【摘要】本文以廣州供電局計(jì)量管理現(xiàn)狀為例，分析了常規(guī)三相電能表在諧波源用戶的計(jì)量中存在的問題，并提出試用全波電能表的建議。

【關(guān)鍵詞】全波；諧波；電能表；應(yīng)用

Abstract：Taking the current situation in measure administration of Guangzhou power supply bureau as example，this article analyses the problems of routine three-phase electric energy meter which lying in harmonic consumers’measurement.And propose applying the all waves electric energy meter.

Key words：all waves；harmonic；electric energy meter；application

1.概況

廣州供電局的電能計(jì)量裝置管理，一直按照《DL/T 448-2000電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程》、《南方電網(wǎng)電能計(jì)量管理辦法》、《廣東電網(wǎng)公司電能計(jì)量管理辦法》《廣東電網(wǎng)公司電能計(jì)量裝置技術(shù)規(guī)范》和《廣州供電局電能計(jì)量管理辦法》等相關(guān)規(guī)定進(jìn)行I-V類用戶的電能計(jì)量裝置的選配和管理。對(duì)互感器和電能表的選配，只是參照用電容量和用電性質(zhì)配置相應(yīng)精度的互感器和有、無功電能表，并未考慮諧波的影響。

近幾年，隨著城市現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，諧波的污染呈日益嚴(yán)重的趨勢(shì)。應(yīng)用于地鐵、高速鐵路、煉鋼等領(lǐng)域的各類換流設(shè)備、調(diào)壓裝置、變頻裝置等非線性負(fù)荷的使用都將產(chǎn)生諧波，從而對(duì)電力設(shè)備、電力用戶和通信線路等造成較大的影響。電網(wǎng)中的諧波還會(huì)影響到電能表計(jì)量的真實(shí)性和準(zhǔn)確性。為此，近年來，一些電能表廠家相繼研制出了應(yīng)用于諧波工況下的三相多功能電能表，使全波計(jì)量方式成為可能。

2.諧波源頭

非線性用電設(shè)備是造成諧波的根本原因。非線性設(shè)備有電弧爐、弧焊機(jī)、電子整流換流設(shè)備、高壓直流輸電設(shè)備、電氣化鐵道、家用電器以及各種電子節(jié)能控制設(shè)備如開關(guān)電源，晶閘管控制設(shè)備如換流設(shè)備、整流器、逆變器、靜止無功補(bǔ)償裝置、變頻器等，涉及冶金、公共交通、電氣化鐵路、電信、化工、有色金屬、交通、機(jī)械、汽車制造等行業(yè)的用電客戶。

3.諧波對(duì)計(jì)量裝置的影響

諧波對(duì)電網(wǎng)的影響，除增加變壓器和電力電路的損耗，可能引起保護(hù)誤動(dòng)外，還會(huì)影響到電能計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性。

電網(wǎng)中的高次諧波主要是由非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的，而高次諧波的產(chǎn)生是要消耗一定電能的，并且諧波功率在流經(jīng)送變電設(shè)備和用電設(shè)備時(shí)也要做功，所以諧波也會(huì)產(chǎn)生有功功率和無功功率，并產(chǎn)生相應(yīng)的有功電能和無功電能。從準(zhǔn)確的角度來考慮諧振波產(chǎn)生的有功電能和無功電能也需要計(jì)算。

電能計(jì)量裝置通常是按50Hz標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計(jì)，供電電壓或負(fù)荷電流中的諧波成分會(huì)影響感應(yīng)式電能表和電子式電能表的正常工作，使其不能準(zhǔn)確計(jì)量。

有諧波源存在時(shí)，該處用戶的電能量記錄本應(yīng)為其吸收的基波電能量加上小部分諧波電能量，而現(xiàn)使用的感應(yīng)式電能表的記錄為其吸收的基波電能量減去小部分諧波電能量，電子式電能表（基波表）只記錄了其吸收的基波電能量，諧波電能量則未能記錄，故諧波能使電能計(jì)量裝置產(chǎn)生誤差。下面分別分析諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確度的影響。

