關于電力諧波對電能計量影響的分析與探討

摘要：在電力系統運行中，諧波的產生是不可避免的，且其會對電能采集、計量結果產生影響，導致誤差問題的產生。電能表是電力系統電能計量基本設備，對于供電、用電雙方而言，電能計量結果是經濟結算的重要依據，因此加強電能計量系統誤差控制具有重要意義。

關鍵詞：電力諧波;電能計量;影響;措施

1諧波概述

1.1諧波概念

隨著電力系統中非線性負荷的大量應用和多種分布式新能源的不斷介入，難免產生大量的諧波，使得電力系統配用電網絡中的電壓、電流波形產生嚴重畸變。畸變的電壓、電流的存在，也將直接導致電能質量下降，給電能計量帶來諸多影響。諧波嚴格意義上指的是電壓、電流中含有的頻率為基波整數倍的電量，通常對周期性非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。廣義上交流電網有效分量是工頻基波，由此與工頻頻率不同成分均可稱為諧波分量，可分為偶次諧波、奇次諧波以及間諧波等。諧波產生原因主要是正弦電壓施加壓于非線性負載（UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器等）上引起基波電壓、電流發生畸變。

1.2諧波危害

若不考慮外部影響，電網中的供電電壓頻率和幅值均為固定不變的。根據我國工程的相關資料顯示，當電力系統中出現高次諧波時，即使當前系統為穩定狀態且負載均衡，也會因中線中有電流帶入造成運行故障。諧波的出現對于電力系統的負面影響主要體現在：對電網運行環境的破壞。電流、電壓等參數的突然變化會引發電力設備局部發熱等問題，也對電力系統的使用周期造成影響，不利于系統的安全運行;不利于電力設備的安全運行。諧波的出現會引發電擊諧振等現象，影響電力設備的精確性，不利于儀器的精準測量，電力數據誤差大也會造成系統管理混亂;影響周邊區域內通信線路的穩定運行。突出表現為通信質量下降，甚至引發通信設備故障、損壞，同時也不利于生物的生存。

2電力諧波對電能計量產生的影響

電力諧波的產生是不可避免的，影響著電能的計量準確性，體現在全電子式的電能表中，由于實際的電力使用過程中電力客戶的用電負荷是動態變化的，會隨時發生改變，因此針對每個周期的電壓和電流以及電壓電流之間的相位差值，利用電子式電能表無法進行準確和快速地測量。通常情況下，電子式電能表的測量元件是由乘法器和A、D采樣器構成的，無法直接地計算出相關功率，但是可以通過對用電負荷電壓的采樣，結合電流的瞬間值采樣結果進行計算，得出最后的結果，用采樣周期乘以電壓瞬間值和采樣電流相乘相加后的數值，最終的平均電能就可以計算出來。發生在電子式電能表中的計量誤差問題就是在這一過程中將模擬量轉換成數字量形成的，A、D采樣器的采樣次數和轉換精度均對計量結果有著直接的影響。并且電能計量裝置中電壓電流互感器自身存在的比差和角差問題，也會形成對計量結果的影響，這二者之間會形成幅值誤差和相位誤差，此類誤差問題均可能導致電能表的電能計量發生錯誤。電力線路的具體運行中，電壓和電流互感器中有電壓和電流通過，在電磁感應原理作用下形成二次電壓和電流的轉換，再向電能表傳入，借助二次導線的功能產生最終的結果，這一過程中計量用的配置是否準確對計量結果形成了一定程度的影響。電能計量裝置在電力諧波的作用下可能發生誤差問題，因為從理論研究的角度進行分析可以發現電力諧波會在電能計量儀表中形成電磁轉矩，這樣一來就為后續的電能計量工作埋下了隱患問題，導致計量裝置發生誤差，降低了電能計量的準確性。電磁感應式電能表裝置中共同存在基波和諧波，在諧波作用下，電能表的旋轉盤阻抗和電壓線圈阻抗發生了變化，改變了磁通量，最終引起了電能計量誤差問題，針對諧波有功電能的計量工作必然會面對這一誤差因素[2]。

