基于諧波電能表的電能計(jì)量模式探討

呂幾凡，胡瑛俊，沈建良，姚 力，傅曉平，賀 民，申 坤

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000；4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司禹城市供電公司，山東 禹城 251200）

0 引言

電能作為電網(wǎng)公司與電力用戶之間交易的商品，是以準(zhǔn)確、公平的計(jì)量為前提[1]。隨著電力電子技術(shù)及設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用，非線性負(fù)荷快速增加，導(dǎo)致電網(wǎng)中的諧波水平不斷增加。電網(wǎng)中的諧波一方面會(huì)對(duì)電力設(shè)備、用電設(shè)備以及通信設(shè)備的壽命及運(yùn)行產(chǎn)生影響，增加運(yùn)行成本；另一方面也會(huì)對(duì)諧波功率分?jǐn)偂㈦娔苡?jì)量準(zhǔn)確性以及電費(fèi)合理收取帶來挑戰(zhàn)。

為了驗(yàn)證諧波電能表（以下簡(jiǎn)稱“諧波表”）基波以及諧波的電能計(jì)量和電能質(zhì)量測(cè)量等功能，積累諧波表應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，探討基于諧波表的不同電能計(jì)量模式，自2017年10月在寧波、嘉興等地開展了諧波表試點(diǎn)應(yīng)用。本文重點(diǎn)對(duì)此次諧波表試點(diǎn)應(yīng)用中的電能計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并探討基于諧波表的電能計(jì)量問題。

1 諧波電能計(jì)量問題

諧波電能計(jì)量主要問題在于諧波電能計(jì)量準(zhǔn)確性以及諧波電能計(jì)量分?jǐn)?方面。

1.1 諧波對(duì)電能表計(jì)量準(zhǔn)確性的影響

當(dāng)前，電能計(jì)量普遍采用的是全波電能計(jì)量的模式，即總電能E等于基波電能E1與各次諧波電能Eh（h=2，3，…，n）的代數(shù)和。 但受電能表頻率響應(yīng)曲線以及電能表電壓采樣回路與電流采樣回路帶寬的限制，諧波次數(shù)越高，諧波電能越少，高次諧波電能的計(jì)量越不準(zhǔn)確。

1.2 諧波電能計(jì)量分?jǐn)?/h3>

以簡(jiǎn)明的供電系統(tǒng)示意圖，分析說明供電系統(tǒng)中存在線性及非線性負(fù)荷情況下的電能計(jì)量情況[2-6]。

圖1中的U源等效為供電系統(tǒng)中的電源，Z源，Z線路，Z線性負(fù)荷，Z非線性負(fù)荷分別等效為供電系統(tǒng)中的電源阻抗、輸電線路阻抗、線性負(fù)荷阻抗以及非線性負(fù)荷阻抗。假定供電系統(tǒng)中的電源為理想條件，不計(jì)及背景諧波等因素，發(fā)出基波功率P源，在被電源阻抗、電壓阻抗吸收了一部分后，流向負(fù)荷的功率 P負(fù)荷=P線性負(fù)荷+P非線性負(fù)荷。

圖1 供電系統(tǒng)示意

非線性負(fù)荷吸收的基波功率中除了用于維持用電設(shè)備運(yùn)行的功率外，另有一部分被用電設(shè)備轉(zhuǎn)化成了諧波功率P諧波，方向與基波功率相反，由負(fù)荷流向系統(tǒng)與線性負(fù)荷， 即 P諧波=P諧波（系統(tǒng)）+P諧波（線性負(fù)荷）。 因此非線性負(fù)荷接入點(diǎn)的功率為P非線性負(fù)荷總=（P非線性負(fù)荷-P諧波）＜P非線性負(fù)荷。

線性負(fù)荷由于諧波功率 P諧波（線性負(fù)荷）的存在，受到諧波的污染，且諧波功率方向與線性負(fù)荷吸收的基波功率P線性負(fù)荷相同，線性負(fù)荷接入點(diǎn)的功率為 P線性負(fù)荷總=（P線性負(fù)荷+P諧波（線性負(fù)荷））＞ P線性負(fù)荷。

