諧波存在時電能計(jì)量方式的改進(jìn)及應(yīng)用

許華霞

摘要：電能在我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著不可替代的作用，電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性直接關(guān)系到社會生產(chǎn)和人們的日常生活，而電能的計(jì)量也是電力供應(yīng)中非常重要的工作。文章介紹了諧波的相關(guān)概念和諧波存在的危害，分析了諧波存在時對電能計(jì)量的影響，并就諧波存在時電能計(jì)量方式的改進(jìn)及應(yīng)用展開論述。

關(guān)鍵詞：諧波；電能計(jì)量方式；電網(wǎng)運(yùn)行；電力供應(yīng)；計(jì)量誤差 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM714 文章編號：1009-2374（2016）08-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.015

1 諧波的相關(guān)概述

1.1 諧波的概念

諧波是指在同一周期內(nèi)電氣量的正弦波分量，諧波次數(shù)通常為諧波與基波頻率的整數(shù)比值，這是因?yàn)橹C波的固有頻率一定是基波頻率的整數(shù)倍，因而其整數(shù)倍比值也就是諧波次數(shù)。在電網(wǎng)的運(yùn)行過程中，受到各種因素的影響，會不可避免地產(chǎn)生諧波。當(dāng)諧波在電網(wǎng)中存在量過大時，則會影響到電能計(jì)量，導(dǎo)致電能計(jì)量誤差的出現(xiàn)。電能計(jì)量誤差是指電能表上的讀數(shù)與實(shí)際被測量出的電能值不一致，兩者之間的誤差即電能計(jì)量誤差，使用一定的公式可對諧波存在時導(dǎo)致的電能計(jì)量誤差進(jìn)行計(jì)算。

1.2 諧波的危害

在電網(wǎng)的運(yùn)行過程中，會不可避免地產(chǎn)生一些諧波，而諧波的存在會產(chǎn)生非常大的危害，主要表現(xiàn)在對設(shè)備的損害、導(dǎo)致電力事故的發(fā)生以及造成電能計(jì)量表的誤差等方面。隨著人們對電能需求量的不斷增大，電網(wǎng)中對電能的運(yùn)輸量也隨之增大，大量的諧波也因此產(chǎn)生。諧波對電力系統(tǒng)中各種設(shè)備和線路都會造成一定的影響，如縮短線路和電力設(shè)備的使用壽命、對其產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞等。這樣一來使得電力行業(yè)在電力的維護(hù)與運(yùn)行中所需的成本越來越高，降低其經(jīng)濟(jì)效益，并在一定程度上造成電能供應(yīng)的不穩(wěn)定。除此之外，電網(wǎng)中大量諧波存在時會引發(fā)電路中出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，對串聯(lián)電路或并聯(lián)電路均有影響，進(jìn)而導(dǎo)致輸電線路內(nèi)過電流或過電壓情況的發(fā)生，引發(fā)安全事故。線路中出現(xiàn)過電壓或過電流情況較輕時會加快電氣設(shè)備的老化速度，產(chǎn)生額外的能耗，使供電設(shè)備無法正常使用，電能計(jì)量和測量儀器顯示異常，進(jìn)而造成電能計(jì)量出現(xiàn)誤差，會對通信器材和設(shè)備造成一定程度的損壞，嚴(yán)重影響信號傳輸質(zhì)量，例如出現(xiàn)信號傳輸失真甚至無法進(jìn)行傳輸?shù)臓顩r。諧波對通信器材與設(shè)備的影響情況較為嚴(yán)重時會使相關(guān)儀器過熱，進(jìn)而導(dǎo)致其損毀甚至爆炸，不僅會威脅到電力工作人員的人身安全，同時還會給電力企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由此看來，諧波的存在會產(chǎn)生十分嚴(yán)重的危害，一方面影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，另一方面給國家和社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，不僅不利于工業(yè)的發(fā)展，反而會對人們的日常用電產(chǎn)生不良影響。

2 諧波存在時對電能計(jì)量的影響

由于諧波存在時本身帶有功率，因此諧波存在時必然會使電能計(jì)量產(chǎn)生一定的誤差，即電能計(jì)量表上的讀數(shù)與實(shí)際所用電能值不符。因諧波存在時，其主要由基波電流、電壓或是基波電量中所產(chǎn)生，當(dāng)基波電壓、電流保持始終不變的情況下，電能表的線圈和抗阻結(jié)構(gòu)作用會發(fā)生一定的變化。由于電壓磁通和電流磁通之間存在一定的關(guān)系，當(dāng)阻抗呈小幅度變化時，會相應(yīng)導(dǎo)致進(jìn)入到電能表中的實(shí)際電流值發(fā)生變化，影響電能表數(shù)值的準(zhǔn)確性。長此以往，多余的電量使得電能表負(fù)載運(yùn)行，最終導(dǎo)致電能表的計(jì)量精準(zhǔn)度下降，影響電能計(jì)量工作的順利進(jìn)行。

