諧波背景下電能計量系統(tǒng)的計量誤差分析

張彪 黃如玉 李坎立

國網(wǎng)山東鄆城縣供電公司 山東鄆城 274700

摘要：對于電力工作人員而言，對電能計量方法進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，消除電能計量誤差，是當(dāng)前需要重點(diǎn)研究的課題。本文首先分析了產(chǎn)生諧波的原因，然后闡述了諧波下電能計量系統(tǒng)存在的誤差，最后探討了諧波存在時電能計量的有效方法。

關(guān)鍵詞：諧波；電能計量；計量誤差；電能表

一、產(chǎn)生諧波的原因

產(chǎn)生諧波主要是因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中非線性負(fù)載所引起的，比如逆變器、變頻器等一些變流設(shè)備，具體表現(xiàn)在三方面：

（一）發(fā)電原因

電站發(fā)電機(jī)中的三相繞組并不能完全對稱，在制作的過程中也不能滿足這個要求，而且繞過鐵心均勻也是比較困難的，這對發(fā)電機(jī)的電源質(zhì)量有很大影響，

諧波也就此產(chǎn)生。

（二）輸配電系統(tǒng)的原因

在這個系統(tǒng)中，變壓器很容易產(chǎn)生諧波，它的鐵心呈現(xiàn)飽和的狀態(tài)，而且磁化曲線還是非線性的，變壓器在工作的時候磁密就在曲線的飽和段上，影響著變

壓器的正常運(yùn)行，這導(dǎo)致了電壓器的磁化電流出現(xiàn)了尖項(xiàng)波形，奇次諧波就在其中產(chǎn)生。通過實(shí)踐證明，如果變壓器鐵心的飽和度高的話，線性就越偏離工作的點(diǎn)位，也就非常容易有更大諧波電流產(chǎn)生；相反，就不會有很大的諧波產(chǎn)生。

（三）用電的原因

晶閘管被廣泛用在電氣設(shè)備中，在用電的過程中，電氣設(shè)備很容易引發(fā)諧波產(chǎn)生，尤其是晶閘管材質(zhì)的整流設(shè)備。現(xiàn)在社會中，有很多電力設(shè)備都引用了晶閘管，常見的有電源的開關(guān)、電動車、所有的充電設(shè)備等，這些都是非常容易產(chǎn)生諧波的，影響著電網(wǎng)的正常運(yùn)行。在單相整流的電路裝置與感性負(fù)載相連接的時候，就會有奇次諧波電流產(chǎn)生，最高的時候諧波要占據(jù)基波三層左右，比例非常大；而與容性負(fù)荷相連接的時候，會有奇次諧波電壓產(chǎn)生，它還會根據(jù)電容值增加的頻率有所增加；此外，還有一種最大容量的諧波源，是通過整流裝置所產(chǎn)生的，占據(jù)了基波的四層左右，

二、諧波下電能計量系統(tǒng)存在的誤差

電能計量系統(tǒng)存在的計量誤差，屬全部計量裝置方面的誤差，主要可分電能表、電壓互感設(shè)備及 TA 誤差，電能計量系統(tǒng)誤差應(yīng)從下述幾方面加以合理分析。

（一）電子類型的電能表

包括：機(jī)電類型的電能表和電子類型的電能表。前者主要通過測量、電子方面的部件組成，因此類電能表波形信號裝置多通過脈沖信號，也可叫感應(yīng)類型的脈沖電能表。電子類型的電能表，可叫固態(tài)類型多功能電能表/精致類型電能表，主要通過大規(guī)模的繼承芯片所組成，通過電子電路實(shí)現(xiàn)。電子類型的電能表同時又可分為模擬乘法式及數(shù)字型電能表兩種。

1.模擬乘法設(shè)備式電能表

這類型的電能表的構(gòu)成部分為：輸入、乘法設(shè)備、電壓、轉(zhuǎn)化器、頻率轉(zhuǎn)換器、輸出部分等。模擬乘法設(shè)備電能表，其工作的基本原理為：將電壓信號U及電流信號I輸入，將其轉(zhuǎn)換為乘法器的時候，可充分的接受信號，通過其獲取一段時間內(nèi)的功率。其二，把平均功勞的信號轉(zhuǎn)化成頻率脈沖信號，通過頻率信號技術(shù)的方式獲取這一段時間的具體電量。電子類型的電能表的乘法設(shè)備，主要的作用為將輸入的電壓和電流信號，通過比例轉(zhuǎn)換成功率設(shè)備。而模擬乘法設(shè)備的種類非常多。通過原理進(jìn)行劃分，主要可分為分割乘法設(shè)備、霍爾乘法設(shè)備。現(xiàn)當(dāng)今，我國電子類型的電能表一般會應(yīng)用分割乘法設(shè)備。模擬乘法設(shè)備電能表的誤差，一般會來源于模擬乘法器。輸入分割乘法設(shè)備的信號，其具有較高的諧波，這時應(yīng)結(jié)合分割乘法設(shè)備計量的基本原理輸入信號，禁止通過簡便的直流信號。

2.數(shù)字類型電能表

數(shù)字類型的電能表的誤差，一般多來源于數(shù)字乘法設(shè)備，其通過采樣的方式保持、模擬的方式保持或數(shù)字轉(zhuǎn)換組成。所以，對上述工作原理及諧波條件引入誤差，進(jìn)而獲得數(shù)字型電能表計量的誤差。