電能等于功率對(duì)時(shí)間的積分。線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷吸收的電能分別用公式（1）和（2）表示。從理論分析可以得出，諧波功率是導(dǎo)致計(jì)量誤差的主要原因之一，按照當(dāng)前普遍采用的全波電能計(jì)量方式，可能存在線性用戶多計(jì)量電能、非線性用戶少計(jì)量電能現(xiàn)象。

式中：T為時(shí)間周期。

2 諧波表計(jì)量原理

由前一章節(jié)所述可知，在諧波影響下選擇諧波表對(duì)正反向基波電能與正反向諧波電能分別進(jìn)行計(jì)量的方式更加有效。

諧波表硬件架構(gòu)如圖2所示。諧波表中采用高精度模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片通過高速同步信號(hào)接口與DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）連接[7-10]，將電壓、電流采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集到DSP中進(jìn)行處理；高速DSP芯片作為信號(hào)處理單元，負(fù)責(zé)全波、基波以及諧波等電能的計(jì)算，其中全波電能計(jì)量采用經(jīng)典有功、無功電能計(jì)量算法對(duì)全波電能計(jì)量采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，基波電能計(jì)量是通過FIR（有限沖激響應(yīng)）濾波器對(duì)全波進(jìn)行濾波得到基波電能后進(jìn)行計(jì)算，諧波電能計(jì)量則是采用FFT（快速傅里葉變換）得到h次諧波電壓和電流的有效值與相位值，求得兩者間夾角，進(jìn)一步得到諧波總功率、諧波總電能與各次諧波功率、各次諧波電能；ARM（高級(jí)精簡(jiǎn)指令微處理器）作為邏輯控制MCU（微控制單元），負(fù)責(zé)控制電能表整體的運(yùn)行控制，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)從DSP芯片中獲取計(jì)量數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖2 諧波表硬件架構(gòu)

3 諧波表試點(diǎn)應(yīng)用情況

3.1 試點(diǎn)應(yīng)用方案

試點(diǎn)應(yīng)用選擇了嘉興、寧波兩地7個(gè)非線性用戶，負(fù)荷類型主要包括金屬加工制造、紡織品制造、塑料制品加工、新能源發(fā)電及化工與食品加工等，諧波污染源包括注塑機(jī)、光伏逆變器、織機(jī)、金屬切割機(jī)、電焊機(jī)及車床等設(shè)備。諧波表安裝點(diǎn)用戶負(fù)荷情況以及表計(jì)信息詳見表1。

諧波表由寧波偉吉、煙臺(tái)東方以及長(zhǎng)沙威勝等廠家提供，安裝前均進(jìn)行了誤差測(cè)試，其誤差在精度等級(jí)的允許范圍以內(nèi)。在寧波王龍科技、余姚五星金屬兩個(gè)試點(diǎn)中安裝了不同的諧波表以進(jìn)行比對(duì)。

表1 用戶負(fù)荷情況以及表計(jì)信息

3.2 試點(diǎn)應(yīng)用數(shù)據(jù)

工作人員采集了自2017年11月5日起諧波表近1個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，詳見表2—4。

表2 全波電能量數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3 數(shù)據(jù)分析

以下從諧波表以及諧波電能計(jì)量2個(gè)方面進(jìn)行分析。

（1）諧波表所計(jì)量的全波有功總電能與常規(guī)智能電能表（簡(jiǎn)稱“常規(guī)表”）所計(jì)量的正向有功總電能相比：經(jīng)互感器接入式的計(jì)量點(diǎn)兩者累計(jì)走字差異在0.1%左右，兩者數(shù)值接近；直接接入式計(jì)量點(diǎn)兩者差異為0.37%。

（2）經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，寧波王龍科技、余姚五星金屬2個(gè)計(jì)量點(diǎn)中不同諧波表各項(xiàng)電能計(jì)量數(shù)據(jù)基本一致。

（3）常規(guī)表所計(jì)量的正向有功電能基本上要小于諧波表所計(jì)量的正向基波有功電能，以及小于正向基波有功電能與反向諧波有功電能的絕對(duì)值之和，與理論分析基本一致。

