諧波存在時電能計量方式的改進及應(yīng)用

許華霞

摘要：電能在我國社會經(jīng)濟的發(fā)展中起著不可替代的作用，電網(wǎng)運行的安全性與穩(wěn)定性直接關(guān)系到社會生產(chǎn)和人們的日常生活，而電能的計量也是電力供應(yīng)中非常重要的工作。文章介紹了諧波的相關(guān)概念和諧波存在的危害，分析了諧波存在時對電能計量的影響，并就諧波存在時電能計量方式的改進及應(yīng)用展開論述。

關(guān)鍵詞：諧波；電能計量方式；電網(wǎng)運行；電力供應(yīng)；計量誤差 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2016）08-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.015

1 諧波的相關(guān)概述

1.1 諧波的概念

諧波是指在同一周期內(nèi)電氣量的正弦波分量，諧波次數(shù)通常為諧波與基波頻率的整數(shù)比值，這是因為諧波的固有頻率一定是基波頻率的整數(shù)倍，因而其整數(shù)倍比值也就是諧波次數(shù)。在電網(wǎng)的運行過程中，受到各種因素的影響，會不可避免地產(chǎn)生諧波。當(dāng)諧波在電網(wǎng)中存在量過大時，則會影響到電能計量，導(dǎo)致電能計量誤差的出現(xiàn)。電能計量誤差是指電能表上的讀數(shù)與實際被測量出的電能值不一致，兩者之間的誤差即電能計量誤差，使用一定的公式可對諧波存在時導(dǎo)致的電能計量誤差進行計算。

1.2 諧波的危害

在電網(wǎng)的運行過程中，會不可避免地產(chǎn)生一些諧波，而諧波的存在會產(chǎn)生非常大的危害，主要表現(xiàn)在對設(shè)備的損害、導(dǎo)致電力事故的發(fā)生以及造成電能計量表的誤差等方面。隨著人們對電能需求量的不斷增大，電網(wǎng)中對電能的運輸量也隨之增大，大量的諧波也因此產(chǎn)生。諧波對電力系統(tǒng)中各種設(shè)備和線路都會造成一定的影響，如縮短線路和電力設(shè)備的使用壽命、對其產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞等。這樣一來使得電力行業(yè)在電力的維護與運行中所需的成本越來越高，降低其經(jīng)濟效益，并在一定程度上造成電能供應(yīng)的不穩(wěn)定。除此之外，電網(wǎng)中大量諧波存在時會引發(fā)電路中出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，對串聯(lián)電路或并聯(lián)電路均有影響，進而導(dǎo)致輸電線路內(nèi)過電流或過電壓情況的發(fā)生，引發(fā)安全事故。線路中出現(xiàn)過電壓或過電流情況較輕時會加快電氣設(shè)備的老化速度，產(chǎn)生額外的能耗，使供電設(shè)備無法正常使用，電能計量和測量儀器顯示異常，進而造成電能計量出現(xiàn)誤差，會對通信器材和設(shè)備造成一定程度的損壞，嚴(yán)重影響信號傳輸質(zhì)量，例如出現(xiàn)信號傳輸失真甚至無法進行傳輸?shù)臓顩r。諧波對通信器材與設(shè)備的影響情況較為嚴(yán)重時會使相關(guān)儀器過熱，進而導(dǎo)致其損毀甚至爆炸，不僅會威脅到電力工作人員的人身安全，同時還會給電力企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。由此看來，諧波的存在會產(chǎn)生十分嚴(yán)重的危害，一方面影響電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性，另一方面給國家和社會帶來巨大的經(jīng)濟損失，不僅不利于工業(yè)的發(fā)展，反而會對人們的日常用電產(chǎn)生不良影響。

2 諧波存在時對電能計量的影響

由于諧波存在時本身帶有功率，因此諧波存在時必然會使電能計量產(chǎn)生一定的誤差，即電能計量表上的讀數(shù)與實際所用電能值不符。因諧波存在時，其主要由基波電流、電壓或是基波電量中所產(chǎn)生，當(dāng)基波電壓、電流保持始終不變的情況下，電能表的線圈和抗阻結(jié)構(gòu)作用會發(fā)生一定的變化。由于電壓磁通和電流磁通之間存在一定的關(guān)系，當(dāng)阻抗呈小幅度變化時，會相應(yīng)導(dǎo)致進入到電能表中的實際電流值發(fā)生變化，影響電能表數(shù)值的準(zhǔn)確性。長此以往，多余的電量使得電能表負(fù)載運行，最終導(dǎo)致電能表的計量精準(zhǔn)度下降，影響電能計量工作的順利進行。

諧波存在時可用E'=C1E1+ΣChEh這一公式計算電能表中所反映的電能值，其中E1和Eh分別表示的是基波電能值和h次諧波的電能值；C1和Ch分別表示電能表中h次基波值和h次諧波的比例系數(shù)。公式中的代表符號并不是固定的，以國際實際標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。

諧波的存在使得電能計量出現(xiàn)誤差，不僅會對電網(wǎng)造成一定的損害，還會導(dǎo)致用電用戶在繳納電費時出現(xiàn)多交或少交電費的情況。對電子式電能計量表來說，諧波的存在對其電量計算產(chǎn)生的誤差針對不同的用戶可以具體分為兩種情況：當(dāng)用戶源頭出現(xiàn)諧波時則會使電能表的數(shù)值小于實際基波電能值，那么用電用戶繳納電費時則會相對少交；而當(dāng)非用戶端產(chǎn)生諧波時，此時的電能表所反映的數(shù)值會大于實際基波電能值，那么用戶則會繳納多余的電費。由此看來，電能表計量受諧波影響產(chǎn)生的誤差嚴(yán)重影響到用電用戶和電力企業(yè)雙方的經(jīng)濟利益，違背了社會公平公正的發(fā)展原則和要求。電能計量出現(xiàn)誤差對電力行業(yè)以及工業(yè)和其他行業(yè)的發(fā)展都十分不利，影響社會的穩(wěn)定，并造成一定的社會經(jīng)濟損失。因此，加強對諧波存在時電能計量方法的研究，對其進行改進，從而解決諧波存在時電能計量出現(xiàn)誤差問題，提高電能計量的準(zhǔn)確性，對保證電力行業(yè)的健康快速發(fā)展具有重要意義。

