探析電力諧波對電能計量的影響

摘 要：當下，電力諧波與電能計量之間的交互影響仍是一個科學和技術難題。本文在分析這些影響的前提下，提出了電力諧波對電能表產生的主要影響以及治理措施，以期促進我國電力技術進一步的更好更快發展。

關鍵詞：諧波；電能；計量；電力影響

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）20-0076-02

引 言

諧波本質是周期電量的正弦波分量，諧波頻率是基本頻率的整數倍。因此，我們常把諧波稱為高次諧波，而諧波的數量定義則用諧波頻率與基波頻率的比值來表示。按慣例，規定電力系統的功率頻率作為基本波頻率。隨著鐵路電氣化建設的加速發展和風力發電、太陽能發電的不斷發展，電網中的諧波含量不斷增加，諧波將使電能計量的精度偏離軌道。因此，發電、供電和用電三方必須對電力諧波有一定的了解。只有合理控制，才能減少電力諧波對電能計量的不利影響。

1 諧波產生的原因

諧波產生的原因主要有以下幾個方面：

（1）發電源質量不高，由此而產生的諧波。在三相繞組的生產中，很難實現絕對對稱。鐵心也很難達到絕對的一致性，電力供應的發電源將產生一定量的諧波，但通常很少。

（2）電力傳輸和配電系統的諧波產生，輸電和配電系統主要是電力變壓器產生諧波。變壓器鐵心的飽和以及變壓器設計時考慮經濟性，變壓器的磁密度選擇在磁化曲線的近飽和區，所以磁化電流在呈現頂點波形狀，含有大量奇次諧波。飽和度越高，變壓器的工作點越偏離線性走向，諧波電流故而越大。

（3）電氣設備所產生的諧波，主要是由晶閘管整流設備所產生。目前，晶閘管整流器已廣泛應用于電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等多個方面。也因此給電網帶來了許多諧波。統計數據表明，整流裝置產生的諧波占所有諧波的近2/5，是最大的諧波產生源。

2 我國電力諧波標準

中國的電力諧波主要是根據《電能質量公用電網諧波》（GB/T14549-1993）來實現的。220kV標稱電壓的公共網格可參照110kV進行，測點為公共連接點（PCC），實測值為95%概率值，該標準還規定了PCC諧波電流允許值的計算方法和用戶電流的允許值計算方法，并對測量方法和測量儀器的內容進行了相應的要求。

3 電能計量中存在的問題

總能量計算是指基本波電能和諧波電能的代數和。實際電力系統中電能的測量存在以下問題：

（1）當負載為線性時，電源為非正弦，能量計測量的是基本波功率和一些諧波電能。諧波不僅對電力設備有害，而且還會造成用戶多交電費，這顯然是不合理的。

（2）當荷載為非線性時，非線性荷載將產生諧波功率，并流入系統。此時，電能表測量的是基波電能和倒流入系統的諧波電能的差值。非線性負荷不僅產生諧波污染，而且電力成本也較低，這使得供電部門的經濟效益受到損害。

（3）當電源畸變，負載為非線性時，情況更加復雜。負載從電網吸收諧波能量，與此同時，諧波流將流入電網，這相當于第一和第二的綜合情況。

4 電力諧波對電能表的主要影響

4.1 對感應式電能表的影響

機械電能表由軸承、旋轉元件、制動元件、儀表、驅動元件和輔助部件組成。它是由交流電壓和電流通過流量計的旋轉表驅動，產生驅動力矩，驅動計數器字輪旋轉和顯示電流。電流受摩擦阻力的影響，在電流較大時還會受到受慣性的影響。也就是說，通過各種補償調整，誤差只能保證在2%以內。感應電能表的設計是基于交流基波的原理設計的，電能表主要采用磁感應法，使用扭矩驅動儀表來測量電能。當系統具有諧波或用戶設備產生諧波時，電流和電壓的畸變，產生的磁感應也隨電流和電壓而不均勻，從而影響電度表的誤差，因此，諧波影響感應表（機械計）的誤差更大。

