關于有功電能計量中諧波作用的思考

向洋田

（國網四川省電力公司南充供電公司，四川 南充 637000）

0 引言

隨著有功電能計量的應用范圍逐漸擴大，非線性負荷量逐漸增加，導致電網中的諧波污染越來越嚴重，影響了電能質量。諧波不僅會導致電壓負荷無法正常運行，同時也會對有功電能計量產生一定影響，導致最終的計量結果不準確。有功電能計量是電力企業以及輸配電企業、用戶之間進行交易結算的重要組成部分，一旦在有功電能計量中存在誤差，將會對三者之間的權益產生影響，因此需要對諧波在有功電能計量中的負面作用進行控制。

1 諧波的產生和影響

1.1 諧波的產生

諧波指的是在周期電氣量中的正弦波分量，諧波頻率是基波頻率的整數，電力系統在實際運行中，需要使用大量的電力設備以及用電整流設備，以上電力設備在實際運行的過程中，會產生非線性負荷，正弦基波電壓對非線性負荷進行施壓之后，電壓與電流會呈現出不成性關系，進而導致波形出現畸變。發生畸變的電流會對配電設備產生影響，主要包括變壓器以及導線等，同時產生畸變電壓，對負荷產生影響?；冸娏鲿ㄟ^電力系統進入電力設備中，電力設備將其分解為基波和諧波，最終產生諧波電流，該類型的電流進入電網內部，就會使電網中產生電網諧波。

電力系統中，各個環節中都有可能產生諧波，可以將諧波的產生大致分為以下3 種類型。

（1）發電源頭質量不高，發電機的三相繞阻在實際制作中保證絕對對稱的難度較大，加上鐵芯不夠均勻等原因，導致在發電過程中會出現諧波，但是這種方式中產生的諧波數量較少。

（2）輸配電系統諧波，該種類型的諧波主要產生在電力變壓器中，變壓器中的鐵芯具有飽和特點，鐵芯出現非線性磁化曲線。多數變壓器生產制造商為了提高經濟效益，所以將工作磁密設置在磁化曲線飽和段周圍，這一情況下會產生奇次諧波。

（3）用電設備諧波，其中主要包括用電電器、變頻設備等，這也是產生諧波數量最多的來源。

1.2 諧波的影響

諧波會對電能的實際生產效率以及傳輸效率產生影響，導致電氣設備出現發熱以及運行噪聲等問題，縮短使用壽命，導致設備出現運行故障等，由此可以看出諧波會對電力系統產生不良影響。

（1）諧波會對電力設備產生影響，使設備出現運行故障以及損耗增加等情況。其中電機受到諧波的影響，會出現機械振動、損耗量增加以及溫度升高等現象，導致絕緣加速老化，電機的使用壽命也會縮短。而對于電容組器來說，會造成其中出現串聯和并聯諧振等現象，電容器的損耗量增，電容器在實際運行中非常容易出現損壞等現象。

（2）諧波會對電子設備產生影響，尤其是電網中的繼電保護裝置以及自動裝置等，設備出現運行異常以及性能降低等問題。例如，機電保護系統在受到諧波影響之后，形成的綜合動作值會高于整定值，因此出現誤動作。

（3）諧波對供電線路產生的影響，諧波會導致供電線路中出現附加損耗的現象，電纜中的諧波產生熱損耗，電纜的溫度升高，由于鄰近效應的影響，線路電阻的頻率逐漸提升，浪費電力資源[1]。

2 有功電能計量中諧波的作用

2.1 感應式電能表電能計量中諧波的作用

諧波在對感應式電能表計量產生影響的過程中，對于電壓變化以及電流變化會出現不同的影響，電壓壓力產生變化之后，轉盤阻抗也會產生變化，導致其中電流磁通發生變化。由此能夠看出，驅動力矩的不同，會導致電能產生變化，進而對當前諧波的變化特征產生影響。要想對諧波產生的波形畸變影響進行具體分析，則可以通過系統性的方式展示出來，在當前電力系統運行效果分析的基礎上，確定電流鐵芯導磁性產生的變化。

