諧波條件下基于計量誤差量化分析的電能計量方案

張玉霞

摘 要：電能方面的計量裝置，一般適用于計量供電企業(yè)銷售電能、用戶所消耗的電能實際數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，屬供電、用電兩方經(jīng)濟(jì)結(jié)算的主要體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：電能；誤差；經(jīng)濟(jì)效益

1 產(chǎn)生諧波的原因

1.1 發(fā)電原因

電站發(fā)電機(jī)中的三相繞組并不能完全對稱，在制作的過程中也不能滿足這個要求，而且繞過鐵心均勻也是比較困難的，這對發(fā)電機(jī)的電源質(zhì)量有很大影響，諧波也就此產(chǎn)生。

1.2 輸配電系統(tǒng)的原因

在這個系統(tǒng)中，變壓器很容易產(chǎn)生諧波，它的鐵心呈現(xiàn)飽和的狀態(tài)，而且磁化曲線還是非線性的，變壓器在工作的時候磁密就在曲線的飽和段上，影響著變壓器的正常運行，這導(dǎo)致了電壓器的磁化電流出現(xiàn)了尖項波形，奇次諧波就在其中產(chǎn)生。通過實踐證明，如果變壓器鐵心的飽和度高的話，線性就越偏離工作的點位，也就非常容易有更大諧波電流產(chǎn)生；相反，就不會有很大的諧波產(chǎn)生。

1.3 用電的原因

晶閘管被廣泛用在電氣設(shè)備中，在用電的過程中，電氣設(shè)備很容易引發(fā)諧波產(chǎn)生，尤其是晶閘管材質(zhì)的整流設(shè)備。現(xiàn)在社會中，有很多電力設(shè)備都引用了晶閘管，常見的有電源的開關(guān)、電動車、所有的充電設(shè)備等，這些都是非常容易產(chǎn)生諧波的，影響著電網(wǎng)的正常運行。在單相整流的電路裝置與感性負(fù)載相連接的時候，就會有奇次諧波電流產(chǎn)生，最高的時候諧波要占據(jù)基波三層左右，比例非常大；而與容性負(fù)荷相連接的時候，會有奇次諧波電壓產(chǎn)生，它還會根據(jù)電容值增加的頻率有所增加；此外，還有一種最大容量的諧波源，是通過整流裝置所產(chǎn)生的，占據(jù)了基波的四層左右。

2 諧波下電能計量系統(tǒng)存在的誤差

2.1 電子類型的電能表

模擬乘法設(shè)備電能表，其工作的基本原理為：將電壓信號U及電流信號I輸入，將其轉(zhuǎn)換為乘法器的時候，可充分的接受信號，通過其獲取一段時間內(nèi)的功率。其二，把平均功勞的信號轉(zhuǎn)化成頻率脈沖信號，通過頻率信號技術(shù)的方式獲取這一段時間的具體電量。通過原理進(jìn)行劃分，主要可分為分割乘法設(shè)備、霍爾乘法設(shè)備。模擬乘法設(shè)備電能表的誤差，一般會來源于模擬乘法器。輸入分割乘法設(shè)備的信號，其具有較高的諧波，這時應(yīng)結(jié)合分割乘法設(shè)備計量的基本原理輸入信號，禁止通過簡便的直流信號。

2.2 CVT諧波測量的誤差

諧波情況下，能夠有效的補(bǔ)償電抗設(shè)備、中間變壓設(shè)備、阻尼設(shè)備等，其均有可能于飽和的范圍內(nèi)，所以應(yīng)充分的考慮到其特征和性能，如非線性。我國110kV和發(fā)電廠升壓站、變電站母線和出現(xiàn)等均通過CVT。然而，相關(guān)的研究顯示CVT不能應(yīng)用到諧波的測量中，測電壓頻率出現(xiàn)一定變化的時候，存在諧波的時候，CVT通過電容分壓設(shè)備等值電容、補(bǔ)償電抗設(shè)備電感方面所構(gòu)成，這時LC串聯(lián)諧振的回路就會出現(xiàn)偏離的現(xiàn)象，致使其測量存在較大的誤差。

3 電能計量的諧波影響

3.1 電磁式電能表的諧波影響

舊式的電磁電能表是根據(jù)工頻正弦波制造來完成的，這類電能表只可以確保在小幅度變化的工頻范圍頻帶內(nèi)才能發(fā)揮最佳工作性能，如果電力系統(tǒng)波形畸變，這類電能表會發(fā)生計量錯誤，產(chǎn)生誤差。隨著電網(wǎng)諧波不斷變多，電能質(zhì)量的要求會淘汰電磁式電能表。

