諧波對電能計量的影響與對策研究

摘 要：電能計量是核算電網運營經濟的基礎依據，其計量準度直接影響到電力系統的經濟社會效益。由于電網中各類非線性負荷的引入，導致供電系統中出現諧波成份，這對電力系統完全是有害的。因此，全面系統地分析諧波對電能計量的影響，并據此提出改善諧波對電能計量影響的對策，具有十分重要的現實意義。

關鍵詞：諧波分析；電能表；電能計量；改善措施

中圖分類號：TM933.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 22-0000-01

隨著社會的發展和科技的進步，越來越多的電力電子設備等非線性負荷被運用到電力系統中，導致供電系統中諧波成分的增加，嚴重影響到電網環境并導致電網運營成本增加，因此諧波對電能計量影響的研究愈來愈受到人們的關注。此外，電能計量的基本工具是電能表，其計量精度直接影響電能計量精度。因此，本文以諧波對電能計量的影響為研究背景，深入系統地介紹了電能表的計量原理，并從理論層面分析諧波對電能計量準確性影響和合理性影響，進一步提出相應的改善諧波對電能計量影響的措施，以便提高供電質量、維護電網運行安全，獲得良好的經濟效益。

一、電能表計量原理

電能表示電能計量的基本工具，其計量精度與電能計量精度直接關聯，電能計量裝置通常按50/60Hz的正弦波設計，供電中的諧波成分會干擾電能表正常工作。電能表按結構分可分為感應式和電子式：感應式應用較早、結構簡單、維修方便且造價較低，我國仍有許多地區在使用；電子式是集現代測量技術、計算機技術及通信技術等合成的全新電能表，測量精度高、體積小重量輕且穩定性好。

（一）感應式計量原理

感應式電能表的工原理是利用可動導體與交流磁場產生的感應電流間的作用力來工作，一般分為機械式和脈沖式。機械式電能表存在由電磁鐵產生的力矩（制動）、摩擦力矩、抑制力矩（電壓、電流產生）及其他補償力矩等。機械式電能表通過脈沖裝置輸出信號，其盒上設有脈沖輸出端鈕，將脈沖信號輸送至遙測裝置。脈沖式電能表則由測量單元和處理單元組成，測量單元用感應式元件進行電能測量，處理單元則使用現代微處理器進行數據處理、計數顯示等。

（二）電子式計量原理

電子式電能表通常可分為模擬乘法器式和數字乘法器式。模擬乘法器式電能表是應用模擬式乘法器將輸入電壓電流進行相乘，將輸出電壓（電流）進行V/F（I/F）變換成成頻率，再用計數器積分。對于1kHz以內的諧波都能計量諧波電能，但無法區分諧波電能的各方向。數字乘法器式電能表則經過A/D采集瞬時電壓、電流，將不同時刻的移相相乘再計量電能。有些采用傅立葉方法計算基波和諧波的幅值相位，這樣可以更好地處理諧波電能并準確計算各次諧波電能的大小和方向。

二、諧波對電能計量影響的理論分析

諧波產生的最主要原因是電力系統中一些電力設備和負荷的非線性特性，當施加電壓與產生電流不成線性比時造成了波形畸變。本文從諧波對電能計量影響的兩方面進行分析，即電能計量準確性影響和合理性影響。

（一）準確性影響

諧波對電能計量準確性影響是指電能表是否能準確計量流入電表中基波和諧波總電能。計量誤差即電表讀數與理論計算電能值之間的相對誤差。

1.諧波對感應式電能表計量影響

電能表頻率特性是反映波形畸變對計量影響的依據之一，因此電表頻響曲線是否平坦會影響諧波功率下計量誤差。感應式電能表接入電路中時，由于電表自身一些特性會引起頻率發生變化便產生附加誤差。當只有電流波形畸變時感應式電能表的計量會存在誤差。當電壓正弦電流波形畸變時，由于磁路非線性產生附加驅動力矩，電流畸變增大誤差隨之增大。此外，感應式電能表只有在工頻特定范圍內且電壓電流均為正弦波時才能達到最佳工作狀態。一旦電壓電流波形發生畸變，電能表測量準確度將下降。

2.諧波對電子式電能表計量影響

電子式電能表對不同信號的波形響應也都不同，誤差也會有所區別。研究表明，構成功率的電流信號發生畸變，電子式電能表產生計量誤差，但誤差不大。當電壓、電流信號波形都畸變時，對基于數字乘法器和基于時分割乘法器的能計量諧波功率的電能表，它們的測量誤差均在精度范圍內。此外，測量用互感器的準確度會影響到測量結果準確度，一旦測量用互感器有非線性因素，畸變信號經過互感器各諧波成份的轉換比例不同，使被測信號發生嚴重變形，從而導致誤差很大。

（二）合理性影響

諧波作用下電能計量方式有三種，國內目前采用的是電能表準確反映實際功率，基波和諧波的綜合功率，即采用全能量方式。全能量計量方式使電能計量的準確性和合理性存在矛盾。

全能量計量方式在基波情況下可以準確反映用電情況，但存在諧波功率時發生偏差。假設電路中存在非線性負載和線性負載，根據相關理論計算分析可知，一旦系統中存在諧波功率，線性負載實際消耗電能會高于吸收的基波電能，而非線性負載實際消耗電能低于吸收的基波電能。然而，非線性負載吸收基波電能時又注入系統諧波電能，線性負載吸收電能時又被迫吸收諧波電能，按目前計量方式，非線性負載因向系統注入諧波功率會少交電能費用，而線性負載因被諧波干擾吸收卻要多交電能費用，因此電能計量方式存在不合理性。

三、改善諧波對電能計量影響的措施

根據諧波對電能計量的影響分析，可采取相應的改善措施。目前已有研究表明：可以將基波功率與諧波功率分別計量，懲罰嚴重產生諧波的用戶，該項措施有利于諧波源治理，但是成本較高且技術上有難度；采取諧波抑制措施，改善諧波源注入系統諧波量，通過應用新型電能表實現，但是由于諧波有功較小，很難反映其影響。

對于諧波環境下安裝的電能表，若只計量基波電能，可通過對電能表的電路進行濾波，根據實際情況采用最佳的低通濾波器，以此改善諧波影響。對于基波電能計量還可在濾波后用數字乘法器進行計量，可以采用∑??轉換原理的數字乘法器，對于諧波的采集可使用短時加窗傅里葉變換等。在采集諧波的基礎上分析其影響并累加，在電費計算時給予用戶一定折扣。

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