電能計量系統(tǒng)的諧波研究

趙春雪

摘要：電能計量設(shè)備是用來顯示或者反映國家供電企業(yè)對用戶輸送電能的儀器，通過電能計量系統(tǒng)可以如實地反映出消費者消費了多少電能，也是用電消費者進(jìn)行結(jié)算的依據(jù)和憑證。電能計量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確性直接關(guān)系到國家與用電消費的切身利益。電能計量系統(tǒng)其主要由電能表、電壓互感器和電流互感器組成。每個組成部分在基波條件下所產(chǎn)生的誤差不會對總體的設(shè)計造成大的影響，但是在諧波條件下，各組成部分將會受到一定的影響。

關(guān)鍵詞：電能計量；諧波；影響因素

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與社會的進(jìn)步，我國對電能的需求越來越大，相關(guān)電能計量系統(tǒng)也得到了升級。電能計量的數(shù)據(jù)與供電方、用電方以及發(fā)電方的利益具有緊密的聯(lián)系。在電力技術(shù)不斷進(jìn)步的背景下，電能負(fù)荷量與電能容量不斷地上升，從而使電網(wǎng)中出現(xiàn)了諧波，諧波對電力系統(tǒng)造成了不利影響，可能降低系統(tǒng)的平穩(wěn)性。

1產(chǎn)生諧波的原因

1.1輸配電系統(tǒng)的原因

現(xiàn)階段，輸配電系統(tǒng)中的變壓器較容易產(chǎn)生諧波，主要是因為變壓器的鐵心易呈現(xiàn)出飽和狀態(tài)，同時由于磁化曲線具有非線性的特征，變壓器運行過程中磁密處于曲線的飽和段上，從而對變壓器的運行質(zhì)量造成影響，最終導(dǎo)致奇次諧波的產(chǎn)生。

1.2發(fā)電原因

目前的發(fā)電機中的三相繞組不具備完全對稱性，受制作技術(shù)的影響，三相繞組無法均勻地繞過鐵心，上述現(xiàn)象導(dǎo)致發(fā)電機的電源質(zhì)量發(fā)生下降，由此產(chǎn)生諧波。

1.3用電的原因

目前，許多電氣設(shè)備中設(shè)有晶閘管。由于晶閘管的存在，在用戶用電的過程中，晶閘管材質(zhì)的整流設(shè)備極有可能出現(xiàn)諧波。當(dāng)前，社會上許多充電設(shè)備中含有晶閘管，給諧波的產(chǎn)生提供了環(huán)境。

2諧波對電能計量系統(tǒng)的計算誤差分析

2.1電磁感應(yīng)電表

電磁感應(yīng)電能表是根據(jù)基波的原理而設(shè)計出來的。此外，在高次諧波電流與電壓存在的時候，電能表內(nèi)部的電壓線阻抗將會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，老式電能表的旋轉(zhuǎn)圓盤也會發(fā)生變化，這就會對電壓與電流的磁通產(chǎn)生影響，這一現(xiàn)象的發(fā)生會直接引起電能表計量數(shù)據(jù)誤差。

2.2全電子電能表

當(dāng)使用電能表計算電能數(shù)值時，中央處理器將分別計算不同頻率下的正弦電流電壓的數(shù)值，繼而開展采樣計量工作，采樣計量的數(shù)據(jù)來源于正弦規(guī)律電流電壓的部分計量數(shù)據(jù)，該計算方式通過記錄負(fù)載基波與諧波平均功率耗費的電量。如果諧波電流對基波產(chǎn)生影響，則負(fù)載電流與基波呈現(xiàn)的方向?qū)⑾喾矗娮与娔鼙砟軌蛟谥C波經(jīng)過負(fù)載電流流向電網(wǎng)的過程中將基波的有功電能與諧波的有功電能進(jìn)行記錄，不過基波電能在負(fù)載時消耗的電能要大于記錄下的用電電能，其是全電子電能表的嚴(yán)重缺陷，這種缺陷是致命的。