分析電磁式電能表的計量原理，得出電磁式電能表處于諧波條件下計量電能通常無法正確說明用戶實際的使用電量：

（1）用戶是線性用戶，諧波與基波的方向達(dá)到一樣，電能表計量的是基波和部分諧波所和的電能，計量比實際量偏大。線性用戶既要受到諧波污染還要為此多交電費。

（2）用戶為諧波源用戶，用戶自身消耗諧波外，還輸送電網(wǎng)諧波量，輸送的諧波潮流和基波相反，電能表計量的是基波電能減去諧波電能，計量值比實際值偏小。用戶發(fā)生諧波污染電網(wǎng)，反而少交電費。

3.2 電子電能表諧波影響

電子電能表在城市電網(wǎng)應(yīng)用得較普遍，我國電子電能表多是選取模擬式分割乘法器完成計量電功率和計量電能。隨著諧波危害斷增加，電子電能表計量電能也會產(chǎn)生誤差。

3.3 數(shù)字電能表諧波影響

數(shù)字電能表是電子電能表的發(fā)展換代，它以數(shù)字乘法器，采用轉(zhuǎn)換器把電壓與電流數(shù)字相乘，測量準(zhǔn)確度高。數(shù)字式電能表一般在一定周期內(nèi)采樣處理電壓信號和電流信號，系統(tǒng)頻率波動時，采樣周期與實際信號無法實現(xiàn)同步，就會產(chǎn)生頻譜泄漏，電能計量發(fā)生誤差。

4 諧波存在時電能計量的有效方法

4.1 應(yīng)用全電子式智能電能表

全電子式智能電能表在計量中存在的誤差，主要是由點積算法引起的，因此，對電能表進(jìn)行更新，需要從計算算法開始。應(yīng)該對電力系統(tǒng)中各次諧波的含量進(jìn)行檢測，針對諧波類型提出相應(yīng)的解決方案。當(dāng)前應(yīng)用的全電子式電能表，在計量方法上相當(dāng)復(fù)雜，必須由專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行操作，而且生產(chǎn)成本相對較高，因此一般都是在大中型工業(yè)企業(yè)中被廣泛應(yīng)用，可以有效降低諧波對于電能計量的影響。

W=C1W1-CfinWfin+Cfout|Wfout|

其中，W1、Wfin、Wfout分別代表負(fù)載所消耗的基波電能、吸收的諧波電能以及產(chǎn)生的諧波電能；而C1、Cfin、Cfout則代表相應(yīng)的加強(qiáng)系數(shù)。這種計量方法，能夠有效避免因電能計量誤差而引發(fā)的收費不公現(xiàn)象，同時可以利用經(jīng)濟(jì)手段，督促用戶采取相應(yīng)的措施，減少注入電網(wǎng)的諧波量。

4.2 采用頻域電能計量方法

在實際應(yīng)用中，首先，應(yīng)該對離散化的 電流和電壓信號序列進(jìn)行相應(yīng)的加窗處理，以降低頻譜泄露，避免其可能對諧波分析造成的影響；其次，對加窗后的諧波電流電壓序列進(jìn)行離散傅里葉變換；然后，結(jié)合FFT計算方法，對頻域參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的估量和計算，以獲取電流和電壓信號中存在的諧波分量頻率偏差、相位及幅值等；最后，由FFT算法得到加窗后的電流電壓頻域參數(shù)，結(jié)合相應(yīng)的公式，對各次諧波無功電能及有功電能進(jìn)行計算。

4.3 仿真實驗

通過相應(yīng)的仿真實驗，可以得到諧波存在時的電能計量誤差數(shù)據(jù)，同時通過三角自卷積窗方式，實現(xiàn)對于基波電能的準(zhǔn)確計量，以保證電能計量的可靠性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

綜上所述，諧波不僅影響了輸配電和用戶電力設(shè)備的正常使用，致使用戶的無功功率電費支出增加，而且對其它設(shè)備元件也產(chǎn)生了危害。在計量回路中應(yīng)用新型的基波電能表，采用分頻技術(shù)分別計量基波電能和諧波電能，加強(qiáng)非線性負(fù)荷的準(zhǔn)入制度，將大大降低諧波帶來的電能計量誤差，維護(hù)好企業(yè)和用戶的利益。

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