基于諧波視角的電能計(jì)量研究

李明昊　代旭光　高大鵬

摘要：諧波對(duì)電能計(jì)量的影響是顯而易見(jiàn)的，對(duì)諧波背景下的電能計(jì)量進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。文章在總結(jié)歸納目前諧波影響下的電能計(jì)量誤差的基礎(chǔ)上，綜合性地提出相關(guān)誤差解決措施，可為電能計(jì)量工作實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：諧波影響；電能計(jì)量；電力系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU855 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）27-0023-02

電能作為電力系統(tǒng)收費(fèi)的依據(jù)，其計(jì)量的科學(xué)性和精準(zhǔn)性直接關(guān)系著電力企業(yè)和電力用戶(hù)的實(shí)際利益。因此，電力計(jì)量一直以來(lái)就得到了廣泛而深入的研究。目前，電能計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用主要是以線(xiàn)性負(fù)荷和正弦電壓電流為基礎(chǔ)條件展開(kāi)的，但隨著近些年經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷的迅猛增長(zhǎng)，各種交直流換流裝置、電弧爐等非線(xiàn)性負(fù)荷的應(yīng)用，導(dǎo)致電流、電壓發(fā)生畸變現(xiàn)象，即電流、電壓有諧波存在，自然會(huì)對(duì)基于正弦功率理論的電能計(jì)量裝置的測(cè)量精準(zhǔn)性造成影響，產(chǎn)生諸多誤差，直接影響到了線(xiàn)性用戶(hù)和電力企業(yè)的利益。因此，對(duì)諧波背景下的電能計(jì)量進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，文章主要從諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生的各種誤差著手，針對(duì)性地提出諧波影響下電能計(jì)量誤差的解決措施，為電能計(jì)量技術(shù)的進(jìn)一步完善和發(fā)展提供

助力。

1 諧波對(duì)電能計(jì)量造成的誤差

諧波的存在會(huì)對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，即電能計(jì)量誤差的出現(xiàn)，而誤差的大小直接與諧波條件下的電能表、電壓互感器、電流互感器密切相關(guān)。以往的研究中，一般忽略了諧波影響下互感器的誤差，文章則基于電能計(jì)量整體性出發(fā)，對(duì)諧波影響下的整套電能計(jì)量裝置誤差進(jìn)行分析，從而為全面解決諧波影響下的電能計(jì)量誤差奠定基礎(chǔ)。

1.1 諧波對(duì)互感器產(chǎn)生的誤差

互感器的種類(lèi)較多，目前電磁式互感器的使用較為廣泛，因此，本文主要以電磁式互感器為例來(lái)分析其在諧波影響下對(duì)電能計(jì)量所產(chǎn)生的誤差，主要包括電壓互感器（TV）誤差和電流互感器（TA）誤差兩個(gè)方面。

首先是TV誤差。經(jīng)過(guò)大量研究表明，二次回路壓降引起的誤差會(huì)對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生較大影響，因此，本文主要分析二次回路壓降對(duì)電能計(jì)量所產(chǎn)生的誤差。對(duì)于發(fā)電廠和變電站，室外TV一般距安裝計(jì)量表的主控室距離較遠(yuǎn)，其間有連接二者的電纜、隔離開(kāi)關(guān)、熔斷器和接線(xiàn)端子等電氣元件。二次回路阻抗組成包括導(dǎo)線(xiàn)阻抗、接觸電阻和元件內(nèi)阻，二次回路阻抗的存在導(dǎo)致電壓互感器二次側(cè)空載端電壓與電能表端電壓的幅值和相角不同，從而引起計(jì)量誤差?？梢哉f(shuō)TV的二次回路阻抗越大，誤差也越大，少計(jì)的電量就越多。

其次是TV誤差。TA的主要誤差來(lái)源是因?yàn)閯?lì)磁電流的存在導(dǎo)致實(shí)際電流比和額定電流比不完全相等，即在正常工作時(shí)勵(lì)磁電流越大，計(jì)量誤差也會(huì)越大。電磁式電流互感器鐵芯的磁化曲線(xiàn)為非線(xiàn)性，當(dāng)一次側(cè)電流大于一次額定電流，鐵芯開(kāi)始飽和，此時(shí)一次側(cè)電流繼續(xù)增大，主磁通增大得很慢，與理想曲線(xiàn)形相比，當(dāng)一次側(cè)電流值越大，主磁通相差愈大，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大誤差，造成電能計(jì)量得不準(zhǔn)確?？傊琓A的誤差主要來(lái)源于內(nèi)部損耗電流，內(nèi)部損耗電流越大，誤差也越大，少計(jì)的電量越多。當(dāng)TA工作在穩(wěn)態(tài)額定電流時(shí)，誤差隨諧波的變化很小。

