關(guān)于電力諧波對電能計量影響的分析與探討

摘要：在電力系統(tǒng)運行中，諧波的產(chǎn)生是不可避免的，且其會對電能采集、計量結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致誤差問題的產(chǎn)生。電能表是電力系統(tǒng)電能計量基本設(shè)備，對于供電、用電雙方而言，電能計量結(jié)果是經(jīng)濟結(jié)算的重要依據(jù)，因此加強電能計量系統(tǒng)誤差控制具有重要意義。

關(guān)鍵詞：電力諧波;電能計量;影響;措施

1諧波概述

1.1諧波概念

隨著電力系統(tǒng)中非線性負荷的大量應(yīng)用和多種分布式新能源的不斷介入，難免產(chǎn)生大量的諧波，使得電力系統(tǒng)配用電網(wǎng)絡(luò)中的電壓、電流波形產(chǎn)生嚴重畸變。畸變的電壓、電流的存在，也將直接導(dǎo)致電能質(zhì)量下降，給電能計量帶來諸多影響。諧波嚴格意義上指的是電壓、電流中含有的頻率為基波整數(shù)倍的電量，通常對周期性非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。廣義上交流電網(wǎng)有效分量是工頻基波，由此與工頻頻率不同成分均可稱為諧波分量，可分為偶次諧波、奇次諧波以及間諧波等。諧波產(chǎn)生原因主要是正弦電壓施加壓于非線性負載（UPS、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等）上引起基波電壓、電流發(fā)生畸變。

1.2諧波危害

若不考慮外部影響，電網(wǎng)中的供電電壓頻率和幅值均為固定不變的。根據(jù)我國工程的相關(guān)資料顯示，當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)高次諧波時，即使當(dāng)前系統(tǒng)為穩(wěn)定狀態(tài)且負載均衡，也會因中線中有電流帶入造成運行故障。諧波的出現(xiàn)對于電力系統(tǒng)的負面影響主要體現(xiàn)在：對電網(wǎng)運行環(huán)境的破壞。電流、電壓等參數(shù)的突然變化會引發(fā)電力設(shè)備局部發(fā)熱等問題，也對電力系統(tǒng)的使用周期造成影響，不利于系統(tǒng)的安全運行;不利于電力設(shè)備的安全運行。諧波的出現(xiàn)會引發(fā)電擊諧振等現(xiàn)象，影響電力設(shè)備的精確性，不利于儀器的精準測量，電力數(shù)據(jù)誤差大也會造成系統(tǒng)管理混亂;影響周邊區(qū)域內(nèi)通信線路的穩(wěn)定運行。突出表現(xiàn)為通信質(zhì)量下降，甚至引發(fā)通信設(shè)備故障、損壞，同時也不利于生物的生存。

2電力諧波對電能計量產(chǎn)生的影響

電力諧波的產(chǎn)生是不可避免的，影響著電能的計量準確性，體現(xiàn)在全電子式的電能表中，由于實際的電力使用過程中電力客戶的用電負荷是動態(tài)變化的，會隨時發(fā)生改變，因此針對每個周期的電壓和電流以及電壓電流之間的相位差值，利用電子式電能表無法進行準確和快速地測量。通常情況下，電子式電能表的測量元件是由乘法器和A、D采樣器構(gòu)成的，無法直接地計算出相關(guān)功率，但是可以通過對用電負荷電壓的采樣，結(jié)合電流的瞬間值采樣結(jié)果進行計算，得出最后的結(jié)果，用采樣周期乘以電壓瞬間值和采樣電流相乘相加后的數(shù)值，最終的平均電能就可以計算出來。發(fā)生在電子式電能表中的計量誤差問題就是在這一過程中將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量形成的，A、D采樣器的采樣次數(shù)和轉(zhuǎn)換精度均對計量結(jié)果有著直接的影響。并且電能計量裝置中電壓電流互感器自身存在的比差和角差問題，也會形成對計量結(jié)果的影響，這二者之間會形成幅值誤差和相位誤差，此類誤差問題均可能導(dǎo)致電能表的電能計量發(fā)生錯誤。電力線路的具體運行中，電壓和電流互感器中有電壓和電流通過，在電磁感應(yīng)原理作用下形成二次電壓和電流的轉(zhuǎn)換，再向電能表傳入，借助二次導(dǎo)線的功能產(chǎn)生最終的結(jié)果，這一過程中計量用的配置是否準確對計量結(jié)果形成了一定程度的影響。電能計量裝置在電力諧波的作用下可能發(fā)生誤差問題，因為從理論研究的角度進行分析可以發(fā)現(xiàn)電力諧波會在電能計量儀表中形成電磁轉(zhuǎn)矩，這樣一來就為后續(xù)的電能計量工作埋下了隱患問題，導(dǎo)致計量裝置發(fā)生誤差，降低了電能計量的準確性。電磁感應(yīng)式電能表裝置中共同存在基波和諧波，在諧波作用下，電能表的旋轉(zhuǎn)盤阻抗和電壓線圈阻抗發(fā)生了變化，改變了磁通量，最終引起了電能計量誤差問題，針對諧波有功電能的計量工作必然會面對這一誤差因素[2]。