（4）諧波表實(shí)現(xiàn)了全波、基波與諧波正反向電能計(jì)量的功能，為供電企業(yè)提供了靈活多樣的計(jì)量方式，包括：采用常規(guī)表計(jì)量；采用諧波表計(jì)量的正向基波有功電能與反向諧波有功電能絕對(duì)值之和（計(jì)量模式1）；采用諧波表計(jì)量的正向基波有功電能（計(jì)量模式2）。以5號(hào)用戶為例，試點(diǎn)期間若按常規(guī)表計(jì)量，應(yīng)收取144.23 kWh的電量電費(fèi)；如果按照計(jì)量模式1，則應(yīng)收取144.69+0.48=145.17 kWh的電量電費(fèi)，兩者相差0.94 kWh，考慮到互感器綜合變比6 000，折算下來，可為電網(wǎng)公司挽回5 460 kWh的電量損失，以1元/kWh收費(fèi)，全年可挽回?fù)p失65 000余元。如果按照計(jì)量模式2，則應(yīng)收取144.69 kWh電費(fèi)，兩者相差0.46 kWh，結(jié)合互感器綜合變比6 000，可為電網(wǎng)公司挽回2 760 kWh的電量損失，以1元/kWh收費(fèi)，全年可挽回?fù)p失33 000余元。

（5）諧波電能與基波電能相比，占比較小，普遍小于1%。試點(diǎn)中用戶電流畸變率略嚴(yán)重，而電壓畸變率較小，導(dǎo)致諧波電能卻不大的情況，無法真實(shí)反映負(fù)荷諧波實(shí)際對(duì)電網(wǎng)的危害（例如，諧波電流含量為100%，諧波電壓含量為1%，諧波電能也只有基波電能的1%），因此除考慮按正向基波電能或者正向基波電能與反向諧波電能的收費(fèi)方式外，還可以引入其他數(shù)據(jù)指標(biāo)，如IEEE 1459-2000標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的諧波污染因數(shù)等相關(guān)指標(biāo)。

4 其他問題

關(guān)于諧波電能計(jì)量收費(fèi)的問題還存在爭(zhēng)論，計(jì)量模式主要有全波電能計(jì)量、基波電能計(jì)量以及基波電能加上諧波電能計(jì)量3種，每種模式對(duì)于不同類型的用戶負(fù)荷不盡相同。對(duì)于純電阻性線性負(fù)荷，基波與諧波都在做功，全波電能計(jì)量模式較為合理；對(duì)于只利用基波做功的線性負(fù)荷，基波電能計(jì)量模式相對(duì)合理；對(duì)于非線性用戶，從諧波治理的角度考慮，采用基波電能加上諧波電能模式，進(jìn)行一定懲罰性質(zhì)的計(jì)量計(jì)費(fèi)對(duì)供電企業(yè)以及線性用戶來說更為合理，但要以合理分清諧波來源為前提，這也是推廣諧波電能計(jì)量的難點(diǎn)，在技術(shù)成熟前可采用基波電能計(jì)量模式代替。

另外，DL/T 645-2007《多功能電能表通信協(xié)議》中抄表規(guī)約對(duì)諧波電能、電能質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)的格式未作明確與擴(kuò)充，當(dāng)前都由各電能表廠家自行定義，現(xiàn)有的抄表終端、用電信息采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式無法兼容，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)抄表效率不高。

5 結(jié)語

結(jié)合嘉興、寧波兩地諧波表試點(diǎn)應(yīng)用情況，對(duì)用戶選擇、試點(diǎn)應(yīng)用方案進(jìn)行了介紹，從諧波表的現(xiàn)場(chǎng)抄讀數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看：

（1）諧波表對(duì)全波、基波以及諧波電能分別進(jìn)行有效計(jì)量，為多種諧波計(jì)量模式提供了技術(shù)支撐。

（2）與理論分析相同，諧波表計(jì)量得到的基波電能以及基波與諧波電能之和基本上大于全波電能。

（3）不同電能計(jì)量模式對(duì)于不同類型的用戶負(fù)荷不盡相同，采用諧波電能計(jì)量模式，需要以能合理判定諧波來源作為技術(shù)支撐。