電網(wǎng)諧波對電能計量的影響分析

深圳供電局有限公司 黃令忠 戴 斌 許蓋倫

電能計量的數(shù)據(jù)直接影響著供電、用電以及發(fā)電三方面的內(nèi)容，且是計算多種經(jīng)濟技術(shù)指標的根本依據(jù)。伴隨著大量非線性負載在電力系統(tǒng)中的應用，電網(wǎng)環(huán)境也會受到一定的影響，電壓及電流都會在電網(wǎng)環(huán)境中發(fā)生一定的變化，諧波也隨之產(chǎn)生。諧波電壓以及電流都會影響電網(wǎng)及電力負荷的正常運行，同時也會對電能計量產(chǎn)生一定的影響，容量也呈現(xiàn)出不斷遞增的趨勢，諧波會大量地注入電網(wǎng)中，導致電力系統(tǒng)中的電壓和電流等波形發(fā)生嚴重的變化。

最為理想的電力網(wǎng)電壓應有固定的頻率和幅值。但在現(xiàn)實中受用電設(shè)備和用電負荷的影響，存在很多非線性元件和設(shè)備，它們所產(chǎn)生的電網(wǎng)諧波會使用電設(shè)備的負荷及用電線路的損耗大大增加，對通訊設(shè)備的穩(wěn)定性也造成了一定干擾，從一定角度來看是一種十分嚴重的污染。目前隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，各種電解、冶煉等產(chǎn)業(yè)不斷增加，再加上人們沒有意識到電網(wǎng)諧波污染的危害性，導致諧波污染的情況日益嚴重，有電網(wǎng)諧波導致的事故時有發(fā)生。由此可見加強研究精準度高、靈活性強的諧波計量電表是日后電力計量技術(shù)主要發(fā)展方向。

1 電網(wǎng)諧波出現(xiàn)的原因及其危害

諧波在電力系統(tǒng)環(huán)境中產(chǎn)生的原因很多。其中電源諧波最為常見，電源的質(zhì)量較差就會在一定程度上出現(xiàn)電源諧波。還有就是存在于輸電系統(tǒng)中的諧波，這主要是電力系統(tǒng)在運行過程中變壓器所引起的。此外諧波也會出現(xiàn)于電力系統(tǒng)中的整流設(shè)備。當用電設(shè)備中的整流裝置為單相電流電路時，由于在接感性負載出現(xiàn)次數(shù)不等時就會出現(xiàn)諧波電流。在電力電子設(shè)備沒有投入使用前，變壓器是導致諧波出現(xiàn)的主要原因，它所產(chǎn)生的諧波被稱為奇次諧波，奇次諧波的量值非常小。正是由于變壓器諧波較小的原因，因此在很多電力電子設(shè)備上都取代了變壓器裝置，諧波的組合模式也呈現(xiàn)出了多樣化的發(fā)展趨勢。

在電力電子技術(shù)應用過程中，整流元件主要是由二極管為主要組成部分，它能在一定情況下將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，該技術(shù)中最為常見的電能模式為AC/DC轉(zhuǎn)換形式。通常情況下橋式整流器濾波及大電容器是AC/DC轉(zhuǎn)換器的首要選擇，電容器在大容量的電波影響下，二極管元件中的導通管非常小，為能使導通過程順利進行，交流電壓就必須要達到正弦波的峰值。在此狀態(tài)下，交流輸入電流的波形就會發(fā)生一定的變化，以至于在特殊環(huán)境中諧波值會大于基波值。諧波的出現(xiàn)會導致電力系統(tǒng)出現(xiàn)大量問題，其對公用電網(wǎng)以及其他電力系統(tǒng)的危害主要有以下幾點：

首先，在公共電網(wǎng)使用中，諧波會對其中的元件產(chǎn)生額外的諧波損耗，在一定程度上降低了發(fā)電、輸電及用電的效率，當大量三次諧波流經(jīng)過中性線時就會導致線路的溫度持續(xù)增高，有很大的可能會發(fā)生火災；其次，各種電氣設(shè)備也會在諧波的影響下無法進行正常工作。除會對電機設(shè)備造成額外損耗外，諧波還會使電氣設(shè)備在應用過程中出現(xiàn)劇烈的振動和噪音，變壓器的局部會發(fā)生嚴重過熱的情況。同時諧波會導致變?nèi)萜骱碗娎|設(shè)備熱量過高，線路很容易出現(xiàn)絕緣老化，導致設(shè)備的使用壽命大大縮短，最終發(fā)生損壞。再有就是諧波會對電力系統(tǒng)中的控制裝置和檢測裝置造成影響，特別是對一些利用相位或頻率的保護裝置影響更為嚴重，嚴重時還會出現(xiàn)保護誤動作的情況；最后，諧波會對電力系統(tǒng)的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則會產(chǎn)生一定的噪音、嚴重時還會導致信息丟失，通信系統(tǒng)無法完成正常的工作。

