探析電力諧波對電能計量的影響

摘 要：當下，電力諧波與電能計量之間的交互影響仍是一個科學(xué)和技術(shù)難題。本文在分析這些影響的前提下，提出了電力諧波對電能表產(chǎn)生的主要影響以及治理措施，以期促進我國電力技術(shù)進一步的更好更快發(fā)展。

關(guān)鍵詞：諧波；電能；計量；電力影響

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）20-0076-02

引 言

諧波本質(zhì)是周期電量的正弦波分量，諧波頻率是基本頻率的整數(shù)倍。因此，我們常把諧波稱為高次諧波，而諧波的數(shù)量定義則用諧波頻率與基波頻率的比值來表示。按慣例，規(guī)定電力系統(tǒng)的功率頻率作為基本波頻率。隨著鐵路電氣化建設(shè)的加速發(fā)展和風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電的不斷發(fā)展，電網(wǎng)中的諧波含量不斷增加，諧波將使電能計量的精度偏離軌道。因此，發(fā)電、供電和用電三方必須對電力諧波有一定的了解。只有合理控制，才能減少電力諧波對電能計量的不利影響。

1 諧波產(chǎn)生的原因

諧波產(chǎn)生的原因主要有以下幾個方面：

（1）發(fā)電源質(zhì)量不高，由此而產(chǎn)生的諧波。在三相繞組的生產(chǎn)中，很難實現(xiàn)絕對對稱。鐵心也很難達到絕對的一致性，電力供應(yīng)的發(fā)電源將產(chǎn)生一定量的諧波，但通常很少。

（2）電力傳輸和配電系統(tǒng)的諧波產(chǎn)生，輸電和配電系統(tǒng)主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波。變壓器鐵心的飽和以及變壓器設(shè)計時考慮經(jīng)濟性，變壓器的磁密度選擇在磁化曲線的近飽和區(qū)，所以磁化電流在呈現(xiàn)頂點波形狀，含有大量奇次諧波。飽和度越高，變壓器的工作點越偏離線性走向，諧波電流故而越大。

（3）電氣設(shè)備所產(chǎn)生的諧波，主要是由晶閘管整流設(shè)備所產(chǎn)生。目前，晶閘管整流器已廣泛應(yīng)用于電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等多個方面。也因此給電網(wǎng)帶來了許多諧波。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近2/5，是最大的諧波產(chǎn)生源。

2 我國電力諧波標準

中國的電力諧波主要是根據(jù)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T14549-1993）來實現(xiàn)的。220kV標稱電壓的公共網(wǎng)格可參照110kV進行，測點為公共連接點（PCC），實測值為95%概率值，該標準還規(guī)定了PCC諧波電流允許值的計算方法和用戶電流的允許值計算方法，并對測量方法和測量儀器的內(nèi)容進行了相應(yīng)的要求。

3 電能計量中存在的問題

總能量計算是指基本波電能和諧波電能的代數(shù)和。實際電力系統(tǒng)中電能的測量存在以下問題：

（1）當負載為線性時，電源為非正弦，能量計測量的是基本波功率和一些諧波電能。諧波不僅對電力設(shè)備有害，而且還會造成用戶多交電費，這顯然是不合理的。

（2）當荷載為非線性時，非線性荷載將產(chǎn)生諧波功率，并流入系統(tǒng)。此時，電能表測量的是基波電能和倒流入系統(tǒng)的諧波電能的差值。非線性負荷不僅產(chǎn)生諧波污染，而且電力成本也較低，這使得供電部門的經(jīng)濟效益受到損害。

（3）當電源畸變，負載為非線性時，情況更加復(fù)雜。負載從電網(wǎng)吸收諧波能量，與此同時，諧波流將流入電網(wǎng)，這相當于第一和第二的綜合情況。

4 電力諧波對電能表的主要影響

4.1 對感應(yīng)式電能表的影響

機械電能表由軸承、旋轉(zhuǎn)元件、制動元件、儀表、驅(qū)動元件和輔助部件組成。它是由交流電壓和電流通過流量計的旋轉(zhuǎn)表驅(qū)動，產(chǎn)生驅(qū)動力矩，驅(qū)動計數(shù)器字輪旋轉(zhuǎn)和顯示電流。電流受摩擦阻力的影響，在電流較大時還會受到受慣性的影響。也就是說，通過各種補償調(diào)整，誤差只能保證在2%以內(nèi)。感應(yīng)電能表的設(shè)計是基于交流基波的原理設(shè)計的，電能表主要采用磁感應(yīng)法，使用扭矩驅(qū)動儀表來測量電能。當系統(tǒng)具有諧波或用戶設(shè)備產(chǎn)生諧波時，電流和電壓的畸變，產(chǎn)生的磁感應(yīng)也隨電流和電壓而不均勻，從而影響電度表的誤差，因此，諧波影響感應(yīng)表（機械計）的誤差更大。

