孔偉忠,史 輪,曹曉波,李 傳

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021)

諧波對電子式電能表計量性能的影響研究

孔偉忠,史 輪,曹曉波,李 傳

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院,石家莊 050021)

分析諧波對電能計量的影響,對邯鄲地區(qū)2個電氣化鐵路牽引站計量情況進(jìn)行實(shí)驗室模擬和現(xiàn)場運(yùn)行試驗,現(xiàn)場實(shí)測的計量誤差說明,在諧波的影響下,傳統(tǒng)全波計量方式會對電力系統(tǒng)帶來經(jīng)濟(jì)損失,提出在可能的情況下使用基波功率和諧波功率分開計量的計量方式,實(shí)現(xiàn)合理、準(zhǔn)確、公平計量。

諧波;電子式電能表;電能計量

0 引言

在電力系統(tǒng)中,電力諧波的存在對電能計量的準(zhǔn)確性會產(chǎn)生直接影響。在電網(wǎng)中,基波功率的潮流有一定的方向,基波功率是從發(fā)電機(jī)流向各種用電設(shè)備。同樣,電網(wǎng)的諧波功率也有一定的方向。與基波功率的潮流相反,諧波功率是從非線性用電、變電設(shè)備流向其他的線性用電設(shè)備和發(fā)電機(jī)。因為諧波源是電流源,諧波潮流在傳輸過程中的中間環(huán)節(jié)的電阻大于末端電阻。因此諧波功率主要被消耗在了中間環(huán)節(jié)。

1 諧波影響的建模分析

為了分析電力系統(tǒng)中諧波潮流的分布對電能表計量性能的影響,構(gòu)造見圖1。在模型中給出了電力系統(tǒng)基波與諧波有功潮流的分布情況,包括基波功率源(發(fā)電機(jī))、非線性用戶及線性用戶。

圖1 基波與諧波有功潮流

線性用戶從電網(wǎng)中吸收所需的基波負(fù)荷P1M,引起基波線損ΔP1M。非線性用戶從系統(tǒng)中吸收所需的基波負(fù)荷P1R,引起基波線損ΔP1R。這些基波負(fù)荷和線損都由發(fā)電機(jī)的基波功率P1G來滿足,電網(wǎng)中的基波有功功率可表示為:

諧波電流流入送變電設(shè)備,在其上產(chǎn)生諧波損耗ΔPhM,諧波電流流入線性設(shè)備,在其上產(chǎn)生諧波損耗PhM,諧波電流在發(fā)電機(jī)中形成諧波損耗PhG。PhGM由PhG、PhM和ΔPhM匯合而成, ΔPhGM則是與此相應(yīng)的送變電設(shè)備中的諧波損耗。因此電網(wǎng)中諧波有功功率可表示為:

2個用戶所裝電能表計量的有功功率分別為:

現(xiàn)有的電能計量表計大多為計量總電量,從PJ1和PJ2的計量結(jié)果可以看出:在不考慮背景諧波情況下,當(dāng)諧波潮流由用戶流向電網(wǎng)時,非線性用戶的表計總電量由于諧波電量的存在而減小,該非線性用戶既污染了電網(wǎng),又少計了電量;而線性用戶在受到諧波危害的同時,其表計總電量還會由于諧波電量的存在而增大。因此,合理的計量方式應(yīng)當(dāng)對基波電能和諧波電能分別計量。

大量的研究結(jié)果表明,電子式電能表能對基波電能與各次諧波電能進(jìn)行有效的計量。電子式電能表計量的總電能受諧波與基波的潮流方向是否相同的影響。潮流方向相同時,計量的總電能是基波與各次諧波電能之和,大于基波電能;潮流方向相反時,計量的總電能是基波與各次諧波電能之差,小于基波電能。

2 實(shí)驗室模擬驗證

為了驗證所建電子式電能表計量數(shù)學(xué)模型的正確性,設(shè)計了試驗進(jìn)行模擬。試驗使用MAX-sys2510多功能電能表、EDMI MK3多功能電能表CL303型電源在實(shí)驗室內(nèi)對現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬,對電子式電能表計量的電量進(jìn)行驗證。