（二）CVT諧波測量的誤差

諧波情況下，能夠有效的補(bǔ)償電抗設(shè)備、中間變壓設(shè)備、阻尼設(shè)備等，其均有可能于飽和的范圍內(nèi)，所以應(yīng)充分的考慮到其特征和性能，如非線性。我國110kV和發(fā)電廠升壓站、變電站母線和出現(xiàn)等均通過CVT。然而，相關(guān)的研究顯示CVT不能應(yīng)用到諧波的測量中。國際電工IEC的標(biāo)準(zhǔn)中，具有明確的標(biāo)準(zhǔn)，CVT進(jìn)行測量繞組需確保在既定頻率的基礎(chǔ)上98%～100%左右，滿足精度方面的標(biāo)準(zhǔn)。保護(hù)繞組與既定的頻率95%～101%左右，達(dá)成精度方面的要求。CTV于基波電壓的基礎(chǔ)上、系統(tǒng)保護(hù)、自動裝置基波信號變換的情況下，能夠達(dá)成系統(tǒng)方面的要求。然而，測電壓頻率出現(xiàn)一定變化的時候，存在諧波的時候，CVT通過電容分壓設(shè)備等值電容、補(bǔ)償電抗設(shè)備電感方面所構(gòu)成，這時LC串聯(lián)諧振的回路就會出現(xiàn)偏離的現(xiàn)象，致使其測量存在較大的誤差。所以，諧波系統(tǒng)CVT不能夠有效的反應(yīng)真實(shí)的狀況。實(shí)行諧波測量的過程，以CVT變換裝置獲得二次測信號，所以存在一定誤差。

三、諧波存在時電能計量的有效方法

針對上述問題，電力工作人員應(yīng)該充分重視起來，結(jié)合諧波原理以及諧波產(chǎn)生的基本要素，對諧波的危害進(jìn)行約束，從而提升計量的準(zhǔn)確性。從目前來看，諧波存在時，電能計量的有效措施，包括以下幾種：

（一）應(yīng)用全電子式智能電能表

全電子式智能電能表在計量中存在的誤差，主要是由點(diǎn)積算法引起的，因此，對電能表進(jìn)行更新，需要從計算算法開始。應(yīng)該對電力系統(tǒng)中各次諧波的含量進(jìn)行檢測，針對諧波類型提出相應(yīng)的解決方案。當(dāng)前應(yīng)用的全電子式電能表，在計量方法上相當(dāng)復(fù)雜，必須由專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作，而且生產(chǎn)成本相對較高，因此一般都是在大中型工業(yè)企業(yè)中被廣泛應(yīng)用，可以有效降低諧波對于電能計量的影響。全電子式智能電能表的計量方法如下：在實(shí)際計量中，需要對帶加權(quán)系數(shù)、諧波電能以及基波電能等進(jìn)行分別計量。

W=C1W1-CfinWfin+Cfout|Wfout|

其中，W1、Wfin、Wfout分別代表負(fù)載所消耗的基波電能、吸收的諧波電能以及產(chǎn)生的諧波電能；而C1、Cfin、Cfout則代表相應(yīng)的加強(qiáng)系數(shù)。一般情況下，將C1設(shè)置為1，則當(dāng)Cfout大于1時，則應(yīng)該對發(fā)出諧波電能的非線性負(fù)載用戶進(jìn)行懲罰；當(dāng)Cfout在0-1的范圍內(nèi)時，則對線性負(fù)載用戶進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。這種計量方法，能夠有效避免因電能計量誤差而引發(fā)的收費(fèi)不公現(xiàn)象，同時可以利用經(jīng)濟(jì)手段，督促用戶采取相應(yīng)的措施，減少注入電網(wǎng)的諧波量。

（二）采用頻域電能計量方法

在實(shí)際應(yīng)用中，首先，應(yīng)該對離散化的電流和電壓信號序列進(jìn)行相應(yīng)的加窗處理，以降低頻譜泄露，避免其可能對諧波分析造成的影響；其次，對加窗后的諧波電流電壓序列進(jìn)行離散傅里葉變換；然后，結(jié)合FFT計算方法，對頻域參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的估量和計算，以獲取電流和電壓信號中存在的諧波分量頻率偏差、相位及幅值等；最后，由FFT算法得到加窗后的電流電壓頻域參數(shù)，結(jié)合相應(yīng)的公式，對各次諧波無功電能及有功電能進(jìn)行計算。

（三）仿真實(shí)驗(yàn)

通過相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，可以得到諧波存在時的電能計量誤差數(shù)據(jù)，同時通過三角自卷積窗方式，實(shí)現(xiàn)對于基波電能的準(zhǔn)確計量，以保證電能計量的可靠性和準(zhǔn)確性。

結(jié)語

綜上，諧波對于電力系統(tǒng)的危害是非常巨大的，當(dāng)諧波存在時，電能計量可能會出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，影響電力用戶和供電企業(yè)雙方的利益。因此，電力工作人員應(yīng)該充分重視起來，采取合理有效的措施，對計量方式進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)基波電能和諧波電能的分別計算，從而保證電能計量的準(zhǔn)確性，保證我國電力行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]查利冬.諧波存在時的電能計量誤差與改進(jìn)技術(shù)分析[J].江西建材.2014（22）

[2]袁丁，鄧潔.諧波存在時的改進(jìn)電能計量方法及應(yīng)用[J].科技與企業(yè).2012（24）

[3]溫和，滕召勝，胡曉光，王永，曾博.諧波存在時的改進(jìn)電能計量方法及應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報.2011（01）