3.1 對(duì)感應(yīng)型電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響

傳統(tǒng)的電能測(cè)量方法采用電壓、電流的總有效值，測(cè)量功率為P=Vrms×Irms×cosφ，對(duì)于非正弦系統(tǒng)的，，通常使有效值增大。當(dāng)電力系統(tǒng)中有諧波分量存在時(shí)，諧波與基波相迭加，波形就會(huì)發(fā)生畸變，而由于電壓、電流鐵芯導(dǎo)磁率的非線性，在電壓、電流波形發(fā)生畸變時(shí)，磁通并不能相應(yīng)地線性變化。從電工基礎(chǔ)知識(shí)和電能表工作原理可知，只有同頻率的電壓和電流相互作用才會(huì)產(chǎn)生平均功率，電能表也只有同頻率的電壓和電流產(chǎn)生的磁通之間相互作用才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，畸變的波形通過電磁元件以后，由于磁通不與波形對(duì)應(yīng)變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩不能與平均功率成正比而產(chǎn)生附加誤差。

例如：電壓為基波，電流為3次諧波，結(jié)果瞬時(shí)功率曲線如圖1所示，有功功率為零。

可見，諧波電流并不一定增大有功功率。使用感應(yīng)型電能表計(jì)量非正弦系統(tǒng)電量影響準(zhǔn)確度。

3.2 對(duì)電子式電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響

我們知道瞬時(shí)功率P（t）-v（t）×i（t），諧波情況下的有功功率：

即：

Pav=P0+P1+P2+P3+……

總的畸變波形的有功功率等于直流分量功率、基波功率與各次諧波分量功率之和?？偟幕儾ㄐ蔚挠泄β实拇笮Q定于基波功率方向與諧波功率方向是否一致。

例如計(jì)算含3次諧波的有功功率：當(dāng)3次諧波電壓與3次諧波電流相位相同時(shí)，瞬時(shí)功率曲線如圖2所示，有功功率為0.5，總的有功功率大于基波有功功率。

反之，當(dāng)3次諧波電壓與3次諧波電流相位相反時(shí)，總的有功功率小于基波有功功率。對(duì)于非線性用戶，產(chǎn)生諧波倒流入電網(wǎng)，此時(shí)電能表計(jì)量是基波電能減去倒流入電網(wǎng)的諧波電能，不但產(chǎn)生污染電網(wǎng)的諧波，還少計(jì)量了電能；對(duì)于線性用戶，諧波流入，計(jì)量的電能為基波電能與諧波電能之和，不但受害，還被多計(jì)量了電能。顯然，這種計(jì)量方式是不合理的。

3.3 對(duì)基波電子式電能表計(jì)量準(zhǔn)確度的影響

針對(duì)上述情況，現(xiàn)有電子式電能表一般都加前置低通濾波器，濾去除基波外的諧波，只計(jì)量基波電能。這樣，對(duì)線性用戶，諧波電能沒有被誤計(jì)入；對(duì)非線性用戶，只計(jì)量了基波電能，而沒有計(jì)量諧波電能，導(dǎo)致少計(jì)量電能。

以廣東省粵北某電氣化鐵路牽引站為例：

其牽引變壓器容量為31.5MVA諧波負(fù)荷總和為0.088MW，基波負(fù)荷為11.481MW，諧波負(fù)荷總和與基波負(fù)荷的比值為0.76%。按該牽引站年用電量100GWh計(jì)算，1年可挽回?fù)p失電量760MWh，即100000000000x0.76%=760MWh。

同時(shí)，基波電子式電能表計(jì)量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也影響了電能表的計(jì)量精度。諧波對(duì)電子型電能表呈寬帶響應(yīng)的特性，電子表帶寬主要受其互感器頻帶和乘法器時(shí)鐘頻率的限制。電子式電能表的誤差主要源自其輸入模塊。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，由于電能表輸入模塊的信號(hào)變送僅考慮基波，當(dāng)電壓、電流波形發(fā)生畸變時(shí)，磁通不能相應(yīng)地發(fā)生線性變化而產(chǎn)生誤差，影響了電能表的整體計(jì)量精度。