試驗條件:環(huán)境溫度(20±2)℃,相對濕度(60±15)%?；妷?20 V、基波電流5 A。在電壓回路疊加3次15%、5次10%、7次3%的諧波電壓。在電流回路疊加3次15%、5次10%、7次3%的反向諧波電流。采用CL303型電源,可以輸出2～21次諧波,可以調(diào)節(jié)各次諧波電壓和諧波電流的相角和幅值,從而可以改變諧波的功率方向,模擬各種諧波情況。因此用它來模擬現(xiàn)場的電壓、電流,能滿足試驗要求。接線方法如圖2。

圖2 實(shí)驗室模擬運(yùn)行接線示意

圖2中的MAXsys2510多功能電能表具有諧波電量計量功能,并可變換計算出基波電量和各相電壓電流失真度,可用于測量傳統(tǒng)的計量方式測量到的總有功電量和基波電量。圖2中的EDMI MK3電子式多功能電能表,可測量傳統(tǒng)的計量方式(傳統(tǒng)的計量方式是指目前國內(nèi)采用的“電能表應(yīng)準(zhǔn)確反映實(shí)際功率,即基波和諧波的綜合功率”的計量方式)測量到的總有功電量。試驗在不同條件下共進(jìn)行了3次,每次運(yùn)行時間10 min,記錄每個表的走字變化,不同條件下諧波電量計量與傳統(tǒng)計量方式比較見表1。

表1不同條件下諧波電量計量與傳統(tǒng)計量方式比較

從試驗數(shù)據(jù)可以看出:MAXsys2510表和EDMI MK3表的總有功電量非常接近,它們的微小差別是合理的計量誤差。這個電量體現(xiàn)了傳統(tǒng)的全波計量方式測量到的電量。基波電量是我們消除了諧波對傳統(tǒng)的計量方式影響后的電量。

以下用公式計算基波電量和總有功電量之間的差值:

式中:ζ為基波電量和總有功電量之間的差值百分比;W1為基波電量;WT1為MAXsys2510表總有功電量;WT2為EDMI MK3表總有功電量。

可以得到基波電量與總有功電量差值的百分比,見表2。

表2基波電量與總有功電量差值的百分比

如表2所示數(shù)據(jù),在模擬現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)下,由于傳統(tǒng)的全波計量方式受到諧波的影響,會造成少計量電量。

3 實(shí)例分析

現(xiàn)以某電網(wǎng)為例,分析諧波對電能表計量誤差帶來的影響。在某地區(qū),隨著工礦企業(yè)、冶金行業(yè)的不斷發(fā)展以及電氣化鐵路的投運(yùn),電網(wǎng)諧波愈來愈嚴(yán)重,其影響程度也愈來愈顯著。在邯鄲電網(wǎng),諧波源主要是電氣化鐵路和煉鋼廠等企業(yè)。電氣化鐵路是一種單相不對稱波動負(fù)荷,由于鐵路運(yùn)輸?shù)奶厥庑?電鐵機(jī)車沿鐵路移動用電,其產(chǎn)生的危害程度比起其它類型的非線性設(shè)備要嚴(yán)重的多。電鐵牽引負(fù)荷波動頻繁、沖擊大,給電力系統(tǒng)及其他電力用戶帶來許多不利影響。電氣化鐵道的牽引動力來自電力機(jī)車,我國使用的電力機(jī)車基本上都為單相分段半控橋變流方式或單相全波不控變流方式,因此,在機(jī)車運(yùn)行過程中,具有嚴(yán)重的非線性,向電力系統(tǒng)注入大量的高次諧波電流,成為電力系統(tǒng)中最大的諧波源。

由于實(shí)驗室模擬現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)有很大的局限性,因此選取了A變電站和B變電站2個牽引變電站做現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場運(yùn)行試驗仍采用具有諧波電量計量功能、并能測量總有功電量和基波電量的MAXsys 2510多功能電能表和僅能測量總有功電量的EDMI MK3多功能電能表,將2塊表接在二次計量回路,接線方法如圖3。現(xiàn)場試驗得到的數(shù)據(jù)如表3和表4所示。