2 電網(wǎng)諧波對電能計量的影響

2.1 對電能計量方式帶來了干擾

在傳統(tǒng)的電能計量過程中計量標準以計量全能源為主，這就導致傳統(tǒng)感應式電能表被計量更加精確的電能計量表所取代。在規(guī)模和應用技術(shù)的影響下，傳統(tǒng)電網(wǎng)諧波所能覆蓋的范圍較小，所以全能計量的方式即可、不用考慮諧波因素。隨著電力電子技術(shù)快速發(fā)展，電能表在工業(yè)領(lǐng)域及各種類型用電設(shè)備上的廣泛使用，電力系統(tǒng)也變得十分復雜。如：電氣化鐵道上的單向整流應用，對電力系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)都產(chǎn)生了十分嚴重的不利影響。在這樣的情況下，諧波電能計量方式的應用須重點分析諧波對其產(chǎn)生的影響，并進行有效處理。

另一方面，傳統(tǒng)全能計量通常指的是基波電能和諧波電能的總值，在新時代背景下這樣的電能計量方式應用于電力系統(tǒng)中具有很大的局限性。在其過程中，如負荷處于線性狀態(tài)并處于非正弦供電狀態(tài)下，電能表只能計量其中一部分諧波和基波的總和數(shù)值，在此基礎(chǔ)上電能諧波還會對用電設(shè)備造成損壞，進而威脅到用戶的個人用電設(shè)施，這會使用戶支出大量的電費，所以這樣的方法缺乏一定的合理性。

再有就是處于非線性狀態(tài)下的用戶用電設(shè)備，少量的諧波功率會在非線性負荷的影響下產(chǎn)生，還會有一部分電能重新流入到電力系統(tǒng)中，因此在基能電波和回流電力系統(tǒng)間會產(chǎn)生一定的電能差，不但會對電網(wǎng)本身造成十分嚴重的損壞，還會影響供電企業(yè)的最終利益。此外，如非線性負荷出現(xiàn)電源畸變情況時諧波會重新流入到電網(wǎng)系統(tǒng)中，進而會出現(xiàn)以上情況，影響十分嚴重。

電網(wǎng)諧波對電能和電力系統(tǒng)影響非常大，從非線性用戶使用情況來看采用全能量計量方式并不合適，同時無法將真實的電力平衡情況反映出來。所以對全能計量方式進行改變十分必要，要在此過程中綜合考慮電能諧波和基波，以此來重新采用計量方式。但從當前電力系統(tǒng)技術(shù)來看很難實現(xiàn)對基波和諧波分開計量，因此，為使電力企業(yè)及個人用戶利益不受影響，對電費的收取方式須做出調(diào)整，使其能更加科學合理。

2.2 對電能計量設(shè)施造成的影響

感應式電能表會在電網(wǎng)諧波的影響下受到干擾。目前感應式電能表成為大多數(shù)地區(qū)所采用的電能計量設(shè)備，此類型電能表主要是依據(jù)基波頻率來運行，最突出的優(yōu)勢是靈敏度較高。然而電網(wǎng)系統(tǒng)中的電流和部分電壓會發(fā)生一定程度畸變，對使用過程中電能表的精度會造成一定影響。從相關(guān)文獻資料可看出，以波形的變化情況來來分析對電能計量的影響主要是根據(jù)它自身的頻率特點，因為能導致感應式電表出現(xiàn)誤差的原因有很多，為方便探索只需分析諧波及頻率的偏移情況及帶來的影響就可以。

感應式電能表在設(shè)計過程中主要是以基波為主要參考依據(jù)，當復合電壓和電流在電力系統(tǒng)中保持不變時，如頻率發(fā)生改變也會影響電壓線圈的阻礙性。同時，因為轉(zhuǎn)盤阻抗會發(fā)生變化，所以電流磁通也會因此發(fā)生改變。通過分析電能表的工作原理能得知，在相同頻率電流及電壓工作過程中才能使功率達到平衡狀態(tài)，這也就代表著電流和電壓只有處于相同功率時，才能夠在彼此間產(chǎn)生磁通現(xiàn)象，形成轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象。然而在電磁元件中有畸變的波形出現(xiàn)時，因為磁通過程并不能適應波形的變化，所以轉(zhuǎn)矩和平均功率間無法維持正比狀態(tài)，進而會出現(xiàn)額外的誤差，導致電能表的測量過程失去精準性。

從另一個角度看，電子式電能表會受電網(wǎng)諧波的影響。由于電子式電能表的功能十分齊全、準確性高，所以在未來必然會取代感應式電能表。數(shù)字功率表是電子電能表的基礎(chǔ)，從電子電能表的結(jié)構(gòu)特點分析看，從總體方面能夠其分成分頻計數(shù)功能及V/f等部分。輸入級的功能就是將電壓和電流利用互感器轉(zhuǎn)換為合理的微小電壓信號、并轉(zhuǎn)給乘法計算設(shè)備。該設(shè)備是電子式電能表的核心構(gòu)成部分，電壓模擬量能夠在此設(shè)備中轉(zhuǎn)換為乘積的形式，隨后再將模擬過后的這部分數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換給V/f線路系統(tǒng)當中，最終完成測量過程。