電壓標準相同的情況下，保證電壓有效性的同時，保證目前諧波功率中基數變化特征，是對系統產生影響的關鍵點。

如果電力系統中存在諧波分量，諧波與基波之間相互疊加，導致波形畸變，由于電壓以及電流鐵芯導磁率具有非線性特點，所以在產生畸變之后，磁通不會出現線性變化。根據電能表的實際工作原理能夠確定，只有電流與電壓之間的頻率相同，才能出現平均功率，在相同頻率的情況下，電能表才能出現轉矩。產生畸變的波形在進入電磁元件之后，因為磁通沒有因為波形的變化發生變化，所以轉矩與平均功率不成正比，最終出現誤差。感應式無功電能表的聯結方式如圖1 所示。

圖1 感應式無功電能表的聯結方式

目前可以將諧波對感應式電能表的計量誤差歸納為以下內容。

（1）由于感應式電能表電氣性能屬于非線性，所以在多個諧波的影響中，電能表計量結果與諧波電壓電流單獨進行計量的電能量之間存在差異，所以出現計量誤差。

（2）在電流以及電壓都出現擊畸變之后，雖然存在的電壓誤差較小，也會導致電能計量中存在大量誤差。而這一現象出現的主要原因為，感應式電能表中的非線性以及頻率特性出現下降特征，進而出現誤差。

（3）當電壓處于正弦狀態，但是電流存在畸變的情況下，在電壓磁通中會與諧波電流磁通產生相同階次的分量，出現附加驅動力矩，但是通常情況下，產生的力矩較小。如果電流處于正弦，但是電壓產生畸變，諧波電壓與電流相互作用，會產生制動力矩，感應式電能表在計量中出現負誤差。而在滿負載的情況下，諧波電流磁通導致電流磁分路提前飽和，增加了電流工作磁通量，電能表則出現正誤差。

通過上述分析能夠看出，各個階次諧波功率的流動方向，直接決定感應式電能表出現誤差的正負情況，另外，電能表由于自身物理特性的影響，也會產生一定誤差。但是如果存在的畸變因素較低，在10%以下，則產生的誤差往往會在合理范圍之內。

2.2 電子式電能表電能計量中諧波的作用

對于電子式電能表來說，其頻響特性與在乘法器使用具有緊密聯系，時分割頻率高的情況下，電能表的工作頻帶加寬，相反工作頻帶變窄。目前可以將電子式電能表分為兩種類型，分別為能夠反應寬頻范圍以及能反映基波低頻諧波電能的電能表。電子式電能表針對不同波形，產生的反應也不同，因此存在的誤差也不同。如果功率中的電壓和電流，只有一種出現畸變的情況下，畸變程度不同導致電子式電能表產生誤差的情況也不同，但是不會出現非常明顯的誤差。而電網中電流以及電壓都出現畸變的情況下，電子式電能表具有較寬的頻帶，所以能夠對諧波功率進行準確的計量，由此能夠看出，電子式電能表能夠對基波和諧波的功率進行統一計量。電子式電能表基本結構如圖2 所示。

圖2 電子式電能表基本結構

目前電子式電能表的構成可以分為兩種，第一種為由乘法器構成的電能表，另一種為時分割乘法器構成的電能表。乘法器電能表具有非常好的頻響特性，而另一種電能表主要是根據時間進行分割，對方波系列的寬度以及幅度進行調整，所以最終計量的準確性較高。線性用戶和非線性用戶的計量誤差會受到諧波潮流的影響，二者之間的不同之處主要在于，諧波功率存在的情況下，電子式電能表的計量值與基波電能和各個諧波電能相量之和接近，因此電子式電能表的計量結果更加準確[2]。