諧波存在時可用E'=C1E1+ΣChEh這一公式計(jì)算電能表中所反映的電能值，其中E1和Eh分別表示的是基波電能值和h次諧波的電能值；C1和Ch分別表示電能表中h次基波值和h次諧波的比例系數(shù)。公式中的代表符號并不是固定的，以國際實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。

諧波的存在使得電能計(jì)量出現(xiàn)誤差，不僅會對電網(wǎng)造成一定的損害，還會導(dǎo)致用電用戶在繳納電費(fèi)時出現(xiàn)多交或少交電費(fèi)的情況。對電子式電能計(jì)量表來說，諧波的存在對其電量計(jì)算產(chǎn)生的誤差針對不同的用戶可以具體分為兩種情況：當(dāng)用戶源頭出現(xiàn)諧波時則會使電能表的數(shù)值小于實(shí)際基波電能值，那么用電用戶繳納電費(fèi)時則會相對少交；而當(dāng)非用戶端產(chǎn)生諧波時，此時的電能表所反映的數(shù)值會大于實(shí)際基波電能值，那么用戶則會繳納多余的電費(fèi)。由此看來，電能表計(jì)量受諧波影響產(chǎn)生的誤差嚴(yán)重影響到用電用戶和電力企業(yè)雙方的經(jīng)濟(jì)利益，違背了社會公平公正的發(fā)展原則和要求。電能計(jì)量出現(xiàn)誤差對電力行業(yè)以及工業(yè)和其他行業(yè)的發(fā)展都十分不利，影響社會的穩(wěn)定，并造成一定的社會經(jīng)濟(jì)損失。因此，加強(qiáng)對諧波存在時電能計(jì)量方法的研究，對其進(jìn)行改進(jìn)，從而解決諧波存在時電能計(jì)量出現(xiàn)誤差問題，提高電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，對保證電力行業(yè)的健康快速發(fā)展具有重要意義。

3 諧波存在時電能計(jì)量方式的改進(jìn)及應(yīng)用

3.1 推廣全電子式電能表

改進(jìn)諧波存在時電能計(jì)量方式，主要是為了減少諧波存在時電能計(jì)量產(chǎn)生的誤差，提高電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，需要對諧波有充分的認(rèn)識。電力工作人員應(yīng)充分了解諧波產(chǎn)生的原因及其影響因素，對諧波在電力系統(tǒng)中具體是如何產(chǎn)生作用以及諧波對電力系統(tǒng)具體會產(chǎn)生哪些影響等問題有足夠的了解與掌握。傳統(tǒng)全能量式計(jì)量方法在現(xiàn)代電能計(jì)量工作中十分不合理，特別是諧波存在時的電能計(jì)量會產(chǎn)生較大的誤差。電子式電能表因諧波的存在而產(chǎn)生誤差主要是由傳統(tǒng)的點(diǎn)擊算法造成的。因此，對諧波存在時電能計(jì)量方式進(jìn)行改進(jìn)，首先就要改變電能的計(jì)量算法。推廣全電子式電能計(jì)量表能有效地減少諧波存在時電能計(jì)量的誤差。全電子式電能表的計(jì)量方法較為復(fù)雜，需要由技術(shù)人員專門進(jìn)行操作。全電子式電能表的計(jì)量方法為：W=C1W1-CfinWfin+Cfout∣Wfout∣，其中W1所代表的是負(fù)載消耗的基波電能；Wfin代表的是被吸收諧波電能；Wfout表示的是輸電過程中所產(chǎn)生的諧波電能；C1、Cfin、Cfout三項(xiàng)代表以上三種電能相應(yīng)的加強(qiáng)系數(shù)。在對電能表電能進(jìn)行實(shí)際計(jì)量時，通常會將C1這個參照值設(shè)為1，當(dāng)Cfout>1時，表示諧波產(chǎn)生于用戶端，此時所顯示的電能計(jì)量值較實(shí)際小，用戶也因此少繳納一部分電費(fèi)，那么需要通過將所顯示的電費(fèi)與誤差電費(fèi)相加得出用戶實(shí)際須繳納的電費(fèi)；當(dāng)

