基于諧波視角的電能計量研究

李明昊　代旭光　高大鵬

摘要：諧波對電能計量的影響是顯而易見的，對諧波背景下的電能計量進行研究具有重要的實際意義和經濟價值。文章在總結歸納目前諧波影響下的電能計量誤差的基礎上，綜合性地提出相關誤差解決措施，可為電能計量工作實踐提供參考。

關鍵詞：諧波影響；電能計量；電力系統

中圖分類號：TU855 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）27-0023-02

電能作為電力系統收費的依據，其計量的科學性和精準性直接關系著電力企業和電力用戶的實際利益。因此，電力計量一直以來就得到了廣泛而深入的研究。目前，電能計量裝置的設計和應用主要是以線性負荷和正弦電壓電流為基礎條件展開的，但隨著近些年經濟的快速發展，電力負荷的迅猛增長，各種交直流換流裝置、電弧爐等非線性負荷的應用，導致電流、電壓發生畸變現象，即電流、電壓有諧波存在，自然會對基于正弦功率理論的電能計量裝置的測量精準性造成影響，產生諸多誤差，直接影響到了線性用戶和電力企業的利益。因此，對諧波背景下的電能計量進行研究具有重要的實際意義和經濟價值，文章主要從諧波對電能計量產生的各種誤差著手，針對性地提出諧波影響下電能計量誤差的解決措施，為電能計量技術的進一步完善和發展提供

助力。

1 諧波對電能計量造成的誤差

諧波的存在會對電能計量準確性產生影響，即電能計量誤差的出現，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。以往的研究中，一般忽略了諧波影響下互感器的誤差，文章則基于電能計量整體性出發，對諧波影響下的整套電能計量裝置誤差進行分析，從而為全面解決諧波影響下的電能計量誤差奠定基礎。

1.1 諧波對互感器產生的誤差

互感器的種類較多，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分析其在諧波影響下對電能計量所產生的誤差，主要包括電壓互感器（TV）誤差和電流互感器（TA）誤差兩個方面。

首先是TV誤差。經過大量研究表明，二次回路壓降引起的誤差會對電能計量產生較大影響，因此，本文主要分析二次回路壓降對電能計量所產生的誤差。對于發電廠和變電站，室外TV一般距安裝計量表的主控室距離較遠，其間有連接二者的電纜、隔離開關、熔斷器和接線端子等電氣元件。二次回路阻抗組成包括導線阻抗、接觸電阻和元件內阻，二次回路阻抗的存在導致電壓互感器二次側空載端電壓與電能表端電壓的幅值和相角不同，從而引起計量誤差。可以說TV的二次回路阻抗越大，誤差也越大，少計的電量就越多。

其次是TV誤差。TA的主要誤差來源是因為勵磁電流的存在導致實際電流比和額定電流比不完全相等，即在正常工作時勵磁電流越大，計量誤差也會越大。電磁式電流互感器鐵芯的磁化曲線為非線性，當一次側電流大于一次額定電流，鐵芯開始飽和，此時一次側電流繼續增大，主磁通增大得很慢，與理想曲線形相比，當一次側電流值越大，主磁通相差愈大，此時會產生很大誤差，造成電能計量得不準確。總之，TA的誤差主要來源于內部損耗電流，內部損耗電流越大，誤差也越大，少計的電量越多。當TA工作在穩態額定電流時，誤差隨諧波的變化很小。

1.2 諧波對電能表產生的誤差

電能表作為電能計量儀表，其性能在不斷得到優化，產品也在不斷更新換代，目前電子式電能表以其精度高、抗干擾強等諸多優點而成為應用最為廣泛的電能表，因此，文章主要分析諧波對電子式電能表所產生的誤差。

對于現在廣泛使用的電子式電能表，在諧波條件下，計量算法是對計量準確產生影響的主要原因，因此本文僅研究由于電子式電能表內部點積算法導致的計量誤差。點積算法即每隔一定時間間隔對電壓和電流分別采樣，把得到的數值相乘，然后把瞬時值相加，只要采樣頻率達到一定數值，點積算法引起的誤差就小。這正是電子式電能表的優勢，但當含有諧波時，點積算法計量的功率是各個波次功率的代數和，并不區分諧波方向，非線性負荷誤差為負，線性負荷誤差為正，即非線性用戶少計了電量，線性用戶被多計了電量。可見點積算法從理論上已經嚴重影響了計量的準確度，隨著諧波功率的增大，電子式電能表的誤差也會越大。