3 諧波存在時電能計量方式的改進及應(yīng)用

3.1 推廣全電子式電能表

改進諧波存在時電能計量方式，主要是為了減少諧波存在時電能計量產(chǎn)生的誤差，提高電能計量的準(zhǔn)確性，需要對諧波有充分的認(rèn)識。電力工作人員應(yīng)充分了解諧波產(chǎn)生的原因及其影響因素，對諧波在電力系統(tǒng)中具體是如何產(chǎn)生作用以及諧波對電力系統(tǒng)具體會產(chǎn)生哪些影響等問題有足夠的了解與掌握。傳統(tǒng)全能量式計量方法在現(xiàn)代電能計量工作中十分不合理，特別是諧波存在時的電能計量會產(chǎn)生較大的誤差。電子式電能表因諧波的存在而產(chǎn)生誤差主要是由傳統(tǒng)的點擊算法造成的。因此，對諧波存在時電能計量方式進行改進，首先就要改變電能的計量算法。推廣全電子式電能計量表能有效地減少諧波存在時電能計量的誤差。全電子式電能表的計量方法較為復(fù)雜，需要由技術(shù)人員專門進行操作。全電子式電能表的計量方法為：W=C1W1-CfinWfin+Cfout∣Wfout∣，其中W1所代表的是負(fù)載消耗的基波電能；Wfin代表的是被吸收諧波電能；Wfout表示的是輸電過程中所產(chǎn)生的諧波電能；C1、Cfin、Cfout三項代表以上三種電能相應(yīng)的加強系數(shù)。在對電能表電能進行實際計量時，通常會將C1這個參照值設(shè)為1，當(dāng)Cfout>1時，表示諧波產(chǎn)生于用戶端，此時所顯示的電能計量值較實際小，用戶也因此少繳納一部分電費，那么需要通過將所顯示的電費與誤差電費相加得出用戶實際須繳納的電費；當(dāng)

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3.2 頻域電能計量法

頻域電能計量法是對諧波存在時所產(chǎn)生的電能計量影響進行排除，防止對諧波分析時產(chǎn)生的影響因素，從而得到準(zhǔn)確的諧波頻率以及電能值。通過對電流加窗離散化，使電壓信號序列，從而降低頻譜外泄，加窗后的諧波電流電壓序列進行離散傅里葉變換，利用FFT的計算方法可以對加窗后的電流與電壓頻域參數(shù)進行計算，其計算公式為Pk=。在對頻域內(nèi)參數(shù)估量計算后，根據(jù)FFT的計算方法得出的結(jié)果，得到電流和電壓信號中諧波分量的品藍偏差、相位、幅值等信息和數(shù)據(jù)。在根據(jù)這一計算公式得出各次諧波的無功電能和有波電能后對應(yīng)相應(yīng)的仿真實驗，可以將諧波存在時對基波計量造成的影響直觀地反映出來。仿真實驗是以一種模式實驗的方式直接對諧波進行觀察實驗，通過仿真實驗可以得出實際情況下諧波對電能表計量產(chǎn)生的影響數(shù)據(jù)。頻域電能計量法中包含了仿真實驗以及噪聲存在時仿真實驗等方法，最后通過三角卷積窗公式

=WT（t）×WT（t）……WT（t）對基波電能進行準(zhǔn)確的計量，得出實際電能數(shù)據(jù)。

3.3 帶加權(quán)系數(shù)的諧波有功計量法

帶加權(quán)系數(shù)的諧波實質(zhì)上是一種分別對基波電能和諧波電能進行計量的方法，其計算公式為W=W1-ChposΣWhpos+ChoppΣWhopp。這一公式中W1表示基波電能；Whpos為正向諧波電能；Whopp為反向諧波電能；Chpos為正向諧波電能的加權(quán)系數(shù)，其范圍在0～1之間；Chopp為反向諧波電能的加權(quán)系數(shù)，大于1。通過這種計量方式能實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中受到諧波危害的線性負(fù)荷用戶的一次性補償，同時還能合理地處置由非線性負(fù)荷用戶引起的諧波電能問題，有效地提高了電能計量的準(zhǔn)確性，確保了電力收費的公平性。

4 結(jié)語

隨著信息時代的到來，電子產(chǎn)品的生產(chǎn)量和使用量也在不斷增加，這就使得大量的諧波被注入到電網(wǎng)系統(tǒng)的運行過程中。諧波存在時對電能的計量會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，使其出現(xiàn)較大的誤差。只有對諧波產(chǎn)生的源頭進行分析，并采取相關(guān)對策改變電能計量方式，才能解決該問題。通過推廣全電子式電能表、采用頻域電能計量法，實現(xiàn)對電力用戶基波電量和諧波電能分開計算，從而準(zhǔn)確地對用電用戶電能的使用情況進行計量。應(yīng)用以上方法相信能將諧波存在時對電能計量誤差的影響降到最低，從而推動我國電力行業(yè)的健康發(fā)展。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）