諧波背景下電能計量系統的計量誤差分析

計德威

摘要：作為電力系統運營管理中的一個重要組成部分，電能計量工作關系著電費的收取，影響著電力資源的使用，其準確性直接影響著電力企業和電力用戶的切身利益，必須得到足夠的重視。本文結合諧波產生的原因，就諧波背景下電能計量系統計量誤差進行了分析和研究，并就電能計量模式的合理性提出了幾點建議。

關鍵詞：諧波；電能計量系統；計量誤差

前言：

工業化進程的加快不僅帶動了社會經濟的高速發展，也使得社會對于電能的需求不斷增大，電力行業迅速成為國民經濟發展中的支柱產業。對于電力企業而言，做好電能計量工作非常重要，而諧波的存在會對電能計量工作的準確性造成一定影響，需要電力企業重視起來，做好計量誤差的分析和應對。

1 諧波產生的原因

在電力系統中，諧波產生的原因是多方面的，一是電源端諧波，在當前的技術條件下，想要實現發電機三相繞組的絕對對稱極其困難，鐵芯的絕對均勻也是一種奢望，加上其他因素的影響，電源端會產生部分諧波；二是輸配電過程諧波，這也是電網諧波的主要來源，分析原因，主要是在對變壓器等設備進行設計的過程中，不僅需要考慮合理性和實用性，還需要關注成本，在這種情況下，如果鐵芯磁化曲線處于非線性飽和態，則在運行過程中產生的磁化電流會引發奇次諧波，諧波比例可能超過變壓器額定電流的0.5%；三是電力設備諧波，例如，整流晶閘管在開關電源、充電裝置和機電控制等方面有著廣泛的應用，而其在運行過程中會產生大量諧波，相關統計數據顯示，整流設備引發的諧波占據了電網諧波總量的40%左右；變頻設備的控制非常方便，可以有效減少能源的浪費，但是其本身相位控制的形式導致諧波成分較為復雜，對于電網的影響同樣不容忽視；冰箱、洗衣機等家用電器中含有繞組，受不平衡電流變化的影響，同樣會導致電源波形的改變，引發諧波問題[1]。

2 諧波背景下的電能計量系統計量誤差

諧波對于電能計量系統的影響主要體現在電能表計量誤差方面，考慮在智能電網飛速發展帶動下，傳統機械式電能表和電磁感應電能表逐漸被電子式智能電表淘汰，這里僅針對電子式電能表進行分析和討論。

2.1電能表誤差

2.1.1模擬乘法器電能表

這種電能表包括了輸入部分、輸出部分、乘法器以及電壓/頻率轉換器等，在運行過程中，轉換器會將輸入的電壓電流信號轉換為能夠被乘法器接收的信號，乘法器結合信號得到平均功率，然后將之轉化為頻率脈沖信號，通過對信號的計數實現電能計量。模擬乘法器是電能表誤差的主要來源，如果輸入的乘法器中的信號含有高次諧波，則依照其計量原理分析，輸入信號不再是簡單的直流信號，在同等時間間隔下，輸入高次諧波的變化較基波更大，如在這種情況下，電能表計量結果會出現原理性誤差（見圖1）。

2.1.2數字式電能表

數字式電能表的計量誤差多數情況下來源于數字乘法器，包括了采樣保持部分和A/D轉換部分，這里假定輸入量為h次同頻率諧波，則存在

公式中，b表示A/D轉換器位數，Ns表示一個周期的采樣點數。結合公式分析，A/D轉換器的位數越高，則量化誤差越小，相對誤差也越小。

2.2計量系統誤差

一般情況下，電能計量系統包括了電能表、計量二次回路、CVT和TA等，對于高壓線路的電壓和電流，需要首先經過互感器轉換，然后才會輸入到電能表中，計算相應的功率值。事實上，在電能計量系統中，每一個組成部分都可能會產生誤差，其誤差構成如圖2所示。

這里的誤差包括了相位誤差和幅值誤差，如果處于單次諧波條件下，電能表本身并不會出現相位偏移問題，但是CVT和TA會導致電壓與電流的相位偏移，從而導致計量誤差的增大。而在多次諧波條件下，電能計量系統的計量誤差會變得更加復雜。

在基波與諧波背景下，開展電能計量系統的計量誤差分析，如果能夠切實保證電能表與TA的計量精度，則CVT諧波計量誤差會直接決定諧波計量誤差，而在諧波背景下，由于無法實現CVT的準確測量，可以通過提升電壓互感器計量精度的方式來保證計量結果準確可靠[2]。

3 電能計量模式合理性研究

針對諧波背景下的電能計量誤差問題，當前我國已經形成了相關規范，不過在規范中雖然提到了諧波對于電能計量準確性的影響，卻并沒有將諧波電能的計量納入其中。從目前來看，常見的電能計量模式有三種：一是基波計量模式，配合基波電能表，僅對用戶消耗的基波功率進行計量，因此不會受到CVT對諧波測量誤差的影響；二是全波計量模式，配合頻率響應較寬的電子式電能表實現對于基波和諧波的同時計量，因此在理論上，會將用戶小號的基波功率以及發出或者吸收的諧波功率全部計算到電費中，這也是我國當前采用的電能計量模式；三是單獨計量模式，即采用基波表計量用戶的基波功率，采用諧波表計量用戶的諧波功率，在這種情況下，要求電能表必須能夠對諧波功率進行準確計量。

這三種計量模式并不存在絕對的合理性或者準確性，主要是面對的負荷類型不同，產生的效果也存在較大差異。不過伴隨著技術的發展，電能表已經能夠實現對基波功率和諧波功率的精確計量，而對于電能計量系統而言，對于諧波的計量精度相對較大，導致這種情況的主要原因是互感器本身的計量精度有待提高。因此，想要保證電能計量模式的合理性，需要提升電能計量系統的精確性，準確判斷諧波來源，對用戶類型、基波電能以及諧波電能等進行合理區分[3]。

4 結語

總而言之，諧波的存在不僅會影響電力設備的正常運行，也會導致用戶電費的增加，因此，電力企業應該重視起來，做好諧波影響下電能計量系統計量誤差的分析，采取切實有效的措施和方法，降低諧波影響，維護好電力企業和電力用戶雙方的利益。

參考文獻：

[1]趙偉，孫衛明，彭宏亮，等.諧波條件下基于計量誤差量化分析的電能計量方案[J].電力系統自動化，2015，39（12）：121-125，15.

[2]潘超，寧星，鄭華金.基于諧波背景下的電能計量系統的計量誤差分析[J].建材與裝飾，2016，（46）：202-203.

[3]王鳴陽.分析諧波背景下電能計量系統的計量誤差[J].智能城市，2017，（2）：42.endprint