚴重影響。文章將從基本概念和諧波影響機理出發(fā)，尋求最大限度減小諧波源用戶造成對計量電能的損失的有效方法。

2 諧波功率、電能的計量原理和方法

2.1 諧波功率P的計量原理：

其中：

Pi為各次諧波的功率，在實際測量系統(tǒng)中可以通過DFT（離散傅立葉變換）求得電壓、電流信號的各次諧波幅值Un、In以及同次諧波電壓、電流之間的相角，從而通過上式求得各次諧波功率。

2.2 諧波電能Eh的計量方法

諧波電能Eh的計量方法可以按照以下兩種方式計算：

方法一：Et為總電能，可按乘法器原理或者用FFT（快速傅立葉變換）結果計算總功率對時間的積分；E1為基波電能，是基波功率對時間的積分。那么，Et與E1的差值即為諧波電能Eh：

Eh=Et-E1

方法二：根據(jù)傅立葉變換的結果，計算各次諧波功率的矢量和對時間的積分，即為諧波電能：

采用方法一通過FFT分析計算的基波計量精度可以達到0.5S級甚至更高，因而諧波電能的計量精度較高。

采用方法二需要對每次諧波的功率進行校正，才能達到較高的精度。

3 諧波源用戶對電能計量的影響機理分析

電網(wǎng)電壓電流是以120°相位差的正弦波組成，電能參數(shù)包括基波電壓、基波電流、負序電壓、負序電流、諧波電壓、諧波電流、功率因素、基波功率、諧波功率組成，當電網(wǎng)的非線性負荷和沖擊性負荷增加時，在電網(wǎng)電壓電流正弦波上疊加有非線性和非對稱性的高次脈沖，使電壓、電流波形畸變?yōu)榘叽沃C波的正弦載波，電網(wǎng)的高次諧波對電能計量的準確性是有影響的，當諧波含量滿足國標規(guī)定時，誤差影響微??；當諧波含量超過國標規(guī)定時，無論是電磁感應式電能表還是全電子式電能表，誤差影響均較大，即諧波含量愈高影響量越大，電能計量誤差也越大。

為了合理計量用戶消耗的有功電能，在選用貿(mào)易結算電能表時，針對含高次諧波的用戶，不僅要求用戶按國標的要求進行諧波治理，還應選用具有計量諧波電能的諧波電能表來彌補計量上的損失。

4 諧波電能表的構成與計量方法實現(xiàn)

4.1 諧波電能表的構成

三相多功能諧波表可采用16位A/D轉(zhuǎn)換器和DSP高速數(shù)據(jù)處理器對各相電流、電壓進行采樣，完成電量的測量、電能的累計、諧波分析、諧波電能及諧波電量的計算等工作。儀器采用ADC+DSP+MCU結構形式，其中，ADC選用ADI公司16位高速、低功耗、6通道同步采樣芯片AD73360L，各通道可提供76dB信噪比到直流4 Hz信號帶寬，具有較強的抗干擾能力；DSP選用ADI公司具有豐富通信接口、高運算速度數(shù)字信號處理芯片ADSP-BF533；管理MCU選用RENESAS公司的低功耗、高性能、多資源單片機M30624FGPFP。

圖1 諧波電能計量系統(tǒng)結構框圖

4.2 諧波電能計量方法實現(xiàn)

如圖1所示，電網(wǎng)電壓、電流分別經(jīng)過電阻分壓網(wǎng)絡、電流互感器（TA）與電阻取樣網(wǎng)絡進行信號調(diào)理，再經(jīng)6通道同步ADC轉(zhuǎn)換器AD73360L完成三相電壓、電流信號實時同步采樣。采樣數(shù)據(jù)通過SPORT接口送至ADSP-BF533數(shù)據(jù)處理單元，通過基于Hanning窗（余弦窗）+雙峰插值FFT算法對電流、電壓波形數(shù)據(jù)進行頻譜分析，分離出基波分量及2～21次諧波分量，憑借其高速處理能力完成電參量測量、諧波分析、諧波電能計量等任務。處理結果通過異步串口發(fā)送至MCU管理單元，由M30624FGPFP配合各外圍模塊實現(xiàn)顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存儲、通信以及功能選擇等工作。

5 最大限度減小諧波源用戶造成對計量電能的損失

目前，從國內(nèi)外的表計廠家來看，大部分廠家（如蘭吉兒、華隆、華立、等）的諧波表大都只對電網(wǎng)中的諧波進行了幅值和相位的分析，而未對諧波電能或功率進行計算，按上述設計而生產(chǎn)出來規(guī)格為電壓3X220V/380V、電流1.5（6）A的三相多功能諧波電能表，經(jīng)省級計量鑒定機構（湖南省電力公司計量中心）檢定，測量該表的準確度達到：基波有功測量誤差≤0.2%，基波無功測量誤差≤1%，2～21次諧波電壓測量誤差≤2%，諧波電流測量誤差≤5%，諧波相位測量誤差≤5°，滿足GB/T 14549-93的A類諧波測量儀器要求。這樣，就能很好地解決諧波源用戶造成計量電能損失的問題。

作為供電和電網(wǎng)企業(yè)應要引起足夠的重視，積極想方設法解決這個問題，切實挽回損失。就目前的狀況來看，技術上已經(jīng)能夠滿足要求，因為很多廠家都能夠生產(chǎn)諧波電能表，但很難獲得生產(chǎn)許可證，涉及諧波電能計量方面的法律法規(guī)已經(jīng)不相適應和滯后，這是關鍵問題。所以，供電和電網(wǎng)企業(yè)若能發(fā)揮自身資源上的優(yōu)勢，努力尋求得到法律上的最大支持，那么，這個老大難問題就會迎刃而解了。

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