從電能計(jì)量的角度來看，正弦波電源供非線性負(fù)荷，負(fù)荷污染電網(wǎng)、向系統(tǒng)注入諧波功率，少交電費(fèi)，對(duì)電力系統(tǒng)不公平；諧波電源供線性負(fù)荷，用戶設(shè)備性能變壞，吸收諧波功率，多交電費(fèi)、對(duì)電力用戶不公平。

對(duì)于諧波電源供非線性負(fù)荷，應(yīng)根據(jù)諧波電壓電流的相位差具體分析，以判斷用戶是吸收諧波功率還是污染電網(wǎng)而向系統(tǒng)注入諧波功率。無論這些諧波源的諧波含量超標(biāo)與否，針對(duì)這些諧波源應(yīng)用具有諧波計(jì)量功能的電能表，提高電能計(jì)量的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，將是計(jì)量管理精細(xì)化的趨勢(shì)。

4.具有諧波計(jì)量功能的電子式電能表的研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來，隨著電子式電能表的迅速應(yīng)用和普及，電能表的功能日益向自動(dòng)化終端（包括RTU、FTU、TTU、負(fù)控、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀等）的功能擴(kuò)展和完善，國內(nèi)外的一些電能表廠家如蘭吉爾、威勝等相繼研制出了應(yīng)用于諧波工況下的三相多功能電能表（全波表），并已開始在國內(nèi)外試運(yùn)行，使全波計(jì)量方式成為可能。而一些國內(nèi)外芯片廠家相繼推出的具有基波和諧波電能計(jì)量的三相多功能計(jì)量芯片，如ADE7878等等，又將使全波表的造價(jià)大幅降低，使全波表在I-Ⅳ類用戶中的普及成為可能。

產(chǎn)品及應(yīng)用實(shí)例舉例：蘭吉爾高端關(guān)口表ZQC.6以上的電表都具有諧波計(jì)量功能，同時(shí)還具有電壓驟降表等質(zhì)量檢測(cè)功能幫助提高電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行分析功能。蘭吉爾ZQ表對(duì)于諧波的計(jì)量是將諧波有功，電壓，電流分開計(jì)量并帶有方向，可以清楚分清諧波的正反向，對(duì)于諧波進(jìn)行獨(dú)立的計(jì)量，同時(shí)還可以根據(jù)需求百分比形式計(jì)量。可以記錄高達(dá)30次諧波，滿足電網(wǎng)諧波計(jì)量的需要。還有一款單相含諧波計(jì)量的電能表，專門針對(duì)電氣化鐵路單相計(jì)量的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)。目前該系列全波表已開始相繼在山東、江西、安徽等地的電氣化鐵路試用，在歐洲（希臘，瑞士，德國，西班牙，波蘭，法國等）及新加坡、泰國等國家的電氣化鐵路中也有應(yīng)用。

由于全波表試用時(shí)間較短，尚沒有相關(guān)試用效果的實(shí)際資料。

4.2 全波表標(biāo)準(zhǔn)問題

盡管國內(nèi)外一些電表廠已相繼推出應(yīng)用于諧波工況下的三相多功能電能表（全波表），但是其功能和性能卻是五花八門，沒有一個(gè)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范，全波電能表技術(shù)走向成熟還有一個(gè)過程。

鑒于國際上尚未有三相多功能表的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，中國電工儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)組織起草國家標(biāo)準(zhǔn)《多功能電能表特殊要求》，現(xiàn)正進(jìn)入審定階段。制定該標(biāo)準(zhǔn)的目的，是為制造商和使用電能的用戶提供一個(gè)產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范，并使其體現(xiàn)產(chǎn)品訂貨技術(shù)規(guī)范的大部分內(nèi)容，多功能表的通用要求，將參照中國相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容。

4.3 諧波功率電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)