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3.2 頻域電能計(jì)量法

頻域電能計(jì)量法是對諧波存在時所產(chǎn)生的電能計(jì)量影響進(jìn)行排除，防止對諧波分析時產(chǎn)生的影響因素，從而得到準(zhǔn)確的諧波頻率以及電能值。通過對電流加窗離散化，使電壓信號序列，從而降低頻譜外泄，加窗后的諧波電流電壓序列進(jìn)行離散傅里葉變換，利用FFT的計(jì)算方法可以對加窗后的電流與電壓頻域參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為Pk=。在對頻域內(nèi)參數(shù)估量計(jì)算后，根據(jù)FFT的計(jì)算方法得出的結(jié)果，得到電流和電壓信號中諧波分量的品藍(lán)偏差、相位、幅值等信息和數(shù)據(jù)。在根據(jù)這一計(jì)算公式得出各次諧波的無功電能和有波電能后對應(yīng)相應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)，可以將諧波存在時對基波計(jì)量造成的影響直觀地反映出來。仿真實(shí)驗(yàn)是以一種模式實(shí)驗(yàn)的方式直接對諧波進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)，通過仿真實(shí)驗(yàn)可以得出實(shí)際情況下諧波對電能表計(jì)量產(chǎn)生的影響數(shù)據(jù)。頻域電能計(jì)量法中包含了仿真實(shí)驗(yàn)以及噪聲存在時仿真實(shí)驗(yàn)等方法，最后通過三角卷積窗公式

=WT（t）×WT（t）……WT（t）對基波電能進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)量，得出實(shí)際電能數(shù)據(jù)。

3.3 帶加權(quán)系數(shù)的諧波有功計(jì)量法

帶加權(quán)系數(shù)的諧波實(shí)質(zhì)上是一種分別對基波電能和諧波電能進(jìn)行計(jì)量的方法，其計(jì)算公式為W=W1-ChposΣWhpos+ChoppΣWhopp。這一公式中W1表示基波電能；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(quán)系數(shù)，其范圍在0～1之間；Chopp為反向諧波電能的加權(quán)系數(shù)，大于1。通過這種計(jì)量方式能實(shí)現(xiàn)對電力系統(tǒng)中受到諧波危害的線性負(fù)荷用戶的一次性補(bǔ)償，同時還能合理地處置由非線性負(fù)荷用戶引起的諧波電能問題，有效地提高了電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，確保了電力收費(fèi)的公平性。

4 結(jié)語

隨著信息時代的到來，電子產(chǎn)品的生產(chǎn)量和使用量也在不斷增加，這就使得大量的諧波被注入到電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行過程中。諧波存在時對電能的計(jì)量會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，使其出現(xiàn)較大的誤差。只有對諧波產(chǎn)生的源頭進(jìn)行分析，并采取相關(guān)對策改變電能計(jì)量方式，才能解決該問題。通過推廣全電子式電能表、采用頻域電能計(jì)量法，實(shí)現(xiàn)對電力用戶基波電量和諧波電能分開計(jì)算，從而準(zhǔn)確地對用電用戶電能的使用情況進(jìn)行計(jì)量。應(yīng)用以上方法相信能將諧波存在時對電能計(jì)量誤差的影響降到最低，從而推動我國電力行業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]許翼康，汪神鋒.電能計(jì)量方式及其準(zhǔn)確性探討[J].科技與生活，2011，26（18）.

[2]孫衛(wèi)明，趙偉.諧波和間諧波對全電能計(jì)量準(zhǔn)確度的影響[J].電測與儀表，2011，48（9）.

[3]韓興，蔚永軍.諧波存在時的改進(jìn)電能計(jì)量方法及應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2014，36（35）.

[4]韓英.諧波條件下合理的電能計(jì)量方式的研究[J].中國科技博覽，2010，11（4）.

[5]夏向宇，張博.基于諧波污染的新型電能計(jì)量方式的探討[A].2010年中國電機(jī)工程學(xué)會年會論文集[C].2010.

[6]趙偉，彭宏亮，孫衛(wèi)明，等.諧波條件下基于計(jì)量誤差量化分析的電能計(jì)量方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2015，39（12）.

[7]柴玉華，胡佳琦.提高電能計(jì)量準(zhǔn)確性的方法研究

[J].科技展望，2015，14（9）.

（責(zé)任編輯：黃銀芳）