2.3對計量方式的影響

一直以來，電力系統(tǒng)中采用的都是全能量計量的方式，而由于技術(shù)條件、電網(wǎng)規(guī)模、用戶性質(zhì)等的影響，諧波基本上不會造成嚴(yán)重影響，因此在電能計量環(huán)節(jié)可以忽略諧波的存在。不過，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，使得越來越多的電器設(shè)備開始走入人們的日常生活，諧波源呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢，加上電網(wǎng)逐漸實現(xiàn)了全面覆蓋，整體結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，諧波的影響也在持續(xù)擴(kuò)大。諧波對于電能計量方式的影響主要體現(xiàn)在幾個方面，首先，在非正弦供電的線性荷載中，采用全能量計量的方式，得到的數(shù)值同時包含了基波電能以及部分諧波電能，導(dǎo)致了用戶用電量的增加；其次，在電網(wǎng)中，非線性負(fù)荷會產(chǎn)生相應(yīng)的諧波功率，其中的一部分會輸入到電網(wǎng)中，在這種情況下，電能計量得到的數(shù)值實際上是用戶的用電量減去輸入到電網(wǎng)中的諧波功率，較實際偏小，損害了電力企業(yè)的利益；然后，當(dāng)負(fù)載非線性，電源畸變時，負(fù)荷不僅會吸收基波與諧波，還會使得諧波倒流回電網(wǎng)，使得電能計量變得更加復(fù)雜。

2.4CTV諧波存在的誤差

仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，電壓源的有效值為1～1.5kV，相位為0°。幅值的誤差的仿真結(jié)果和相角的誤差的仿真結(jié)果均存在一定差異。CVT基波電壓進(jìn)行測量，準(zhǔn)確度非常高，然而諧波電壓進(jìn)行測量的幅度值的誤差應(yīng)在96%左右。諧波的情況，CVT會存在較大的相位偏差。由此可見，CVT不適宜在諧波的條件下進(jìn)行測量。（1）TA諧波的誤差仿真分析。仿真獲得次諧波的情況，功率因數(shù)顯示為1，負(fù)載率達(dá)到98%以上，TA仿真的時候，需將電流源合理的進(jìn)行設(shè)置，為1kA即可，相位保持為0°。綜上所述，諧波前提下，計量的精度較高，因為TA計量的精度非常高，所以其在TA測量的誤差與很小的范圍，TA適合于在諧波條件下進(jìn)行測量；（2）電能方面的劑量系統(tǒng)存在的劑量誤差。高壓電能的計量系統(tǒng)，一般多應(yīng)用于110kV系統(tǒng)，通過在不同條件下，電能計量的誤差也存在很大差異。

3應(yīng)對措施

一方面，應(yīng)該在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，對電能計量方式進(jìn)行改進(jìn)，盡可能實現(xiàn)波電能與諧波電能的分別計量，消除諧波所帶來的不良影響；另一方面，應(yīng)該對計量裝置進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，提升計量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。例如，可以結(jié)合分頻技術(shù)，針對電子式電能表進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和優(yōu)化處理，強化其對于諧波的辨識能力，使得其可以在電能計量中，準(zhǔn)確分辨諧波帶能和基波電能，甚至對諧波電能的大小以及傳遞方向進(jìn)行計量，減少乃至消除諧波對于電能計量準(zhǔn)確性的干擾和影響。

總之，在諧波背景不僅會影響輸電與配電及用電消費者的電力設(shè)備的正常運行，致使用電消費者的無功功率數(shù)值增大，增加消費者的電費支出，增大消費者的生活支出，不僅如此，還對其它的設(shè)備元件也會造成了較大的損害。在計量回路中應(yīng)該采用新型的基波電能表，采用分頻技術(shù)有針對性的計量基波電能和諧波電能，以達(dá)到增強非線性負(fù)荷的準(zhǔn)人方式，這樣將會最大限度控制或者降低諧波所引起的電能計量誤差現(xiàn)象，從而更有效地維護(hù)好供電方與用電消費者雙方的利益。