圖3 現(xiàn)場運(yùn)行接線示意圖

表3 A變電站MAXsys2510表和EDMI MK3表測量數(shù)據(jù)

表4 B變電站MAXsys2510表和EDMI MK3表測量數(shù)據(jù)

同樣用實(shí)驗室計算公式得出現(xiàn)場試驗中基波電量對總有功電量的差值百分比為:A變電站平均值1.839%,B變電站平均值1.770%。

以上數(shù)據(jù)說明,在A變電站和B變電站現(xiàn)場運(yùn)行狀態(tài)下,由于傳統(tǒng)的全波計量方式受到諧波的影響,會造成少計量電量。

4 結(jié)束語

通過實(shí)驗室模擬和2個電氣化鐵路牽引站計量情況的現(xiàn)場運(yùn)行試驗,得到由于傳統(tǒng)的全波計量方式受到諧波的影響,對于非線性電力用戶會導(dǎo)致僅能計量全波電量的電子式電能表少計量,對電力部門造成經(jīng)濟(jì)損失。

諧波對電能計量的準(zhǔn)確性和合理性有著極大的影響。按照電力成本合理分?jǐn)偟碾妰r體系,對吸收諧波電能的客戶在電力價格或用電量上適當(dāng)給予諧波分量補(bǔ)償、對向電網(wǎng)注入諧波電能的客戶給予電力成本合理分擔(dān),按諧波分量的比例對其用電價格進(jìn)行調(diào)整,是非常有必要的。但國家目前尚無此方面的技術(shù)和商業(yè)營運(yùn)規(guī)則,因此,采用分別計量基波電能和諧波電能,記錄諧波電能方向的計量方式是比較合理可行的。這樣能夠提高計量的準(zhǔn)確性,減少計量損失;同時運(yùn)用經(jīng)濟(jì)杠桿,減少諧波向電網(wǎng)的輸送量,從而減少諧波對其他用戶的影響和危害,保證電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

目前國際上提出了一種“獎懲性方案”。其基本思想是:系統(tǒng)與用戶在額定的范圍內(nèi)正常交易,如果系統(tǒng)不能保證供電質(zhì)量,用戶應(yīng)當(dāng)?shù)玫劫r償;如果用戶的污染指標(biāo)惡化,則系統(tǒng)在保證向用戶正常供電的前提下,收取額外的懲罰費(fèi)用,如果用戶吸收系統(tǒng)中額外的諧波功率,則應(yīng)當(dāng)給予一定的補(bǔ)償和鼓勵。這種獎懲性的供電方案,可以通過經(jīng)濟(jì)手段迫使諧波源負(fù)荷采取措施來減少注入系統(tǒng)的諧波量,體現(xiàn)出系統(tǒng)和用戶對電能質(zhì)量狀況的共同責(zé)任,實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的合理控制以及對電能計量的科學(xué)管理。

參考文獻(xiàn):

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[3] 張 蓓.諧波電能計量方法的研究[D]:西安:西北大學(xué)2014.

[4] 葛 毅.電力諧波對電能表電能計量的影響研究[D]:重慶:重慶大學(xué)2013.

本文責(zé)任編輯:趙軼美

Effect Research of Harmonics on Metering Performance of Electronics Energy Meter

Kong Weizhong,Shi Lun,Cao Xiaobo,Li Chuan

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

The mechanism of the effect of the harmonics on the induction meter and electronic energy meter is analyzed.Based on the laboratory test and field test of the two transformer substations for electrified railways in Handan city,the test result show that the tradition metering will make the lose of economy under the harmonics existing.Finally,in some serious harmonic pollution area,in order to measure the electrical energy accurately and rationally,the electrical energy metering should adopt the separate metering method for the electric energy with and without harmonics.

harmonic;electronic watt-hour meter;electrical energy measurement

TM 933.4

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孔偉忠(1984-),男,工程師,主要從事電廠技術(shù)監(jiān)督服務(wù)工作。