廣義非線性電能計(jì)量校驗(yàn)及評(píng)測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

譚 華，夏 鵬，劉 靂

（1.中電投江西電力有限公司，江西南昌 330096；2.國(guó)網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院，江西南昌 330096）

0 引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量的電力電子裝置已被廣泛的應(yīng)用到電網(wǎng)中，進(jìn)而導(dǎo)致諧波含量的增加。諧波的存在將會(huì)影響電能計(jì)量裝置的計(jì)量準(zhǔn)確，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的計(jì)量誤差，影響了電網(wǎng)中相關(guān)各方的利益與交易的合理性。

目前，電能計(jì)量裝置仍按《DL/T448-2000電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》進(jìn)行配置。當(dāng)諧波含量增大到不滿足相應(yīng)要求時(shí)，將會(huì)極大的影響計(jì)量的準(zhǔn)確和可靠。難以滿足諧波源負(fù)荷、動(dòng)態(tài)負(fù)荷、沖擊負(fù)荷、等條件下的電能計(jì)量。為解決上述問(wèn)題，需要提出一種適用于現(xiàn)場(chǎng)非線性工況的電能計(jì)量方式和校驗(yàn)裝置?，F(xiàn)階段，一些電表廠家也研發(fā)了具有諧波計(jì)量功能的諧波電能表。但這種計(jì)量方式也有很大的局限性。首先，諧波電能表一般采用FFT算法，而基于FFT的諧波電能算法對(duì)于穩(wěn)態(tài)諧波分析比較有效，但對(duì)于非線性負(fù)荷所反映的暫態(tài)、沖擊過(guò)程缺乏有效檢測(cè)手段。

本文通過(guò)對(duì)沖擊負(fù)荷、動(dòng)態(tài)波動(dòng)負(fù)荷、諧波源負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，研究這些電網(wǎng)特殊負(fù)荷的數(shù)學(xué)特征，建立面向計(jì)量需求的負(fù)荷特征模型；針對(duì)這些典型的特殊負(fù)荷模型，提出適于現(xiàn)場(chǎng)工況的電能計(jì)量方式。

1 幾種典型非線性負(fù)荷的特點(diǎn)

1.1 鋼鐵企業(yè)諧波源的主要特點(diǎn)

電弧爐的冶煉過(guò)程中電流的波形變化極快，實(shí)際上每半個(gè)工頻周期的波形都不相同。由于電流波形不規(guī)律，故諧波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次諧波電流。據(jù)實(shí)測(cè)，第2、3、5次諧波電流含有率常達(dá)5%～6%及以上，嚴(yán)重時(shí)可達(dá)20%以上。

1.2 風(fēng)電廠諧波源的主要特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整流器和逆變器分別采用三相6脈動(dòng)整流橋或逆變橋，整流橋和逆變橋可統(tǒng)稱為換流橋，它們產(chǎn)生諧波的機(jī)理是一樣的。其中，三相6脈動(dòng)換流橋產(chǎn)生的特征諧波電流次數(shù)為h=6K±1，其中以5、7次諧波電流為主。

1.3 電氣化鐵路諧波源的主要特點(diǎn)

電力機(jī)車從接觸網(wǎng)獲取電能，再經(jīng)機(jī)車變壓器及機(jī)車整流裝置整流后再驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)，即交直牽引供電制式；另外，還有交直交牽引供電制式。電忒一諧波的產(chǎn)生、合成和變換過(guò)程可知，電鐵系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波全為奇次諧波，尤其以3、5、7次諧波電流最為顯著。

2 非線性負(fù)荷特征下對(duì)電能表的影響原理分析

由于諧波功率的大小和方向的影響，無(wú)論電源電壓波形是否畸變，只要系統(tǒng)中存在諧波功率，線性負(fù)載實(shí)際消耗的電能就大于其吸收的基波電能。而在一般情況下，非線性負(fù)載從系統(tǒng)吸收的背景諧波電能小于其向系統(tǒng)注入的諧波電能，所以非線性負(fù)載實(shí)際消耗的電能值要小于其吸收的基波電能值。如果按現(xiàn)行的電能計(jì)量方式，電能表反映的是基波和諧波的綜合電能。這就導(dǎo)致用戶實(shí)際消耗基波電能量與電能表讀數(shù)不等。按電能表讀數(shù)繳費(fèi)就會(huì)使非線性負(fù)載向系統(tǒng)注入諧波功率反而少繳電費(fèi)。

