諧波對電能計量的影響研究

邵志輝

內蒙古電力（集團）有限責任公司烏海電業局

諧波對電能計量的影響研究

邵志輝

內蒙古電力（集團）有限責任公司烏海電業局

本文主要分析了電能計量中諧波影響原理，并通過實驗分析了諧波的電能表誤差頻率特性和基波疊加單一諧波誤差，最后提出了改善諧波對電能表計量影響的對策。

諧波；電能計量；電能表；非線性用戶

1 引言

隨著國民經濟的飛速發展和人民物質水平要求的不斷增加，電能在國家的核心發展中占據著重要的地位。而在當前的電力系統，在通過非線性設備時，正弦供電非正弦電流也就是我們所說的諧波電流，諧波電流的產生只跟自身特性、工作狀態和外加電壓相關。諧波具有一定的危害性，比如破壞正常的供電電壓，降低整個電網的供電質量，進而威脅到電力系統的安全運行，對用電設備及以外設備產生危害。因此，必須采取措施將流入電網的諧波電流和諧波電壓控制在允許范圍以內。

2 諧波對電能計量影響的機理

2.1 諧波源負荷的功率

諧波源用戶注入公網的諧波電能只跟自身特性、工作狀態和外加電壓相關。因此，我們在分析時諧波源負荷的功率假設供電系統中只有一個諧波源用戶，且供電系統供電電壓為標準的正弦波，然后分析用戶接入后的諧波源負荷功率。

電網提供給諧波源用戶的功率為P，諧波源實際消耗的有功功率為，轉化成諧波有功功率所需要的基波有功功率為Ph，因此，總基波有功功率P為P1和P2之和，總負荷功率為P和Ph之和。在用戶從電網中獲取基波功率的同時將的基波功率轉化為諧波功率輸入到電網中。假設流出母線的功率為正，反之為負，則諧波源產生的諧波電流是流入母線的，功率為負，因此諧波源負荷總功率小于從電網汲取的總基波有功功率，考慮到Ph對于電網是不利的諧波功率，所以諧波源用戶在對電網造成污染的同時還減少了計算電量。

2.2 非諧波源用戶的功率

因為母線中也包含了諧波電壓，因此非諧波源用戶的功率為P1和Ph的和，也受到了諧波污染，且P1和Ph是同方向的，導致電量計算增加。

3 諧波對電能表影響的實驗

3.1 電能表誤差頻率特性分析

研究波形畸變對電能表計量影響最根本的依據就是電能表誤差頻率特性，感應式電能表誤差頻率曲線和電子式電能表誤差頻率曲線。感應式電能表的誤差頻率隨著諧波頻率的增高而增加，且呈現著下降的趨勢；電子式電能表誤差頻率也隨著諧波頻率的增高而增加，但呈現的平坦趨勢。因此，電子式電能表的計量誤差要遠小于感應式電能表的計量誤差。

3.2 基波疊加單一諧波誤差分析

考慮到電力系統當中三次諧波的含量最大，為便于分析諧波對電能表影響程度，采用的是在基波上疊加三次諧波，設誤差1為全能量為計量標準下的誤差，誤差2為基波能量為計量標準下的誤差，通過改變電壓、電流諧波含量與基波含量的比值，以及功率因數的參數值，對兩種電能表的誤差進行比較分析。部分計量誤差表如下：

經分析可以得出，在以全能量為計量標準是，感應式電能表的計量誤差要遠大于電子式電能表的計量誤差，而在以基波為計量標準時，感應式電能表的計量誤差略小于電子式電能表，在諧波頻率較高時遠小于電子式電能表。

4 改善諧波對電能表計量影響的對策

非線性用戶是電力系統當中的諧波源，為了改善諧波源用戶為電網帶來的污染，可以對諧波源污染用戶進行懲罰措施，但是同時也可以使用更有效的科學的電能質量計量方法，從根本去完善。基于國內目前有諧波功率潮流方向法、電流矢量法和神經網絡法等方法區分實際諧波，本文考慮使用基波電能計量，將諧波電流進行矢量分解來區分用戶負擔諧波的責任。具體是使用波動量法得到諧波阻抗，再使用諧波矢量分解法計算應當負擔的諧波責任。采用的是帶加權系數的諧波有功電能計量公式，這種計量收費方式，一方面可以補償受到諧波危害的線性用戶，另一方面合理處罰發出諧波的非線性的用戶，最終實現準確而公平的計量。這種方法適合于諧波污染較嚴重的電網系統。除此以外，本文設計了一種可以精確測量諧波電能的電能表，基本原理是由數字乘法器和MCU告訴數據處理器對電流、電壓的波形進行采樣，通過準確的電能測量、諧波分析和計算等工作顯示準確的諧波電能值。

5 結論

本文通過實驗進一步加深了諧波對電能計量影響的研究，常用的電能表會對諧波電能產生影響，引起計量誤差。本文提出的改進方法，使用加權系數的基波電能計量方法可以在污染較重的電網系統中減小諧波對系統的影響，雖然此方法也存在著一定的技術難度和成本過高的問題，實現起來較為復雜，但是可以供同行業參考與研究。依據國家對諧波的相關標準規范，保障維護公共連接點供電電壓的合格與安全，供電公司和用電客戶要聯合起來把諧波對電能計量的危害控制在一定范圍內，維護好自身利益。

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