關(guān)于諧波對(duì)電子式電能表計(jì)量的影響分析

王 丹

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司唐山供電公司，河北 唐山063000）

1 電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題

1.1 諧波的定義

由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱(chēng)之為諧波。由于正弦電壓加壓于非線(xiàn)性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線(xiàn)性負(fù)載有UPS、開(kāi)關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。

1.2 諧波的產(chǎn)生和主要諧波源

1.2.1 發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和其他一些原因。

1.2.2 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波

輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線(xiàn)的非線(xiàn)性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線(xiàn)的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線(xiàn)性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大。

1.2.3 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波

晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機(jī)車(chē)、鋁電解槽、充電裝置等許多方面得到了廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成大量諧波。晶閘管整流裝置從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流；接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線(xiàn)路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。

1.3 諧波的危害

諧波對(duì)電力系統(tǒng)是有害的，其主要危害包括：（1）增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗。（2）影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的動(dòng)作和可靠性。（3）干擾通信系統(tǒng)工作。（4）影響測(cè)量表計(jì)的準(zhǔn)確計(jì)量，其實(shí)諧波的危害不僅表現(xiàn)在工程上，而且表現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)上，比如增加電力固定成本；諧波會(huì)造成電能計(jì)量裝置的誤差，影響電力公司收入與其他公司的成本。

2 電子式電能表的工作原理

2.1 基本原理

電子式電能表采用乘法器實(shí)現(xiàn)對(duì)電功率的測(cè)量，乘法器是用來(lái)完成兩個(gè)電量電壓、電流相乘運(yùn)算的器件，它的準(zhǔn)確度將直接影響著電能表的精度。

2.2 功能組成

基于模擬乘法器的電子式電能表的功能組成包括以下幾個(gè)方面：（1）輸入級(jí)：電壓信號(hào)輸入經(jīng)過(guò)精密電阻分壓或通過(guò)電壓互感器變換為與被測(cè)電壓成正比的低電壓，輸出至乘法器；電流信號(hào)常直接通過(guò)分流電阻變換為電壓或采用表內(nèi)互感器將大電流變換為乘法器適用的小電流或再將其變換為電壓；為提高表計(jì)抗干擾性能從而增加穩(wěn)定性，各信號(hào)輸入回路基本上均采用具有較高準(zhǔn)確度的電壓、電流互感器，使外電路與測(cè)量系統(tǒng)在電氣上完全隔離。（2）乘法器：乘法器是實(shí)現(xiàn)將被測(cè)電壓、電流相乘，從而轉(zhuǎn)換為功率的器件。時(shí)分割模擬乘法器的制造技術(shù)比較成熟且工藝性好，具有更好的線(xiàn)性度，其最突出的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的準(zhǔn)確度級(jí)別，可以達(dá)0.01級(jí)。（3）U/f轉(zhuǎn)換器：不同的乘法器后面應(yīng)跟不同的U/f轉(zhuǎn)換器，模擬乘法器輸出的有功功率送給電壓頻率U/f變換（或電流頻率I/f變換）電路，從而產(chǎn)生頻率正比于有功功率的電能脈沖，U/f（或I/f）轉(zhuǎn)換器在極低頻時(shí)誤差較大，為了獲得線(xiàn)性好而且穩(wěn)定的頻率信號(hào)，通常是把電壓變換為較高的頻率信號(hào)，然后分頻為低頻信號(hào)。（4）輸出部分：輸出部分即顯示部分。顯示器顯示電能表所測(cè)量的電能，顯示器有字輪計(jì)度器、液晶顯示器（LCD）和發(fā)光二極管顯示器（LED）幾種類(lèi)型。（5）工作電源：除上述幾部分外，電子式電能表中還包括直流穩(wěn)壓電源，為各部分電子電路的工作提供合適的直流電壓，直流穩(wěn)壓電源由降壓變壓器、整流電路、濾波電路穩(wěn)壓電路等幾部分組成。

3 諧波對(duì)電子式電能表計(jì)量的影響分析

3.1 電子式電能表的有功計(jì)量方法

電子式電能表計(jì)量有功就是用A/D采樣數(shù)值計(jì)算的方法，實(shí)際上用戶(hù)負(fù)荷是不斷變化的，無(wú)法快速而精確的測(cè)得每個(gè)周期的電壓有效值、電流有效值，以及電壓、電流向量之間的相位差。所以無(wú)法直接計(jì)算功率，但功率可由電壓、電流的瞬時(shí)值計(jì)算而得，所以可以通過(guò)對(duì)電壓、電流瞬時(shí)值采樣的辦法計(jì)算功率，將采樣點(diǎn)電流、電壓相乘相加再乘以采樣周期就是平均電能。實(shí)踐表明引起這種電子式電能表計(jì)量誤差的原因不僅是采樣次數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換精度，主要是由電壓、電流互感器及其后的放大線(xiàn)路元器件分散性造成的幅值誤差和相位誤差。在測(cè)量電能量時(shí)，電網(wǎng)電壓、電流要經(jīng)測(cè)量用互感器轉(zhuǎn)換成弱電信號(hào)后才送入電能表，因此測(cè)量用互感器的準(zhǔn)確度直接影響著測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確程度，如果測(cè)量用互感器存在非線(xiàn)性，當(dāng)畸變信號(hào)經(jīng)過(guò)互感器時(shí)，互感器對(duì)各次諧波成分的轉(zhuǎn)換比例就不一致，從而使被測(cè)信號(hào)發(fā)生變形。在這種情況下，測(cè)量誤差會(huì)很大，在波形畸變情況下，互感器的波形變換誤差隨i波次數(shù)的增加而非線(xiàn)性的增大，偶次諧波的波形變換誤差比奇次諧波更大。

