一起諧波影響下的電能表電壓異常及計(jì)量準(zhǔn)確性分析

摘要：對一起35kV用戶變電站因電表電壓異常引起的疑似電能計(jì)量差錯(cuò)問題，進(jìn)行分析和處理。通過比較兩種不同原理的測量儀器檢測到的電壓值，并結(jié)合波形監(jiān)測，分析出電壓異常原因是存在電壓諧波。最后對用戶重點(diǎn)關(guān)心的疑似電能計(jì)量差錯(cuò)問題進(jìn)行理論分析和現(xiàn)場檢驗(yàn)，并制定有效的驗(yàn)證處理方案對分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：電壓異常;諧波;計(jì)量差錯(cuò);現(xiàn)場檢驗(yàn)

0 引言

電能計(jì)量裝置作為供電企業(yè)與用電客戶之間銷售電量的貿(mào)易結(jié)算依據(jù)，其準(zhǔn)確與否直接影響到供用電雙方的利益。電能計(jì)量裝置能否準(zhǔn)確計(jì)量與電能表的測量電壓、電流及功率因數(shù)有著密切的關(guān)系，本文就一起因電表電壓異常引起的疑似電能計(jì)量差錯(cuò)問題展開分析與處理。

1 異常背景

2019年2月南京供電公司計(jì)量室接到某汽車鍛造廠電氣負(fù)責(zé)人電話，據(jù)該負(fù)責(zé)人描述，該公司35kV變電站母線電壓表顯示電壓為103V左右（線電壓），而供電公司計(jì)量電能表顯示的電壓為65V左右（相電壓）折算成線電壓112.58V，因此懷疑是供電公司電能計(jì)量裝置有故障，多計(jì)電量10%左右，并提出按變電站增容至今已兩年電能表示數(shù)已達(dá)5504，綜合倍率為21000，多計(jì)電量11550000千瓦時(shí)。他們公司領(lǐng)導(dǎo)得知此事后非常關(guān)注，責(zé)成他跟進(jìn)此事，并要求我們給出合理解釋，如果是多計(jì)電量必須盡快退還多收電費(fèi)。

接客戶電話后我們當(dāng)即通過用電信息采集系統(tǒng)召測電能表測量相電壓如圖1所示，的確明顯高于額定電壓值14%左右。

通過朔源分析發(fā)現(xiàn)，自2017年2月6日用戶增容送電后電能表電壓明顯高于正常值，如圖2所示：

2 電壓異常原因分析

2.1現(xiàn)場檢查

當(dāng)天經(jīng)現(xiàn)場檢查電能表顯示電壓確實(shí)明顯高于變電站母線電壓表顯示電壓，且用電能監(jiān)測儀和電能表校驗(yàn)儀測得的電表相電壓也高達(dá)65V左右，但用鉗形電流表和數(shù)字萬用表測得的電表相電壓卻60V左右，低于電能監(jiān)測儀及電能表校驗(yàn)儀測得電壓的10%左右，具體的測量電壓顯示值如表1所示。

四種電壓測量儀表雖然都是測量有效值，但是測量原理卻不同，鉗形電流表和數(shù)字萬用表采用的是平均響應(yīng)測量原理，這種測量原理只適用于標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而電能監(jiān)測儀和電能表校驗(yàn)儀所用的都是真有效值測量原理，適用于所有波形。

2.2現(xiàn)場檢查結(jié)論

綜合以上檢測分析可推斷現(xiàn)場電能表的工作電壓是非正弦波電壓（疊加了直流電壓），或者是正弦交流電壓嚴(yán)重畸變。根據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，電表進(jìn)線電壓的“真有效值測量”與“平均值測量”結(jié)果存在著明顯的差異，而線電壓差別很小，則表明電能表的相電壓存在著嚴(yán)重的波形畸變，線電壓正常。通過電壓波形測量得到了證實(shí)如圖3;從波形圖分析相電能表的相電壓存在著嚴(yán)重的高次諧波，相電流中無諧波成分。

2.3諧波的來源

根據(jù)上面諧波來源分析可知電壓，電流諧波通常來源于非線性負(fù)荷或整流設(shè)備，經(jīng)和用戶電氣負(fù)責(zé)人確認(rèn)，該公司目前所有電力負(fù)荷中存在部分沖擊性負(fù)荷，生產(chǎn)用電過程可能產(chǎn)生高次諧波;用戶變壓器一次側(cè)，如圖4所示中性點(diǎn)，該接地消弧線圈的調(diào)節(jié)方式采用的是相控方式，即消弧線圈的電感值固定不變，通過控制可控硅的導(dǎo)通角（也就是斬波）來使輸出的感性電流發(fā)生變化。可想而知，斬波過程產(chǎn)生了高次諧波。

3諧波對計(jì)量的影響分析

3.1電能表的計(jì)量原理

對單相正弦交流電路而言，其瞬時(shí)電壓、電流的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下[3]：

瞬時(shí)功率表達(dá)式為：

上式中第一項(xiàng)是恒定分量，表示負(fù)載一個(gè)周期消耗的平均功率。第二項(xiàng)是功率的交變分量，在一個(gè)周期內(nèi)的均值為零，因此它不做功。

平均功率表示負(fù)載消耗的有功功率，用瞬時(shí)功率的均值表示：

單相電表所計(jì)量的電能 單位是千瓦··時(shí)（kWh）

三相四線電路采用的是三元件計(jì)量，其計(jì)量原理如圖9所示。所以計(jì)量的電能為三相電能相加，平功率表達(dá)式為：

3.2諧波影響下的電表計(jì)量分析

諧波會(huì)產(chǎn)生諧波功率，因此電力諧波對計(jì)量的影響可以看作為電能表計(jì)量一種附加誤差，例如在在用戶進(jìn)線處測量，如圖5所示。