全波電能表的應(yīng)用，如何進(jìn)行計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的溯源和傳遞是其應(yīng)用時(shí)應(yīng)解決的關(guān)鍵問題。

在歐洲，三相0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表，具有諧波功率計(jì)量功能；已建立起諧波有功功率、諧波視在功率的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)；

在美國，電能表自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，在任意波形諧波總含量30%以下，計(jì)量準(zhǔn)確度為+/-0.005%～0.05%；高精度三相標(biāo)準(zhǔn)表，在功率因數(shù)低于0.5（60o～90o），計(jì)量準(zhǔn)確度為+/-0.02%/功率因數(shù)；電能功率標(biāo)準(zhǔn)源，提供七種非正弦信號(hào)的無功功率計(jì)算方法。

目前我國尚未建立基于全波表的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 全波表的應(yīng)用方式

在尚未有相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和尚未建立基于全波表的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)的情況下，全波表的應(yīng)用建議參考國內(nèi)外的使用方式。

2009年11月20日，國家電力監(jiān)管委員會(huì)審議通過了《供電監(jiān)管辦法》，并自2010年1月1日起施行。其中第七條規(guī)定：“……供電企業(yè)應(yīng)當(dāng)審核用電設(shè)施產(chǎn)生諧波、沖擊負(fù)荷的情況，按照國家有關(guān)規(guī)定拒絕不符合規(guī)定的用電設(shè)施接入電網(wǎng)。用電設(shè)施產(chǎn)生諧波、沖擊負(fù)荷影響供電質(zhì)量或者干擾電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的，供電企業(yè)應(yīng)當(dāng)及時(shí)告知用戶采取有效措施予以消除；用戶不采取措施或者采取措施不力，產(chǎn)生的諧波、沖擊負(fù)荷仍超過國家標(biāo)準(zhǔn)的，供電企業(yè)可以按照國家有關(guān)規(guī)定拒絕其接入電網(wǎng)或者中止供電?！蔽覀兛梢砸源俗鳛橐罁?jù)試用全波表。

（1）選擇地鐵、高鐵、煉鋼廠及其它生產(chǎn)線采用各類換流設(shè)備、調(diào)壓裝置、變頻裝置等非線性負(fù)荷的I類用戶；

（2）在簽訂供用電合同時(shí)，根據(jù)《GB/T 14549-1993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)110kV和10kV網(wǎng)絡(luò)的諧波限值與用戶溝通，并達(dá)成共識(shí)，在供用電合同中明確，造成諧波污染所應(yīng)承擔(dān)的違約責(zé)任；

（3）選用諧波電量和基波電量分開累計(jì)方式的全波表，實(shí)時(shí)掌握諧波源用戶返送電網(wǎng)的諧波量，作為違約罰款或者督促用戶進(jìn)行諧波治理的依據(jù)；

（4）待積累一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)后，同電能表家一道完善相關(guān)功能標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

5.結(jié)語

（1）現(xiàn)行的感應(yīng)式電能表和基波電子式電能表計(jì)量非正弦系統(tǒng)電量不準(zhǔn)確，少計(jì)了非線性負(fù)荷用戶的電量。

（2）對(duì)于非線性負(fù)荷用戶應(yīng)用全波表，可計(jì)入諧波消耗的電能量，使計(jì)量更精確；與非線性負(fù)荷用戶在同一公用連接點(diǎn)上供電的其它用戶也應(yīng)使用全波電能表計(jì)量，以避免少計(jì)諧波消耗的電量。

參考文獻(xiàn)

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[8]Dr.He Xuenong.現(xiàn)代電能質(zhì)量測(cè)量技術(shù)[M].美國福祿克公司，2009.

作者簡介：

張彤，廣州供電局有限公司計(jì)量中心高級(jí)工程師，主要從事電能計(jì)量技術(shù)管理工作。

鐘錦群，廣州供電局有限公司生產(chǎn)技術(shù)部高級(jí)工程師，主要從事電能質(zhì)量管理工作。