3電力諧波影響下電能計量的優化對策

3.1感應式電能表

感應型電能表測量功率，主要是以電流、電壓在表計線圈中的正弦交變磁場為依據，轉動的鋁盤可感應不同相位空間渦流，并由此帶動計數器走度。傳統感應型電能表是基于工頻正弦波條件下進行準確度檢驗，在計量中并未考慮直流、諧波等因素。然而在實際運行中，電能表所處電力系統不可能只有工頻正弦波，諧波分量可能導致電能表內電磁線圈鐵芯飽和，線圈磁場產生畸變造成鋁盤轉動力矩受到制動，計數失準;鐵芯中，高次諧波會產生高頻磁通，直接干擾基波產生的工作磁通，以致于鋁盤高頻微顫，計量誤差增大。

感應式電能儀表整體結構簡單、性能穩定、安全性高、成本低，同時其使用便捷、使用年限較長，性價比較高，是電力公司中較為普遍的電能計度儀表類型。該設備在頻率略窄的頻帶中應用效果最佳，但隨著電力系統運行環境的日益復雜，外部的負面影響因素增多，供電網內波形畸變出現頻率提高，造成電能儀表的測量精度降低，因電能計量誤差大造成了電力公司巨大的經濟損失，甚至損害了用戶的利益。

3.2降低諧波影響量

為了使電能計量的準確性得到提高、最大程度地降低諧波對電能計量形成的負面影響，應從源頭著手，通過采用功率補償裝置、有源濾波器等，加強對諧波分量的控制，減少電網中的諧波畸變總量。之所以使用諧波目的是保證充足的電能供應，但是大量使用諧波會損害正常的電能供應和運行，針對諧波可能帶來的損害問題，為了加強對電力設備和線路的保護，強調電能計量工作的準確效率，可通過對電路的改進方式，使負載性質得到改善，電網中諧波的使用量也能夠最大限度地減少，供電企業的輸出成本有所減少，提高了電力企業的經濟效益，推動電力部門未來更好的長足建設與發展。

3.3電子式電能表

傳統的電子式電能表基本結構如圖1，其中乘法器是關鍵器件，常見的為模擬乘法器和數字乘法器兩種，數字乘法器可繼續分為：硬件乘法器。由移位寄存器、加法器組成，通過時序控制，根據乘法（0或者1）決定累加和右移，運算速度較快，需要額外的硬件電路。電壓、電流分別施加于采樣元件上，兩大參數同步采樣并同時輸入乘法器。在實際運行中，負載電壓、電流均在濾波處理后方輸入采樣元件，乘法器計算的是工頻正弦電壓、電流信號。由此，傳統電子式電能表未考慮諧波分量所致的誤差。

隨著高精度、高速、多通道同步數據采樣的模數轉換器（ADC）以及高性能實時多任務微處理器的大量應用，現階段我國電子式電能表的技術原理結果如圖2，與傳統的感應式電能表相比，由于電能表內未設置轉盤，以微電子電路為基礎，電能計量更加精確、可靠，同時能夠準確測量供電電網中的諧波，間諧波等波形畸變量，同時能夠計量誤差自動檢測與校準，對波形畸變展開定性定量分析。在諧波大量存在的情況下，實現電能計量的高準確性和高可靠性，降低用電營銷部門的運維成本，維護用電客戶的經濟利益。

結論

現代化社會的電網運行中，電力設備發生電力諧波的問題是難以避免的，影響著電能的計量工作。此背景下的供電企業應加強對電力諧波分析和深入研究，結合電力諧波帶來的影響，加強對電能計量工作的改進和優化，通過技術創新，降低電力諧波帶來的影響，保證電力計量工作的準確性，推動電網產業更好的發展。

參考文獻：

[1]劉暢，劉軍，等.電力諧波對電能計量誤差的影響[J].農村電氣化，2019（12）：22-24.

[2]黎慶輝.電力諧波對電能計量影響的探究[J].中國標準化，2019（22）：201-202.

[3]劉暢.關于電力諧波對電能計量影響的分析[J].中外企業家，2019（33）：105.

[4]王丹陽.電網諧波分量對電能計量的影響[J].電世界，2019，60（11）：35-38.

[5]馬晨亮.淺議電力諧波對電能表電能計量的影響分析[J].中國新通信，2018，20（14）：235.

作者簡介：王慧武 （1968-），男，工程碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統自動化，電能質量測試分析，電能計量。