1.2 諧波對(duì)電能表產(chǎn)生的誤差

電能表作為電能計(jì)量?jī)x表，其性能在不斷得到優(yōu)化，產(chǎn)品也在不斷更新?lián)Q代，目前電子式電能表以其精度高、抗干擾強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)而成為應(yīng)用最為廣泛的電能表，因此，文章主要分析諧波對(duì)電子式電能表所產(chǎn)生的誤差。

對(duì)于現(xiàn)在廣泛使用的電子式電能表，在諧波條件下，計(jì)量算法是對(duì)計(jì)量準(zhǔn)確產(chǎn)生影響的主要原因，因此本文僅研究由于電子式電能表內(nèi)部點(diǎn)積算法導(dǎo)致的計(jì)量誤差。點(diǎn)積算法即每隔一定時(shí)間間隔對(duì)電壓和電流分別采樣，把得到的數(shù)值相乘，然后把瞬時(shí)值相加，只要采樣頻率達(dá)到一定數(shù)值，點(diǎn)積算法引起的誤差就小。這正是電子式電能表的優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)含有諧波時(shí)，點(diǎn)積算法計(jì)量的功率是各個(gè)波次功率的代數(shù)和，并不區(qū)分諧波方向，非線(xiàn)性負(fù)荷誤差為負(fù)，線(xiàn)性負(fù)荷誤差為正，即非線(xiàn)性用戶(hù)少計(jì)了電量，線(xiàn)性用戶(hù)被多計(jì)了電量。可見(jiàn)點(diǎn)積算法從理論上已經(jīng)嚴(yán)重影響了計(jì)量的準(zhǔn)確度，隨著諧波功率的增大，電子式電能表的誤差也會(huì)越大。

2 諧波對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生誤差的解決措施

從以上的分析可以看出，諧波影響下所產(chǎn)生的計(jì)量誤差是多方面的，必須綜合性地采取相關(guān)措施來(lái)保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，文章針對(duì)以上誤差提出以下解決

策略。

2.1 互感器優(yōu)化

2.1.1 電壓互感器優(yōu)化。通過(guò)上述電壓互感器誤差，可以從以下幾個(gè)方面對(duì)電壓互感器進(jìn)行優(yōu)化。

首先是優(yōu)化電壓互感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)。鐵芯是有可能產(chǎn)生誤差的重要部分，因此避免鐵芯的接縫，選用磁密均勻的卷鐵芯；鐵芯的磁路長(zhǎng)度要盡可能的短，適當(dāng)減少勵(lì)磁安匝數(shù)；鐵芯最好應(yīng)用高導(dǎo)磁率的材質(zhì)；根據(jù)具體情況，磁密適當(dāng)降低。另外，適當(dāng)減少繞組的匝數(shù)，確定合理的繞組匝數(shù)；改進(jìn)一級(jí)繞組和二級(jí)繞組的耦合狀態(tài)；用粗導(dǎo)線(xiàn)繞制；減小每伏匝數(shù)。

其次是降低二次側(cè)回路阻抗。經(jīng)常打磨檢查維護(hù)導(dǎo)線(xiàn)和接插元件的接頭，去掉多余的接點(diǎn)，減小接觸電阻；增大導(dǎo)線(xiàn)橫截面積，減小導(dǎo)體阻抗。為了減小回路電流，選用多繞組的電壓互感器；采用電能表專(zhuān)用的計(jì)量線(xiàn)路，引專(zhuān)用線(xiàn)路至電能表。另外，通過(guò)應(yīng)用誤差補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償電能表二次回路電壓的降落，可很好地補(bǔ)償比差和角差。