3.2 電子式電能表的頻率特性

電子式電能表的頻率特性曲線(xiàn)相對(duì)平坦，可近似認(rèn)為沒(méi)有衰減，這表明電子式電能表具有較寬的頻率效應(yīng)。當(dāng)電網(wǎng)中的電壓和電流信號(hào)只有一個(gè)信號(hào)發(fā)生畸變，而另一個(gè)信號(hào)仍為正弦波時(shí)，根據(jù)正弦函數(shù)正交性可得，電子式電能表在這種情況下，其誤差變化很小。當(dāng)電網(wǎng)電壓和電流都發(fā)生畸變時(shí)，由于電子式電能表頻帶較寬，仍可以準(zhǔn)確的計(jì)量諧波功率，電子式電能表把基波功率和所有諧波功率一同計(jì)量。

3.3 諧波情況下對(duì)電子式電能表的影響

電子式電能表是以總的畸變波形作為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算電能，沒(méi)有將基波和諧波加以區(qū)分，對(duì)線(xiàn)性用戶(hù)來(lái)說(shuō)，它計(jì)量的電能為基波電能與諧波電能之和，諧波對(duì)線(xiàn)性用戶(hù)有害，但其電能也被計(jì)入，多計(jì)量了電能。而對(duì)非線(xiàn)性用戶(hù)來(lái)說(shuō)，他們產(chǎn)生諧波并將一部分倒流入電網(wǎng)，此時(shí)電能表計(jì)量的是基波電能減去倒流入電網(wǎng)的諧波電能。雖然非線(xiàn)性用戶(hù)發(fā)出的諧波污染了電網(wǎng)，卻少計(jì)了電能，起到了鼓勵(lì)用戶(hù)向電網(wǎng)注入諧波的作用。顯然，這種計(jì)量方式是不合理的，現(xiàn)有改進(jìn)措施如加前置低通濾波器，濾去除基波外的諧波，只計(jì)量基波電能，對(duì)線(xiàn)性用戶(hù)來(lái)說(shuō)，無(wú)用的諧波電能沒(méi)有計(jì)入；對(duì)非線(xiàn)性用戶(hù)來(lái)說(shuō)，計(jì)量了基波電能，而沒(méi)有計(jì)量由基波電能轉(zhuǎn)化來(lái)的諧波電能，所以說(shuō)這種措施也不是很理想。

針對(duì)上述情況我們提出了一種改進(jìn)措施，具體措施如下：電流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后形成采樣數(shù)字信號(hào)U（n）和I（n），經(jīng)過(guò)相位校正，利用數(shù)字乘法器得到總有功功率；數(shù)字化的U（n）和I（n）通過(guò)一個(gè)基波抑制濾波器得到不包含基波成分的電流、電壓信號(hào)Uh（n）和Ih（n），利用數(shù)字乘法器計(jì)算出總諧波有功功率Ph，總有功功率和總諧波功率對(duì)時(shí)間的積分，得到總電能ES和諧波電能EH。（1）當(dāng)基波功率和諧波功率方向相同時(shí)，也就是當(dāng)負(fù)荷為線(xiàn)性負(fù)荷時(shí)，只有基波電能對(duì)它是有用的，我們只計(jì)量基波電能；（2）當(dāng)基波功率和諧波功率方向相反時(shí)，也就是當(dāng)負(fù)荷為非線(xiàn)性負(fù)荷時(shí)我們應(yīng)該計(jì)量基波和諧波絕對(duì)值的和。采用上述我們提出的計(jì)量方式，避免了線(xiàn)性用戶(hù)因被多計(jì)諧波電能而遭受經(jīng)濟(jì)損失；對(duì)非線(xiàn)性用戶(hù)，也不會(huì)因?yàn)橛?jì)量了負(fù)的諧波電能使用戶(hù)少交電費(fèi)，而使電力企業(yè)蒙受損失，該計(jì)量方式有助于鼓勵(lì)非線(xiàn)性用戶(hù)采用諧波處理裝置，減少諧波的產(chǎn)生，有助于建設(shè)“綠色電網(wǎng)”。