從電子式電能表和感應式電能表的比較分析結(jié)果看，前者所產(chǎn)生的頻率曲線波動較小，通常不會出現(xiàn)逐漸衰減的情況，這也就意味著其設(shè)備具有寬頻帶反饋功能，使響應的諧波功率能與反饋數(shù)據(jù)保持一致。電子式電能表的諧波頻寬較大，對于諧波和基波電能都能準確測量，但電子式電能表也會對二者電能進行處理，因此通常會導致誤差數(shù)值較大。

3 諧波在電力計量中的應用與發(fā)展

在電力計量中的應用。在電網(wǎng)諧波作用條件下，通常可將電能的計量方式分為以下幾點：首先是要對諧波進行過濾甚至忽略，以此來提高電表的抗干擾能力，只能夠?qū)üβ蔬M行測量，這種方法也可作為純基波的計量方式；其次，電表功率的反應能力得到了提高，也就是電表能顯示出實際的用電量，這樣的方式就是直接將基波功率與諧波功率進行綜合計算，不進行單獨區(qū)分；最后，還要對基波功率和諧波功率進行區(qū)分，然后再進行單獨計量。

諧波計量的主要發(fā)展趨勢。我國目前電能計量的方式主要是全能計量。在基波電流較穩(wěn)定情況下具有較高精準性，如果在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了諧波干擾情況、且程度超出計量設(shè)備實際承受范圍，該計量方式就會出現(xiàn)誤差擴大情況，進而導致失真問題十分嚴重。為有效避免該情況的發(fā)生，未來的設(shè)計發(fā)展方向是將諧波與基波進行分離，并分別對各自進行計算。在具體研究過程中，對電力系統(tǒng)進行簡化，對所受到諧波影響的計量誤差建立合適的模型并綜合分析處理，最終計算出在諧波影響下的具體電流數(shù)值。

諧波電表的未來發(fā)展。當前已研制出諧波電表，它能對諧波干擾進行精準地計算。這種電能表主要依靠單片機技術(shù)，在此基礎(chǔ)上應用各種各樣先進的技術(shù)，使其具備了諧波和基波轉(zhuǎn)換的功能，使二者分別能夠得到計算，并包括了基波有功電能、無功電能以及總電能等。應用這種類型計量表的優(yōu)勢就在于能有效避免零件失靈和傾斜度過大的影響因素。然而從目前發(fā)展情況來看，并沒有形成合理的收費系統(tǒng)，所以這種類型的諧波電表在推廣中并沒有取得良好效果。

4 減少電網(wǎng)諧波對電能計量裝置影響的主要方法

4.1 優(yōu)化電能計量方式

在當前電力系統(tǒng)中必須對全能量計量方法進行優(yōu)化，應用基波電能與用戶吸收單獨計量以及諧波電能計量的方式。這種類型的計量方式不僅可充分考慮負載所吸收和發(fā)出的諧波，還能解決全能量計量方式對用戶及電力企業(yè)的不利影響，進而確保計量結(jié)果能更加公平合理。

4.2 對計量方式的改進進行優(yōu)化

目前我國非線性用戶居多，所以準確計算出用戶單獨吸收計量和諧波電能計量是最主要的改進方式，只有合理測量該部分的功率，才能精準地對用戶設(shè)計用電量進行分析，進而能從客觀角度分析諧波功率對電力系統(tǒng)的影響。對此，可在電能計量設(shè)備中安裝諧波判斷和識別裝置，利用以諧波阻抗和功率潮流為基礎(chǔ)的辨別檢測方法，像最小二乘法、臨界阻抗法以及定位系統(tǒng)等，來對用戶吸收和發(fā)出的諧波功率進行準確測量，從而能夠?qū)χC波功率所產(chǎn)生的影響進行全面分析，使計量的精準度更高。從沖擊負荷的角度分析看，由于在FFT范圍內(nèi)并不能使數(shù)字化電能計量設(shè)備產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，因此可將一些局部變化能力較強的小波應用于電能裝置中，以此方法來確保即使在負荷沖擊影響下也可精準計算出用戶的實際用電消耗。

圖1 諧波能量回收再利用流程圖

總之，隨著電力體制的深入改革，電力部門將會擺脫政府部門的相關(guān)職能，成為具備自主經(jīng)營能力的企業(yè)。作為影響電能質(zhì)量的主要因素之一，供電部門必須對電網(wǎng)諧波進行高度重視，因為合理精確的電能計量是電力工業(yè)不斷走向市場化的重要問題?，F(xiàn)今應用最為廣泛的電子式電能表和感應式電能表都存在一定的缺陷，都無法準確地計量電能，電子式電能表和感應式電能表會隨著諧波次數(shù)的不斷增加而降低一定的精準性。

為提高電網(wǎng)工作的質(zhì)量和效率，在電力系統(tǒng)設(shè)計中必須對產(chǎn)生電網(wǎng)諧波的原因進行全面分析，充分思考電網(wǎng)諧波會帶來的影響。在電網(wǎng)諧波系統(tǒng)中采用合理抑制手段，配置科學的電能計量儀表，以此來確保系統(tǒng)運行的安全性和精準性。此外還要以合理的標準收取電費，最終確保電網(wǎng)系統(tǒng)能夠得到可靠運行，保障線性用戶的利益安全。