4.2 對電子式電能表的影響

隨著智能電網的快速發展，現代電子電能表主要由智能電能表或多功能電能表組成。其結構由測量芯片、微處理器芯片、通信模塊等組成。除了準確的測量功能外，還具有本地和遠程通信、遠程關機、異常報警、信息傳遞等功能。電子電度表是基于基本諧波的疊加來計算的。對于線性用戶，其電能是由基本波和諧波能量之和來測量的，諧波不僅有害，且其還計入了諧波電量中。對于非線性用戶，產生的諧波一部分被發送到電網，非線性用戶產生的諧波不僅污染了電網，還降低了電能。雖然電能表克服了感應電能表的影響，如機械旋轉、元件磨損、傾角等，但也有一些不合理的地方。目前主要是通過電能采樣的區間頻率分析來提高電能信號處理的方法，從而在測量中檢測到諧波的存在。

5 治理措施

5.1 管理措施

（1）要充分了解諧波對電網的影響，建立和完善諧波治理體系，組建專業的管理團隊。

（2）要加強標準和規范。要充分認識到，諧波治理是供電企業、電力企業和用戶的共同責任，要共同發力，減少電網污染，提高電網的電能質量。這是一種互利、節能、提高效率的關鍵措施，同樣也是保證電網和設備穩定運行的關鍵要求。

（3）主管部門對電網進行專業性探討研究，確定諧波源的所在位置和產生原因。在長期產生產生較大諧波的地方，可以建立長期觀測點，以評估電力用戶的電氣設備是否產生了過度的諧波污染。

（4）嚴格審核新、擴建、改建的審批程序，嚴格審查新用戶設備的負荷特性，并在與電網連接的非線性負荷電力設備運行前進行電能質量評價。在試運行過程中應進行電能質量的測量，如果實際測量超過標準，則不允許在電網中運行。

（5）當用戶未按照國家標準注入電網諧波時，用戶必須采取對策消除諧波影響。否則，供電企業有責任、有義務同樣也有權利暫停供電。

（6）在大容量非線性用戶中安裝諧波監測裝置網絡端，對于不執行供電協議的用戶可以停止供電。

5.2 技術措施

（1）為了解決諧波對電能計量的影響，根據國際電氣工程協會工作小組的建議，建議用戶使用對電壓或電流波形的畸變測量的先進數字電能計。

（2）根據實測情況，可以采用安裝濾波裝置等相應措施，盡量減少諧波含量，降低諧波對所有能量測量的影響，降低諧波對電氣設備的危害。

6 減小諧波的思考

鑒于電力諧波對電能表主要計量裝置的不利影響，我們可以考慮從以下三個方面減少影響：

（1）增加諧波監測和控制的強度。監控現有電網和主要的諧波源，在諧波源安裝變電站的電能質量實時監測裝置，設置諧波監測系統，實時控制分析電網諧波情況，科學計劃，嚴格導納，對于電網諧波含量較高的高電壓用戶，實行不予供電政策。

（2）科學地建立電能計量方案。對于諧波源用戶，測量點應遠離諧波源。對于諧波產生較重的設備及工廠，應選擇小的諧波線端作為網關測點，以此降低諧波對計量裝置的影響。同時，應該選用具有高可靠性、高穩定性、高精度的多功能電能表作為網關儀表。

（3）風電、電氣化鐵路、光伏發電的建設速度飛速發展的同時，也使得電網污染問題日益嚴峻。我們應根據設備的工作原理，結合實際情況，通過對比分析判斷，減少故障范圍，減少測量和檢查等環節，提高故障排除速度。

上述故障排除方法可單獨使用或結合實際應用，可根據具體情況靈活選擇。

7 結束語

如何在電力系統和用戶之間銷售和購買電能，如何測量電能，都涉及到經濟和技術問題。隨著電網中非線性負荷的增加，大量的諧波電流被注入電網，造成電壓和電流的畸變，造成諧波污染，產生額外的諧波功率損耗。如何計算諧波能量，誰將承擔諧波能量的損失，這部分損失采用何種計費標準，是目前急需解決的問題。本文在探討諧波產生的原因及其對電能計量的影響的基礎上，提出了測量基本波功率和諧波電能的測量方法，并提出分別記錄諧波電能的方向的方法。這不僅可以補償諧波分量電價和電力消費，又可以合理調整根據諧波分量的電價比例。同時，還考慮到電網的可靠運行和電力行業的利益。

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收稿日期：2018-6-2

作者簡介：黎業銘（1984-），男，工程師，本科，主要從電能計量管理工作。