3電力諧波影響下電能計量的優(yōu)化對策

3.1感應(yīng)式電能表

感應(yīng)型電能表測量功率，主要是以電流、電壓在表計線圈中的正弦交變磁場為依據(jù)，轉(zhuǎn)動的鋁盤可感應(yīng)不同相位空間渦流，并由此帶動計數(shù)器走度。傳統(tǒng)感應(yīng)型電能表是基于工頻正弦波條件下進行準確度檢驗，在計量中并未考慮直流、諧波等因素。然而在實際運行中，電能表所處電力系統(tǒng)不可能只有工頻正弦波，諧波分量可能導(dǎo)致電能表內(nèi)電磁線圈鐵芯飽和，線圈磁場產(chǎn)生畸變造成鋁盤轉(zhuǎn)動力矩受到制動，計數(shù)失準;鐵芯中，高次諧波會產(chǎn)生高頻磁通，直接干擾基波產(chǎn)生的工作磁通，以致于鋁盤高頻微顫，計量誤差增大。

感應(yīng)式電能儀表整體結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、安全性高、成本低，同時其使用便捷、使用年限較長，性價比較高，是電力公司中較為普遍的電能計度儀表類型。該設(shè)備在頻率略窄的頻帶中應(yīng)用效果最佳，但隨著電力系統(tǒng)運行環(huán)境的日益復(fù)雜，外部的負面影響因素增多，供電網(wǎng)內(nèi)波形畸變出現(xiàn)頻率提高，造成電能儀表的測量精度降低，因電能計量誤差大造成了電力公司巨大的經(jīng)濟損失，甚至損害了用戶的利益。

3.2降低諧波影響量

為了使電能計量的準確性得到提高、最大程度地降低諧波對電能計量形成的負面影響，應(yīng)從源頭著手，通過采用功率補償裝置、有源濾波器等，加強對諧波分量的控制，減少電網(wǎng)中的諧波畸變總量。之所以使用諧波目的是保證充足的電能供應(yīng)，但是大量使用諧波會損害正常的電能供應(yīng)和運行，針對諧波可能帶來的損害問題，為了加強對電力設(shè)備和線路的保護，強調(diào)電能計量工作的準確效率，可通過對電路的改進方式，使負載性質(zhì)得到改善，電網(wǎng)中諧波的使用量也能夠最大限度地減少，供電企業(yè)的輸出成本有所減少，提高了電力企業(yè)的經(jīng)濟效益，推動電力部門未來更好的長足建設(shè)與發(fā)展。

3.3電子式電能表

傳統(tǒng)的電子式電能表基本結(jié)構(gòu)如圖1，其中乘法器是關(guān)鍵器件，常見的為模擬乘法器和數(shù)字乘法器兩種，數(shù)字乘法器可繼續(xù)分為：硬件乘法器。由移位寄存器、加法器組成，通過時序控制，根據(jù)乘法（0或者1）決定累加和右移，運算速度較快，需要額外的硬件電路。電壓、電流分別施加于采樣元件上，兩大參數(shù)同步采樣并同時輸入乘法器。在實際運行中，負載電壓、電流均在濾波處理后方輸入采樣元件，乘法器計算的是工頻正弦電壓、電流信號。由此，傳統(tǒng)電子式電能表未考慮諧波分量所致的誤差。

隨著高精度、高速、多通道同步數(shù)據(jù)采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及高性能實時多任務(wù)微處理器的大量應(yīng)用，現(xiàn)階段我國電子式電能表的技術(shù)原理結(jié)果如圖2，與傳統(tǒng)的感應(yīng)式電能表相比，由于電能表內(nèi)未設(shè)置轉(zhuǎn)盤，以微電子電路為基礎(chǔ)，電能計量更加精確、可靠，同時能夠準確測量供電電網(wǎng)中的諧波，間諧波等波形畸變量，同時能夠計量誤差自動檢測與校準，對波形畸變展開定性定量分析。在諧波大量存在的情況下，實現(xiàn)電能計量的高準確性和高可靠性，降低用電營銷部門的運維成本，維護用電客戶的經(jīng)濟利益。

結(jié)論

現(xiàn)代化社會的電網(wǎng)運行中，電力設(shè)備發(fā)生電力諧波的問題是難以避免的，影響著電能的計量工作。此背景下的供電企業(yè)應(yīng)加強對電力諧波分析和深入研究，結(jié)合電力諧波帶來的影響，加強對電能計量工作的改進和優(yōu)化，通過技術(shù)創(chuàng)新，降低電力諧波帶來的影響，保證電力計量工作的準確性，推動電網(wǎng)產(chǎn)業(yè)更好的發(fā)展。

參考文獻：

[1]劉暢，劉軍，等.電力諧波對電能計量誤差的影響[J].農(nóng)村電氣化，2019（12）：22-24.

[2]黎慶輝.電力諧波對電能計量影響的探究[J].中國標準化，2019（22）：201-202.

[3]劉暢.關(guān)于電力諧波對電能計量影響的分析[J].中外企業(yè)家，2019（33）：105.

[4]王丹陽.電網(wǎng)諧波分量對電能計量的影響[J].電世界，2019，60（11）：35-38.

[5]馬晨亮.淺議電力諧波對電能表電能計量的影響分析[J].中國新通信，2018，20（14）：235.

作者簡介：王慧武 （1968-），男，工程碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化，電能質(zhì)量測試分析，電能計量。