諧波存在時的電能計量改進方法和實踐應用研究

鄭斌

摘 要：分析了諧波對電能計量的影響，并在此基礎上對諧波存在時的電能計量改進方法和應用進行了論述。期望通過本文的研究能夠對提高諧波存在時的電能計量準確性有所幫助。

關鍵詞：電力系統；諧波；電能計量；濾波

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.02.098

1 諧波對電能計量的影響分析

在電力系統當中，電能計量是一個重要環節，其主要是通過電能計量裝置來完成。目前，國內電網中常用的電能計量裝置有兩種，分別是感應式電能表和電子式電能表。諧波是電力系統運行過程中不可避免的一種現象，它對系統的危害較大，由諧波引起的諧振會造成過電流或過電壓等事故。這樣不但會加快電氣設備絕緣的老化速度，而且還會導致設備運行異常，額外損耗也會隨之增大，進而引起計量裝置誤差。不僅如此，諧波還會對通信設備的信號產生干擾，嚴重時甚至會損壞通信設備。

1.1 諧波對感應式電能表的影響

實踐證明，感應式電能表只有在工頻附近較窄的頻率范圍內且電流和電壓均為正弦波的情況下，才能處于最佳的工作狀態。一旦電流或電壓波形發生畸變，就會導致電能表的測量準確度降低。圖1為感應式電能表的頻率特性曲線。

圖1 感應式電能表的頻率特性曲線

從圖1中可以看出，當電能表的頻率增加時，其特性曲線會隨之急劇下降。導致這一問題的原因主要有：①由于轉盤本身并不是一個純電阻，其中包含了一部分感性分量，當頻率升高時，其阻抗和阻抗角都會增大，這樣便會導致電能表的轉速變慢；②磁路的磁阻會隨著頻率的升高而增大，與此同時，電流線圈的磁通會減小，驅動力矩也會隨之減小，由此便會導致電能表轉速變慢，進而產生負誤差；③鐵芯在諧波的作用下會產生出雜亂渦流，其內部磁通會隨之減小；④在諧波存在的前提下，線圈感抗會隨著頻率的升高而增大，電壓磁通滯后，電壓的角度會無限接近于90°，由于此時補償角度并未發生變化，所以會引起轉矩減小，進而產生負誤差。

1.2 諧波對電子式電能表的影響

就電子式電能表而言，其對不同的被測信號波形的響應均不相同，響應的誤差也存在著較大的差別。相關研究結果顯示，按照正弦函數的正交特性，當電流或電壓偏離正弦且發生畸變時，電能表也會隨之出現計量誤差，但是這個誤差并不是很大。即使電網當中電流與電壓同時發生畸變，電子式電能表也會因自身的頻帶較寬而能夠對諧波功率進行準確的計量，換言之，其對諧波功率的響應與基波功率的響應基本相同。在諧波存在的前提下，電子式電能表的計量值近似等于基波與所有諧波電能的總和，這個值一般在1 kHz以內。由于電子式電能表在計量時，未將基波與諧波進行區分，所以諧波對其幾乎沒有影響。然而，從線性負荷用戶的角度講，諧波的存在會使電子式電能表多計量電能，其合理性有待商榷。

2 諧波存在時的電能計量改進方法及應用

通過在電能計量前加裝低通濾波器，能夠對諧波起到有效的過濾作用，這是一種相對比較簡單的改進措施。由此，電能表只需要對基波電能進行計量。但在實際應用中發現，這種方法的效果并不理想。為了有效避免諧波存在對電能計量準確性的影響，可以采取如下改進方法。

2.1 頻域電能計量法

該方法的具體步驟如下：①對電網中的離散化電流和電壓信號序列進行加窗處理，以此來降低頻譜泄漏，減輕其對諧波分析的影響；②對加窗處理之后的諧波電流和電壓序列進行離散傅里葉變換；③采用EET計算法對頻域參數進行估算，借此來獲取電流和電壓信號當中的諧波分量頻率偏差、相位和幅值等。

通過下式對各次諧波無功電能和有功電能進行計算：

. （1）

式（1）中，ik和uk分別為電流與電壓波形在K次采樣時的瞬時值；N為周期內電流與電壓的采樣對數；t為時間；dt為分時。

經過仿真實驗可以獲取諧波存在時對電能計量影響的數據，再通過三角自卷積窗的方式便能夠實現對基波電能的準確計量。

2.2 帶加權系數的諧波有功計量法

該方法實質上就是對基波電能和諧波電能進行分別計量的改進型計量方式，其計算公式如下：

. （2）

式（2）中，W1為基波電能；Whpos為正向諧波電能；Whopp為反向諧波電能；Chpos為正向諧波電能的加權系數（01）。

通過這種計量方式，不但能夠對電力系統中受到諧波危害的線性負荷用戶進行一次補償，而且還能對非線性負荷用戶引起的諧波電能進行合理處置，實現了以經濟手段減少諧波對電力系統影響的目標，確保了電能計量的公平性和準確性。該方法適用于諧波污染較為嚴重的系統，例如發電站、三類用戶和大動力用戶等。依據上文的分析可知，當諧波存在時，電能表應當對基波電能進行計量，并對諧波的影響程度進行分析，以此確保對基波電能計費有一定的折扣。由此一來，大的諧波源用戶便會積極采取各種有效的措施對諧波進行治理，而線性負荷用戶也會隨之獲得一定程度的補償。

3 結束語

總而言之，諧波是電力系統運行中不可避免的一種現象，其不僅對系統的危害較大，而且還會影響電能計量的準確性。由于諧波無法徹底消除，所以只能夠通過采取有效的方法對電能計量進行改進，從而在確保電力用戶利益不受損害的同時，進一步提高供電企業的經濟效益。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