2 諧波對電能計量產生誤差的解決措施

從以上的分析可以看出，諧波影響下所產生的計量誤差是多方面的，必須綜合性地采取相關措施來保證電能計量的準確性，文章針對以上誤差提出以下解決

策略。

2.1 互感器優化

2.1.1 電壓互感器優化。通過上述電壓互感器誤差，可以從以下幾個方面對電壓互感器進行優化。

首先是優化電壓互感器內部結構。鐵芯是有可能產生誤差的重要部分，因此避免鐵芯的接縫，選用磁密均勻的卷鐵芯；鐵芯的磁路長度要盡可能的短，適當減少勵磁安匝數；鐵芯最好應用高導磁率的材質；根據具體情況，磁密適當降低。另外，適當減少繞組的匝數，確定合理的繞組匝數；改進一級繞組和二級繞組的耦合狀態；用粗導線繞制；減小每伏匝數。

其次是降低二次側回路阻抗。經常打磨檢查維護導線和接插元件的接頭，去掉多余的接點，減小接觸電阻；增大導線橫截面積，減小導體阻抗。為了減小回路電流，選用多繞組的電壓互感器；采用電能表專用的計量線路，引專用線路至電能表。另外，通過應用誤差補償器來補償電能表二次回路電壓的降落，可很好地補償比差和角差。

2.1.2 電流互感器優化。對于電流互感器，其誤差是勵磁磁動勢所造成的，所以要提高電流互感器的精度，就必須給TA外加一個磁動勢來補償勵磁磁動勢，使激磁電流降低，可以采用在二次側進行補償的方法加以改進。補償法可分為無源補償法和有源補償法，無源補償法是在二次側并聯固定電容。無源補償法的缺點是補償量相對固定，對精度的提高量較小。而有源補償法具有自動跟蹤補償的特性，能大幅度提升現有電流互感器的精度，因此，本文運用有源補償法對電流互感器進行優化。

2.2 電子式電能表優化

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積算法引起的，因此，文章在此主要針對點積算法所引起的措施提出相應對策，雖然國內外學者在計量計算方法方面提出諸多方案，如FFT、神經網絡、小波變換等，但這些算法相對復雜，在實際中還沒有得到廣泛應用。因此，在此不作計算方法方面的研究，主要對計量方案優化進行分析。

在諧波條件下，現有的電子式電能表計量的是全波功率，因此，現行計量方案是不符合計量標準的，需要加以優化。目前來看，主要是電網本身來消除電網內的諧波，這顯然是不公平的，從長遠來看，應該由諧波源用戶來進行控制，這就需要用經濟手段在一定程度上懲罰諧波源用戶，督促諧波源用戶盡量減少對電網輸送諧波，并自行處理諧波，補償給受諧波污染的線性用戶和電網系統。但目前為止，諧波功率相關處理機制還未形成，這就需要在計量方案方面加以改進。點積算法引起的誤差，非線性用戶少計了電量，線性用戶多計了電量，不合理性顯而易見。目前主要有三種計量方案：僅計量全波電能、僅計量基波電能和以計量基波電能為基礎，把諧波電能作為對用戶獎勵和懲罰的依據，可以看出，第三種方案分別計量基波和諧波電量，是符合通過用戶來消除諧波影響要求的。為了督促產生諧波的用戶自覺治理諧波，建議按基波電量收取基礎電費，根據諧波情況懲罰或補貼部分費用。對于電能計量來說，沒必要把各次諧波功率都分別計量，這樣會增加很多投資，現行點積算法的電子式電能表可繼續使用，只需再加裝一個只計量基波電能表即可，這樣就可以求出總的諧

波功。

3 結語

文章結合筆者經驗針對性地提出了基于諧波的電能計量優化方法，對電能計量精度的提高具有一定的實際參考價值，然而在實踐中，諧波對電能計量的影響是多方面的，需要從技術和方法等多方面通過電力用戶和電力企業的共同努力來減小諧波對電能計量的影響。

參考文獻

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

[2] 黃冰心，龔國興，趙莉華.諧波對電網電能計量系統影響的研究[J].四川電力技術，2012，（12）.

作者簡介：李明昊（1987-），男（滿族），遼寧丹東人，國網遼陽供電公司助理工程師，研究方向：電氣自動化。