4.2 對電子式電能表的影響

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，現(xiàn)代電子電能表主要由智能電能表或多功能電能表組成。其結(jié)構(gòu)由測量芯片、微處理器芯片、通信模塊等組成。除了準確的測量功能外，還具有本地和遠程通信、遠程關(guān)機、異常報警、信息傳遞等功能。電子電度表是基于基本諧波的疊加來計算的。對于線性用戶，其電能是由基本波和諧波能量之和來測量的，諧波不僅有害，且其還計入了諧波電量中。對于非線性用戶，產(chǎn)生的諧波一部分被發(fā)送到電網(wǎng)，非線性用戶產(chǎn)生的諧波不僅污染了電網(wǎng)，還降低了電能。雖然電能表克服了感應(yīng)電能表的影響，如機械旋轉(zhuǎn)、元件磨損、傾角等，但也有一些不合理的地方。目前主要是通過電能采樣的區(qū)間頻率分析來提高電能信號處理的方法，從而在測量中檢測到諧波的存在。

5 治理措施

5.1 管理措施

（1）要充分了解諧波對電網(wǎng)的影響，建立和完善諧波治理體系，組建專業(yè)的管理團隊。

（2）要加強標準和規(guī)范。要充分認識到，諧波治理是供電企業(yè)、電力企業(yè)和用戶的共同責(zé)任，要共同發(fā)力，減少電網(wǎng)污染，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。這是一種互利、節(jié)能、提高效率的關(guān)鍵措施，同樣也是保證電網(wǎng)和設(shè)備穩(wěn)定運行的關(guān)鍵要求。

（3）主管部門對電網(wǎng)進行專業(yè)性探討研究，確定諧波源的所在位置和產(chǎn)生原因。在長期產(chǎn)生產(chǎn)生較大諧波的地方，可以建立長期觀測點，以評估電力用戶的電氣設(shè)備是否產(chǎn)生了過度的諧波污染。

（4）嚴格審核新、擴建、改建的審批程序，嚴格審查新用戶設(shè)備的負荷特性，并在與電網(wǎng)連接的非線性負荷電力設(shè)備運行前進行電能質(zhì)量評價。在試運行過程中應(yīng)進行電能質(zhì)量的測量，如果實際測量超過標準，則不允許在電網(wǎng)中運行。

（5）當用戶未按照國家標準注入電網(wǎng)諧波時，用戶必須采取對策消除諧波影響。否則，供電企業(yè)有責(zé)任、有義務(wù)同樣也有權(quán)利暫停供電。

（6）在大容量非線性用戶中安裝諧波監(jiān)測裝置網(wǎng)絡(luò)端，對于不執(zhí)行供電協(xié)議的用戶可以停止供電。

5.2 技術(shù)措施

（1）為了解決諧波對電能計量的影響，根據(jù)國際電氣工程協(xié)會工作小組的建議，建議用戶使用對電壓或電流波形的畸變測量的先進數(shù)字電能計。

（2）根據(jù)實測情況，可以采用安裝濾波裝置等相應(yīng)措施，盡量減少諧波含量，降低諧波對所有能量測量的影響，降低諧波對電氣設(shè)備的危害。

6 減小諧波的思考

鑒于電力諧波對電能表主要計量裝置的不利影響，我們可以考慮從以下三個方面減少影響：

（1）增加諧波監(jiān)測和控制的強度。監(jiān)控現(xiàn)有電網(wǎng)和主要的諧波源，在諧波源安裝變電站的電能質(zhì)量實時監(jiān)測裝置，設(shè)置諧波監(jiān)測系統(tǒng)，實時控制分析電網(wǎng)諧波情況，科學(xué)計劃，嚴格導(dǎo)納，對于電網(wǎng)諧波含量較高的高電壓用戶，實行不予供電政策。

（2）科學(xué)地建立電能計量方案。對于諧波源用戶，測量點應(yīng)遠離諧波源。對于諧波產(chǎn)生較重的設(shè)備及工廠，應(yīng)選擇小的諧波線端作為網(wǎng)關(guān)測點，以此降低諧波對計量裝置的影響。同時，應(yīng)該選用具有高可靠性、高穩(wěn)定性、高精度的多功能電能表作為網(wǎng)關(guān)儀表。

（3）風(fēng)電、電氣化鐵路、光伏發(fā)電的建設(shè)速度飛速發(fā)展的同時，也使得電網(wǎng)污染問題日益嚴峻。我們應(yīng)根據(jù)設(shè)備的工作原理，結(jié)合實際情況，通過對比分析判斷，減少故障范圍，減少測量和檢查等環(huán)節(jié)，提高故障排除速度。

上述故障排除方法可單獨使用或結(jié)合實際應(yīng)用，可根據(jù)具體情況靈活選擇。

7 結(jié)束語

如何在電力系統(tǒng)和用戶之間銷售和購買電能，如何測量電能，都涉及到經(jīng)濟和技術(shù)問題。隨著電網(wǎng)中非線性負荷的增加，大量的諧波電流被注入電網(wǎng)，造成電壓和電流的畸變，造成諧波污染，產(chǎn)生額外的諧波功率損耗。如何計算諧波能量，誰將承擔(dān)諧波能量的損失，這部分損失采用何種計費標準，是目前急需解決的問題。本文在探討諧波產(chǎn)生的原因及其對電能計量的影響的基礎(chǔ)上，提出了測量基本波功率和諧波電能的測量方法，并提出分別記錄諧波電能的方向的方法。這不僅可以補償諧波分量電價和電力消費，又可以合理調(diào)整根據(jù)諧波分量的電價比例。同時，還考慮到電網(wǎng)的可靠運行和電力行業(yè)的利益。

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收稿日期：2018-6-2

作者簡介：黎業(yè)銘（1984-），男，工程師，本科，主要從電能計量管理工作。