電力諧波計量標準研究

劉佳 李賀龍 于海波

摘要：電力諧波是電能的污染，供電側(cè)新能源發(fā)電、用電側(cè)非線性設(shè)備會產(chǎn)生諧波。電力諧波會增大設(shè)備損耗、降低設(shè)備壽命，甚至會引發(fā)供電故障。目前應對諧波的方法側(cè)重治理，預防手段欠缺，需開展電力諧波計量標準裝置、傳遞裝置、安裝器具及標準體系研究，建立電力諧波計量技術(shù)體系，實現(xiàn)諧波量值的準確、統(tǒng)一、互認，豐富諧波污染預防手段，實現(xiàn)防治并舉。

關(guān)鍵詞：計量 電力諧波 標準裝置 技術(shù)標準

Abstract： Power harmonics are the pollution of electric energy. New energy power generation on the power supply side and non-linear devices on the power user side will generate harmonics.Power harmonics will increase equipment loss， reduce equipment life， and even cause power supply failures.The current methods to deal with harmonics focus on governance， and the prevention means are lacking.It is necessary to carry out research on power harmonic measurement standard devices， transmission devices， installation appliances and standard systems， establish a power harmonic measurement technology system， realize the accuracy， uniformity， and mutual recognition of harmonic magnitude， enrich harmonic pollution prevention methods， and achieve simultaneous prevention and control .

Key words： measurement，electric power harmonic，standard device，technical standard

1 研究背景

理想的電能形態(tài)是工頻正弦波，與工頻不同的其他成分統(tǒng)稱為電力諧波，電力諧波是電能的污染，供電側(cè)新能源發(fā)電、用電側(cè)非線性設(shè)備會產(chǎn)生諧波。電力諧波會增大設(shè)備損耗、降低設(shè)備壽命，甚至會引發(fā)供電故障。與此同時，高端裝備制造業(yè)、精密儀器設(shè)備需要高質(zhì)量電能，諧波會降低電能質(zhì)量，給相關(guān)領(lǐng)域造成巨額經(jīng)濟損失。目前應對諧波的方法側(cè)重治理，預防手段欠缺，無法控制諧波源頭的進入，導致電網(wǎng)諧波污染仍普遍存在，因此，需開展電力諧波計量標準裝置、傳遞裝置、安裝器具及標準體系研究，實現(xiàn)諧波量值的準確、統(tǒng)一、互認，豐富諧波污染預防手段，實現(xiàn)防治并舉。長期以來，諧波計量技術(shù)面臨以下問題：一是電力行業(yè)諧波計量標準裝置準確度不滿足要求;二是適用于電網(wǎng)復雜諧波特點的檢測方法不全面、量值準確傳遞設(shè)備缺失;三是缺少滿足電網(wǎng)現(xiàn)場工況的低成本安裝式諧波計量器具。

2 研究內(nèi)容

基于目前存在的問題，需從諧波量值源頭入手，研究高精度等級的標準裝置并實現(xiàn)國際互認，然后研究電力諧波計量檢測方法和裝置，打通量值傳遞鏈條;最后研制安裝式諧波計量器具，保證低成本、大范圍推廣應用。

2.1 標準裝置研究

常規(guī)信號發(fā)生方法受放大器幅頻、相頻特性限制，難以滿足高峰值系數(shù)非正弦信號高保真穩(wěn)定輸出的需要;傳統(tǒng)DFT算法受信號源、采樣器時鐘穩(wěn)定性以及二者偏差產(chǎn)生的非同步影響，達到標準諧波信號的分析精度十分困難。

為此，提出了多重平均自適應諧波分析算法，將同步偏差達0.2個周波條件下的諧波分析精度提升至10-16量級，突破了硬件同步技術(shù)對諧波分析精度的制約，達到了無需硬件同步即可滿足基準級諧波分析精度要求的效果。發(fā)明高波峰系數(shù)非正弦信號發(fā)生方法，突破放大器幅頻、相頻特性對輸出信號波峰系數(shù)的限制，解決了高波峰系數(shù)整數(shù)次諧波、間諧波信號高保真輸出難題，研制了電力諧波計量標準裝置，建立了電力諧波量值傳遞源頭。

2.2 傳遞裝置研究

首先，實際電網(wǎng)諧波成分繁雜，傳統(tǒng)諧波計量檢測方法是在單次諧波條件下對計量器具性能進行評價，研究復雜諧波工況下高效評價諧波計量器具運行性能的檢測方法十分困難;其次，復雜諧波條件下，缺少將諧波稱準量值傳遞到計量器具的檢定裝置。