2.1.2 電流互感器優(yōu)化。對(duì)于電流互感器，其誤差是勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)所造成的，所以要提高電流互感器的精度，就必須給TA外加一個(gè)磁動(dòng)勢(shì)來(lái)補(bǔ)償勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，使激磁電流降低，可以采用在二次側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒右愿倪M(jìn)。補(bǔ)償法可分為無(wú)源補(bǔ)償法和有源補(bǔ)償法，無(wú)源補(bǔ)償法是在二次側(cè)并聯(lián)固定電容。無(wú)源補(bǔ)償法的缺點(diǎn)是補(bǔ)償量相對(duì)固定，對(duì)精度的提高量較小。而有源補(bǔ)償法具有自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償?shù)奶匦?，能大幅度提升現(xiàn)有電流互感器的精度，因此，本文運(yùn)用有源補(bǔ)償法對(duì)電流互感器進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 電子式電能表優(yōu)化

如上文所述，在諧波條件下，電子式電能表的誤差主要是由點(diǎn)積算法引起的，因此，文章在此主要針對(duì)點(diǎn)積算法所引起的措施提出相應(yīng)對(duì)策，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在計(jì)量計(jì)算方法方面提出諸多方案，如FFT、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換等，但這些算法相對(duì)復(fù)雜，在實(shí)際中還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。因此，在此不作計(jì)算方法方面的研究，主要對(duì)計(jì)量方案優(yōu)化進(jìn)行分析。

在諧波條件下，現(xiàn)有的電子式電能表計(jì)量的是全波功率，因此，現(xiàn)行計(jì)量方案是不符合計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的，需要加以?xún)?yōu)化。目前來(lái)看，主要是電網(wǎng)本身來(lái)消除電網(wǎng)內(nèi)的諧波，這顯然是不公平的，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，應(yīng)該由諧波源用戶(hù)來(lái)進(jìn)行控制，這就需要用經(jīng)濟(jì)手段在一定程度上懲罰諧波源用戶(hù)，督促諧波源用戶(hù)盡量減少對(duì)電網(wǎng)輸送諧波，并自行處理諧波，補(bǔ)償給受諧波污染的線(xiàn)性用戶(hù)和電網(wǎng)系統(tǒng)。但目前為止，諧波功率相關(guān)處理機(jī)制還未形成，這就需要在計(jì)量方案方面加以改進(jìn)。點(diǎn)積算法引起的誤差，非線(xiàn)性用戶(hù)少計(jì)了電量，線(xiàn)性用戶(hù)多計(jì)了電量，不合理性顯而易見(jiàn)。目前主要有三種計(jì)量方案：僅計(jì)量全波電能、僅計(jì)量基波電能和以計(jì)量基波電能為基礎(chǔ)，把諧波電能作為對(duì)用戶(hù)獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰的依據(jù)，可以看出，第三種方案分別計(jì)量基波和諧波電量，是符合通過(guò)用戶(hù)來(lái)消除諧波影響要求的。為了督促產(chǎn)生諧波的用戶(hù)自覺(jué)治理諧波，建議按基波電量收取基礎(chǔ)電費(fèi)，根據(jù)諧波情況懲罰或補(bǔ)貼部分費(fèi)用。對(duì)于電能計(jì)量來(lái)說(shuō)，沒(méi)必要把各次諧波功率都分別計(jì)量，這樣會(huì)增加很多投資，現(xiàn)行點(diǎn)積算法的電子式電能表可繼續(xù)使用，只需再加裝一個(gè)只計(jì)量基波電能表即可，這樣就可以求出總的諧

波功。

3 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合筆者經(jīng)驗(yàn)針對(duì)性地提出了基于諧波的電能計(jì)量?jī)?yōu)化方法，對(duì)電能計(jì)量精度的提高具有一定的實(shí)際參考價(jià)值，然而在實(shí)踐中，諧波對(duì)電能計(jì)量的影響是多方面的，需要從技術(shù)和方法等多方面通過(guò)電力用戶(hù)和電力企業(yè)的共同努力來(lái)減小諧波對(duì)電能計(jì)量的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫科.電力系統(tǒng)電能計(jì)量誤差及解決措施[J].新疆電力技術(shù)，2013，（4）.

[2] 黃冰心，龔國(guó)興，趙莉華.諧波對(duì)電網(wǎng)電能計(jì)量系統(tǒng)影響的研究[J].四川電力技術(shù)，2012，（12）.

作者簡(jiǎn)介：李明昊（1987-），男（滿(mǎn)族），遼寧丹東人，國(guó)網(wǎng)遼陽(yáng)供電公司助理工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。