諧波存在時的電能計量誤差與計量方法分析

史建平

【摘要】當(dāng)前，用電人群的不斷增加以及大量電氣設(shè)備的應(yīng)用，使得電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量的諧波，不僅給電力部門帶來了很大的壓力，影響了供電質(zhì)量，同時也造成了電能計量的誤差，給供電企業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。本文結(jié)合諧波的相關(guān)概念，對諧波存在著電能計量誤差以及相應(yīng)的改進(jìn)措施進(jìn)行了分析和探討。

【關(guān)鍵詞】諧波；電能計量；誤差；計量方法

前言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得各種各樣的電氣設(shè)備不斷涌現(xiàn)，除了電氣化鐵路的大量建設(shè)投運，泉州地區(qū)石獅、晉江一帶的紡織服裝業(yè)，大量使用整流器、變頻器、江南片區(qū)的汽配加工企業(yè)的變頻電弧爐、安溪鐵藝加工的焊機設(shè)備，為社會生產(chǎn)和人們的日常生活提供了巨大的便利，同時也使得電網(wǎng)產(chǎn)生了大量的諧波源。而諧波存在時，會對電能計量的準(zhǔn)確性造成巨大的影響，產(chǎn)生相應(yīng)的計量誤差，因此，對于電力工作人員而言，對電能計量方法進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，消除電能計量誤差，是當(dāng)前需要重點研究的課題。

一.諧波的相關(guān)概念

諧波是指電流中所含有的，頻率為基波的整數(shù)倍的電量，或者說是對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。而從廣義方面看，在交流電網(wǎng)中，有效分量為工頻單一頻率，任何與工頻頻率不同的成分，都可以稱為諧波。諧波產(chǎn)生的原因，主要是由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變，從而產(chǎn)生諧波。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動下，化工、冶金、煤炭等行業(yè)的飛速發(fā)展以及各種非線性負(fù)荷的增加，使得電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的高次諧波電流，從而引起電壓波形的畸變?？梢哉f，在電力系統(tǒng)中，幾乎所有的非線性設(shè)備和負(fù)荷都是諧波源，包括以變壓器、電抗器等為代表的鐵磁飽和型設(shè)備，以整流器、逆變器等為代表的電子開關(guān)型設(shè)備以及以電弧焊機等為代表的電弧型涉筆等。諧波對于整個電力系統(tǒng)的危害都是非常巨大的，一是會降低系統(tǒng)容量，影響設(shè)別的穩(wěn)定運行，二是會加速設(shè)備老化，縮短設(shè)備的使用壽命，甚至可能造成設(shè)備的損壞，三是可能危害生產(chǎn)的穩(wěn)定和安全，四是可能增加附加損耗，造成計量和測量設(shè)備的顯示誤差，同時可能干擾通信設(shè)備的信號傳遞，對其造成損壞。因此，采取合理有效的措施，對諧波存在時的電能計量方法進(jìn)行改進(jìn)，保證電能計量安全，是非常重要的，需要電力工作人員的重視。

二.諧波存在時的電能計量誤差

電力系統(tǒng)存在諧波時，會造成計量誤差的出現(xiàn)，影響電能計量的準(zhǔn)確性。在電力負(fù)載上，諧波存在于基波電流或電壓中，若基波電流和電壓保持不變，則電能表轉(zhuǎn)盤阻抗以及電壓線圈阻抗會出現(xiàn)相應(yīng)的邊改，從而影響電能表計量的準(zhǔn)確性。諧波存在時，電能表所反映的電能值可以用下列公式表示：

其中，E1和Eh表示基波以及h次的諧波電能值，其符號由實際潮流方向決定，并不確定，C1和Ch表示電能表所反映的與h次諧波電能和基波成比例的系數(shù)。對于電能計量而言，諧波功率的潮流方向是非常關(guān)鍵的。傳統(tǒng)電能計量中，采用的是全能量計量方式，是對基波電能和諧波電能總和的計量，這就使得在實際計量中，存在著相應(yīng)的問題：（1）當(dāng)用戶負(fù)荷為線性時，則供電為非正弦，此時，電能表計量的數(shù)據(jù)實際上是基波電能加上部分諧波電能，用戶不僅需要多交電費，還可能會受到諧波的危害，影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運行；（2）當(dāng)用戶負(fù)荷為非線性時，則非線性負(fù)載會產(chǎn)生諧波功率和電能，同時將一部分諧波倒流到電力系統(tǒng)中，此時，電能表計量的數(shù)據(jù)是基波電能減去倒流入系統(tǒng)的諧波電能，不僅對電網(wǎng)造成了污染，而且還少交電費，損害了供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益；（3）當(dāng)電源出現(xiàn)畸變，負(fù)載為非線性時，電能計量的情況相對比較復(fù)雜，負(fù)載從電網(wǎng)吸收相應(yīng)的基波和諧波電能，同時也有諧波倒流入電網(wǎng)，可以說是前兩種情況的綜合。由此可知，線性負(fù)載在吸收系統(tǒng)基波功率的同時，還將被迫吸收諧波功率；而非線性負(fù)載在吸收基波功率的同時，將其中一部分基波功率轉(zhuǎn)化為諧波功率注入系統(tǒng)，成為系統(tǒng)的諧波源。

三.諧波存在時電能計量的有效方法

針對上述問題，電力工作人員應(yīng)該充分重視起來，結(jié)合諧波原理以及諧波產(chǎn)生的基本要素，對諧波的危害進(jìn)行約束，從而提升計量的準(zhǔn)確性。從目前來看，諧波存在時，電能計量的有效措施，包括以下幾種：

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。全電子式智能電能表的計量方法如下：在實際計量中，需要對帶加權(quán)系數(shù)、諧波電能以及基波電能等進(jìn)行分別計量，計量公式為

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)的加強系數(shù)。一般情況下，將C1設(shè)置為1，則當(dāng)Cfout大于1時，則應(yīng)該對發(fā)出諧波電能的非線性負(fù)載用戶進(jìn)行懲罰；當(dāng)Cfout在0-1的范圍內(nèi)時，則對線性負(fù)載用戶進(jìn)行相應(yīng)的補償。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。

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。其公式為：

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。

四.結(jié)語

總而言之，諧波對于電力系統(tǒng)的危害是非常巨大的，當(dāng)諧波存在時，電能計量可能會出現(xiàn)相應(yīng)的誤差，影響電力用戶和供電企業(yè)雙方的利益。因此，電力工作人員應(yīng)該充分重視起來，采取合理有效的措施，對計量方式進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，實現(xiàn)基波電能和諧波電能的分別計算，從而保證電能計量的準(zhǔn)確性，保證我國電力行業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定健康發(fā)展。

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