對此，提出了以特征波形為基礎(chǔ)的檢測方案，設(shè)計了涵蓋各類現(xiàn)場諧波特性的電力計量專用測試波形，突破簡單波形的限制，簡化測試流程，提高了檢定效率，牽頭編制DL/T 1369—2014《標準諧波有功電能表》，參與編制GB/T 17215.302—2013《交流電測量設(shè)備 特殊要求 第2部分：靜止式諧波有功電能表》、JJG 1106—2015《工作用靜止式諧波有功電能表檢定規(guī)程》等技術(shù)標準，解決了單次諧波檢測方法無法全面高效評價安裝式計量器具實際運行性能的難題。

DL/T 1369—2014規(guī)定了實驗室用檢驗或校準基波有功電能和規(guī)定的（第）2～（第）n次諧波的正、反向有功電能儀表的術(shù)語定義、分類、技術(shù)要求、準確度等級及其試驗方法。給出了標準的電量值和儀表分類，規(guī)定儀表宜具有測量50次以上諧波電能的能力;特別對標準有功諧波電能表的準確度做出要求，除單次諧波有功電能的基本誤差要求及試驗要求外，提出了諧波狀態(tài)下的準確度試驗，包括方波試驗、尖頂波試驗及（合成）方波試驗的諧波次數(shù)、電流幅值、電流初相角、電壓幅值及電壓初相角等，涵蓋了各類現(xiàn)場諧波特性的電力計量專用測試波形，為高效完成安裝式諧波計量器具的檢定奠定技術(shù)基礎(chǔ)，從技術(shù)層面統(tǒng)一、規(guī)范了實驗室用標準諧波有功電能表的性能指標及試驗方法。

同時，提出兩級分層諧波輸出結(jié)構(gòu)，在不降低相位調(diào)節(jié)細度的前提下，無損輸出次諧波，研制檢定裝置，低成本實現(xiàn)了包含復雜諧波成分的非正弦信號準確測量，達到基波、諧波同時多表位檢定的效果。

2.3 安裝器具研究

傳統(tǒng)的加窗傅里葉變換方法，在電網(wǎng)頻率波動工況下，諧波分析誤差大，無法滿足實際使用要求;準同步算法雖能滿足分析精度的要求，但算法復雜度高、運算耗時長，對硬件要求高，無法滿足安裝式諧波計量器具準確、實時監(jiān)測和低成本推廣應用的需求。

為此，采用一種基于CIC濾波器非線性負荷多級重采樣技術(shù)，實現(xiàn)對諧波有功電能的分向分次計量，研制了安裝式諧波計量器具，編制了國家電網(wǎng)企業(yè)標準Q/GDW11844—2018《三相諧波智能電能表技術(shù)規(guī)范》，統(tǒng)一、規(guī)范了安裝式諧波計量器具的技術(shù)要求及檢測方法。

Q/GDW11844—2018適用于分別測量并記錄基波有功電能和規(guī)定的（第）2～（第）n次諧波有功電能的智能電能表，給出了三相諧波智能電能表的規(guī)格、機械、功能、電氣等技術(shù)要求，并對包含準確度試驗、機械、氣候、電氣性能等試驗方法做出了具體要求，尤其對正反向諧波試驗的基波電壓值、基波電流值、諧波電壓值、諧波電流值、諧波次數(shù)及功率因數(shù)，高波峰系數(shù)試驗的諧波次數(shù)、基波電壓、基波電流、功率因數(shù)、諧波電壓、諧波電流等具體指標做出規(guī)定，給出了三相諧波電能表的溯源方法，從技術(shù)層面統(tǒng)一、規(guī)范了安裝式諧波計量器具的性能指標，為三相諧波智能電能表的大規(guī)模應用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

3 總結(jié)

標準裝置、傳遞裝置、安裝器具、技術(shù)標準均已全面應用，標準裝置向各省級電力計量機構(gòu)進行量值傳遞，保證諧波量值準確統(tǒng)一;安裝的諧波計量器具為應用單位從源頭上預防諧波污染提供技術(shù)手段，保證了高端制造園區(qū)、奧運場館的用電質(zhì)量，為我國建設(shè)質(zhì)量強國奠定基礎(chǔ)。