3 典型非線性負(fù)荷工況下電能表對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的測(cè)試分析

3.1 電能表對(duì)低功率因數(shù)的適應(yīng)性測(cè)試分析

實(shí)驗(yàn)條件：給定負(fù)載的視在功率2 kVA，功率因數(shù)從0.1~1變化（感性負(fù)載和容性負(fù)載分別進(jìn)行測(cè)試），仿真電源產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)無(wú)諧波干擾的交流正弦220 V、50 Hz的電壓，選取不同廠家的留樣表（精度等級(jí)為2級(jí)）4只進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，記錄測(cè)得的誤差值及不同功率因數(shù)下的無(wú)功功率值（kVA），如表1和2所示。

表1 不同功率因數(shù)（感性）下電能表的誤差值 %

表2 不同功率因數(shù)（容性）下電能表的誤差值 %

用功率分析儀日置3390觀察電源的失真率，當(dāng)功率因數(shù)從0.1~1變化時(shí)，諧波總失真率一直保持0.08%不變，從而排除電能表的計(jì)量誤差受諧波的影響。為了直觀觀察電能表誤差和功率因數(shù)的關(guān)系，將表1和表2的數(shù)據(jù)繪制圖形，如圖1所示。

圖1 電能表誤差和功率因數(shù)關(guān)系

由圖1可以看出：1）隨著負(fù)載功率因數(shù)的減小，電能表的誤差增大，當(dāng)功率因數(shù)減小到0.5以下時(shí)誤差增大幅度變大；2）被測(cè)表的誤差為負(fù)值。誤差為負(fù)值表明電能表所計(jì)電量小于標(biāo)準(zhǔn)表所計(jì)電量，即功率因數(shù)越小電能表所計(jì)電量的偏差越大，相當(dāng)于少計(jì)電量；3）功率因數(shù)的減小使得無(wú)功功率增大，增加了線路的損耗，降低電網(wǎng)線路的效率。

綜上，負(fù)載的功率因數(shù)影響計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性，應(yīng)盡量使負(fù)載在功率因數(shù)0.5以上工作；負(fù)載的功率因數(shù)降低時(shí)，無(wú)功功率變大，此時(shí)需要從網(wǎng)上吸收無(wú)功功率，這樣發(fā)電機(jī)組就要多發(fā)無(wú)功，而發(fā)無(wú)功也是需要能量的，相當(dāng)于降低了發(fā)電機(jī)的出力；且無(wú)功負(fù)荷在網(wǎng)上傳送占用了輸、變、配電設(shè)備的資源。

3.2 電能表對(duì)諧波工況的適應(yīng)性測(cè)試分析

某電能表廠家在電鐵牽引站實(shí)地掛表測(cè)試數(shù)據(jù)，電能表的安裝日期為2014年6月14日，2014年7月16日第一次抄表，2014年8月24日第二次抄表，所抄信息見(jiàn)表3所示。

表3 電鐵牽引站掛表數(shù)據(jù)

從表3 中可以看出，由于牽引站變向電網(wǎng)反送諧波，導(dǎo)致全波電能比基波電能少計(jì)最高達(dá)1.44%，如果再加上其向電網(wǎng)反送的諧波電能這個(gè)數(shù)值將接近3%，因此，諧波電能計(jì)量非常重要。建議在諧波含量大的地方為用戶安裝專用的諧波表，以便準(zhǔn)確計(jì)量諧波產(chǎn)生用戶的用電量。

4 結(jié)論

1）本文結(jié)合江西電網(wǎng)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)電能質(zhì)量典型擾動(dòng)源負(fù)荷進(jìn)行初步分類，并對(duì)典型負(fù)荷實(shí)際負(fù)載進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，建立了針對(duì)江西電網(wǎng)特殊負(fù)荷變化特征量的數(shù)據(jù)庫(kù)。并從電能計(jì)量系統(tǒng)研究出發(fā)，對(duì)江西電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行分類，重點(diǎn)研究了各類諧波源負(fù)荷對(duì)現(xiàn)行計(jì)量方式的影響。

2）針對(duì)江西電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)工況中出現(xiàn)的影響電能表計(jì)量準(zhǔn)確性的因素，利用電能表現(xiàn)場(chǎng)模擬仿真平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了具有針對(duì)性的實(shí)驗(yàn)，研究分析了電能表對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況環(huán)境的適應(yīng)性，并針對(duì)各類特定負(fù)荷提出了適應(yīng)其現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的計(jì)量方式。