可設(shè)：全波功率為P全，基波功率P1，諧波功率正的部分PH+，諧波功率負(fù)的部分PH-

目前的電能表基本都是基于信號(hào)為工頻的前提來設(shè)計(jì)的，電表實(shí)際應(yīng)該計(jì)量的功率為（假設(shè)諧波功率正是有用的，比如純電阻加熱）：

諧波所產(chǎn)生的計(jì)量附加誤差為：

由電表相電壓存在諧波，而電表電流波形為平滑的正弦曲線可知：電表的采樣電壓中存在諧波成分，而采樣電流中并無諧波成分。而諧波電壓和基波電流都是時(shí)間的正弦函數(shù)，兩者頻率不同。所謂正弦信號(hào)的正交性，是指任意兩個(gè)不同頻率的正弦信號(hào)的乘積，在{-}上的積分為零。而有功功率的定義，恰好是電壓信號(hào)與電流信號(hào)乘積在一個(gè)周期內(nèi)的均值。均值即積分值除以積分時(shí)間。因此，不同頻率的正弦波的電壓和電流不會(huì)做工。即從理論上說，諧波所產(chǎn)生的計(jì)量附加誤差為：ERR=（ P全- （P1）*100/（P1） %=0% 。

對這個(gè)結(jié)論，證明如下：

采用三角函數(shù)的積化和差公式：

上式中，左右兩式均為余弦函數(shù)，由于，所以，所以上式在一個(gè)周期內(nèi)的積分必然等于零。

3.3電表誤差校驗(yàn)

根據(jù)預(yù)案將電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀接線按三相四線、三相三線接線分別對電能表進(jìn)行誤差校驗(yàn)，因?yàn)殡娔鼙砭€電壓基本正常如果電能表現(xiàn)場校驗(yàn)儀接線安三相三線接線分電能表進(jìn)行校驗(yàn)結(jié)果正?？膳袛嚯娔鼙碛?jì)量正常。兩種接線方式下的誤差校驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，兩種方式校驗(yàn)出的誤差有差異但是都在合格范圍。因此可以判定電能表計(jì)量基本正常。

4驗(yàn)證處理方案

4.1 方案依據(jù)

根據(jù)前面的理論分析可知，該用戶電表在相電壓中存在高次諧波成分，但并未多計(jì)電量，電表計(jì)量準(zhǔn)確。但用戶對我們的理論分析表示懷疑，要求我們拿出進(jìn)一步的驗(yàn)證處理方案。由電表線電壓值正常，可知線電壓中并不存在高次諧波，現(xiàn)場實(shí)測電表線電壓波形如圖7所示。

電表的相電壓因疊加諧波電壓分量而導(dǎo)致有效值升高，而線電壓并未受到諧波電壓成分的影響，即線電壓的大小，方向均未發(fā)生變化，如圖8所示。三相三線電表有功功率計(jì)量原理為，即采用三相三線電表計(jì)量方式不受諧波電壓的影響。

4.2方案的制定與實(shí)施

據(jù)此，我們制訂了如下驗(yàn)證處理方案，對分析結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。

（1）從原有計(jì)量電表旁，按照并接電壓、串接電流的接線方式加裝一只經(jīng)檢驗(yàn)合格三相三線3*100V、1.5（6）A，有功準(zhǔn)確度等級為0.5S的參考表。

（2）參考表安裝完成后，檢查電壓電流、相位角等確認(rèn)接線正確，記錄同一時(shí)刻下兩只電表的正向有功總示數(shù)。

（3）待電表正常運(yùn)行兩個(gè)月后，同時(shí)抄錄兩只電表正向有功總示數(shù)，分別計(jì)量兩只電表兩個(gè)月時(shí)間所記錄的電量W1、W2

（4）因兩只電表的有功準(zhǔn)確度等級均為0.5S級。故設(shè)置判定依據(jù)為：若，則電能表準(zhǔn)確計(jì)量，否則電能表計(jì)量存在較大誤差。

該方案得到了用戶電氣負(fù)責(zé)人及其領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可，在加裝參考表運(yùn)行兩個(gè)月后，主表走字5327.59-5061.53=266.060，參考表走字266.308-0.143=266.165，實(shí)驗(yàn)前后的電表底度如圖9所示。

根據(jù)兩只電表所計(jì)電量計(jì)算，修約后的值為-0，通過主表和參考表兩個(gè)月的記錄電量對比，驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性并徹底消除了用戶對電表計(jì)量準(zhǔn)確性的質(zhì)疑，用戶表示十分滿意。

5.結(jié)語

精準(zhǔn)計(jì)量是開展計(jì)量工作的基礎(chǔ)，也是對用戶做好優(yōu)質(zhì)服務(wù)工作的根本保障，當(dāng)用戶對電表記錄電量的準(zhǔn)確性產(chǎn)生質(zhì)疑時(shí)，計(jì)量工作者要能夠通過分析或?qū)嶒?yàn)的方法向用戶做好解釋工作;南京供電公司通過理論分析和現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，解決了一起因電表電壓異常偏高引起的用戶懷疑電表多記電量超1000萬kWh的問題，后期將繼續(xù)深化利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，加強(qiáng)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測，進(jìn)一步保障電能計(jì)量裝置現(xiàn)場運(yùn)行的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]徐墾.交流信號(hào)真有效值數(shù)字測量方法[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，27（02）： 33-39.

[2]郭清元.電力系統(tǒng)中的諧波和諧波抑制[J].機(jī)電信息， 2010，30（03）： 108-114.

[3]王志月.電能計(jì)量技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，200： 48-59.

作者介紹：張小龍（1993年—），男，工程師，從事計(jì)量檢測檢驗(yàn)方面工作