3 改善有功電能計量諧波負面作用的措施

3.1 使用全能量計量方式

這種方式中，電能表需要將基波和諧波電能全部反應出來，對于線性用戶來說，電能表的讀數為W1+ΣWh，非線性用戶的電能表讀數為W1-ΣWh，通過實際分析能夠看出，利用全能量計量方式，存在的計量誤差可以忽略不計，但是在實際應用過程中需要注意，這種方式適合應用在電力系統中，諧波數量較小的情況中。

3.2 基波電能計量方式

在基波電能計量方式中，電能表需要反應出基波有功功率以及有功電能，并不會將諧波有功功率表計算在其中，所以無論是對于何種用戶，最終電能表中的電能都是基波有功電能。其中低通濾波器的選擇對最終計量結果來說非常重要，目前低通濾波器可以大致分為兩種類型，分別為有限沖擊濾波器以及無限沖擊濾波器。前者的通帶的帶較為寬大，阻帶中存在旁瓣波動情況，雖然這種方式能進一步提高截至頻率的特性，但是由于階數太高，導致最終計量結果無法達到相應要求。而后者能在階數較低的情況下，得到較為良好的截至頻率特性，所以在實際計量中，多數情況下都會使用無線沖擊濾波器。低通濾波器結構如圖3 所示。

圖3 低通濾波器結構

低通濾波器結構的最佳應用狀態下，頻率響應要具備最大幅值和線性相移，并且在阻帶內部的幅值為0，但是多數低通濾波器在實際應用中，無法達到這一狀態，所以為了保證低通濾波器的使用效果，需要根據實際情況選擇合適的濾波器類型。當前應用范圍較廣的低通濾波器主要包括以下3 種。

（1）巴特沃斯濾波器，這一濾波器的幅頻響應中，具有較高的平坦度，但是通帶與阻帶之間的衰減速度較為緩慢。

（2）車比雪夫濾波器，該種濾波器的衰減速度較快，但是在允許通帶中存在紋波，平坦度并不高。

（3）貝塞爾濾波器，該濾波器的性能重點在相頻響應，相移和頻率屬于正比關系，群延時普遍恒定，能夠相位失真程度較小[3]。

在應用巴斯沃斯濾波器的過程中，對信號中存在的二次諧波以上頻率進行過濾，一階濾波器的衰減率為20dB/十倍頻，實際濾波效果并不理想。在二階中，濾波器的衰減率為40dB/十倍率，最終的濾波效果較好。

3.3 確定諧波環境下諧波的計量方法

分析諧波產生的影響，確定諧波程度以及諧波產生的影響。在對諧波產生影響進行分析的過程中，可以使用諧波阻抗檢測法、神經網絡法以及電流矢量法等。對于諧波對在阻抗產生的影響，可以通過以下兩種方式解決。

（1）開展暫態干擾，及時記錄電壓和電流波形的實際情況計算數值，這種方法的實際應用對采樣頻率具有較高要求。

（2）加入穩態干擾，對加入穩態干擾前后的波形進行測量，該種方法目前在我國的應用范圍也較廣，但是由于容易受到外部環境的影響，所以在更加穩定的環境中應用，保證最終的應用效果。

在諧波采集中還需要注意以下問題：采樣頻率以及窗長不發生變化的條件下，只需要加入正弦波，就能夠對基波頻率變動時產生的誤差進行測量，并且這種方式的測量準確性較高[4]。

4 結語

綜上所述，諧波會對有功電能計量產生負面影響，進而導致最終的計量結果與實際情況之間存在偏差。為了有效解決這一問題，可以通過調整計量方式以及采取科學計量方法等途徑，降低諧波對有功電能計量產生的負面作用，提高最終計量結果的穩定性。這對于我國有功電能計量工作提高公正公平性來說具有促進作用，在今后相關研究人員需要進一步控制諧波對有功電能計量產生的不良影響，保證我國電網以及電力系統的良好運行發展。