楊銘海

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司平邑縣供電公司，山東 臨沂 273300）

諧波條件下電能計(jì)量誤差量化分析

楊銘海

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司平邑縣供電公司，山東 臨沂 273300）

作為電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)核算的重要依據(jù)，電能計(jì)量涉及用電、供電以及發(fā)電三方面經(jīng)濟(jì)利益。隨著用電量與用電功率的增大，電力網(wǎng)絡(luò)在非線性負(fù)荷電力設(shè)備（如整流器、逆變器、變頻器開(kāi)關(guān)電源與UPS等）大量接入后使得電力系統(tǒng)電流與電壓波形發(fā)生畸變（即產(chǎn)生諧波），致使電能計(jì)量科學(xué)性與準(zhǔn)確性降低?；诖?，本文以諧波環(huán)境下電能計(jì)量誤差為研究對(duì)象，以提升電能計(jì)量準(zhǔn)確性為研究目的，以實(shí)現(xiàn)發(fā)、供、用三方和諧發(fā)展為研究意義，展開(kāi)量化論述，具有一定的推廣價(jià)值。

電能計(jì)量；諧波影響；計(jì)量誤差；量化分析

諧波指標(biāo)作為電能質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一，其總體來(lái)講是一種不可消除的因素，只要系統(tǒng)運(yùn)行便會(huì)產(chǎn)生。所謂諧波，是指在交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率狀態(tài)下與工頻頻率不同的所有成分，其不僅會(huì)造成電能生產(chǎn)、輸送與應(yīng)用過(guò)程效率下降，同時(shí)還會(huì)引起繼電器失靈甚至電能計(jì)量設(shè)備誤差擴(kuò)大，結(jié)果嚴(yán)重失真。因此，加強(qiáng)諧波條件下電能計(jì)量誤差的量化研究，使其更好的服務(wù)于電力系統(tǒng)的發(fā)展，具有重要意義。

1 供電系統(tǒng)諧波來(lái)源分析

1.1 熔煉爐與電弧爐

采用電弧爐煉鋼主要是利用熔化的金屬爐料與電極之間的電弧放熱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該過(guò)程中因極間介質(zhì)反復(fù)且不規(guī)則的斷路或開(kāi)路而使電弧極穩(wěn)定性下降，進(jìn)而造成電弧爐熔化期因負(fù)荷極不穩(wěn)定而產(chǎn)生較大的諧波電流，同時(shí)存在電壓閃變與波動(dòng)；感應(yīng)熔煉爐則是由于采用相控方式而使工作電流大多呈現(xiàn)出非正弦周期變量，其中帶有大量的高次諧波。

1.2 電力機(jī)車(chē)和電氣化鐵道

運(yùn)行于電氣化鐵道上的電力機(jī)車(chē)是目前電力系統(tǒng)一類(lèi)重要的不對(duì)稱(chēng)非線性負(fù)荷，而對(duì)于某個(gè)固定的牽引變電所而言，運(yùn)行中的電力機(jī)車(chē)又為一個(gè)隨意的變動(dòng)負(fù)載；對(duì)于牽引變壓器低壓側(cè)電壓與電流而言，由于電鐵的電力牽引單相整流機(jī)車(chē)會(huì)使其發(fā)生畸變，因此會(huì)產(chǎn)生大量的高次諧波分量通過(guò)牽引變壓器高壓側(cè)注入電力系統(tǒng)。

1.3 計(jì)算機(jī)負(fù)載

隨著現(xiàn)代社會(huì)計(jì)算機(jī)使用頻率的增加，諸多計(jì)算機(jī)大用量場(chǎng)所（如網(wǎng)吧、現(xiàn)代化辦公樓與股票交易所等）則會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的負(fù)荷，由于相對(duì)電力系統(tǒng)而言，計(jì)算機(jī)的開(kāi)關(guān)電源為非線性負(fù)荷，因此在大量使用過(guò)程中會(huì)形成一定的諧波。

1.4 換流器與變壓器

隨著硅換流設(shè)備在電力系統(tǒng)中各種不同服務(wù)、不同類(lèi)型、不同目的以及不同容量等廣泛使用，其在交、直流轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生大量的高次諧波，且在電力系統(tǒng)中換流設(shè)備為諧波的主要來(lái)源；作為引起電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的另一重要原因，變壓器磁化特性的非線性所產(chǎn)生的諧波與變壓器的工作狀態(tài)關(guān)系密切，變壓器的勵(lì)磁電流中主要含有3、5、7次諧波電流。

2 電力諧波的危害分析

2.1 產(chǎn)生附加損耗，增加設(shè)備溫升

盡管諧波電流與基波電流相比所占比例不大，但因趨膚效應(yīng)（又稱(chēng)集膚效應(yīng)）增大了設(shè)備的有效電阻，隨之增大了有鐵芯設(shè)備中鐵芯渦流損耗與磁滯損耗，致使其增加溫升，特別是對(duì)局部發(fā)熱點(diǎn)，溫升增加更加明顯，使設(shè)備加速絕緣老化。另外，當(dāng)電壓畸變波形出現(xiàn)尖頂波時(shí)，還因局部放電強(qiáng)度的增大而降低絕緣壽命，從而縮短了設(shè)備的使用壽命。除此之外，電力諧波還會(huì)因供、輸、發(fā)電設(shè)備附加損耗的產(chǎn)生而導(dǎo)致網(wǎng)損增大，降低設(shè)備的使用效率。

2.2 造成電氣設(shè)備的機(jī)械振動(dòng)

在諧波電流與電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的相互作用下，其所產(chǎn)生的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩極有可能造成電機(jī)發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩激發(fā)到電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)的自然頻率時(shí)，其則會(huì)因共振的產(chǎn)生而引起局部過(guò)電壓與轉(zhuǎn)子過(guò)熱，進(jìn)而造成電機(jī)機(jī)械振動(dòng)與產(chǎn)生噪音，在縮短電氣設(shè)備使用壽命的同時(shí)對(duì)人身安全造成威脅。

2.3 引起無(wú)功補(bǔ)償電容器組諧波電流的放大

電容回路與局部電感由電力系統(tǒng)中的電感和無(wú)功補(bǔ)償電容構(gòu)成，該組合形式下因串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的產(chǎn)生而對(duì)某次諧波電流可能起到放大作用，進(jìn)而加劇了對(duì)系統(tǒng)的危害。而且當(dāng)其構(gòu)成局部諧波回路頻率相近于系統(tǒng)中存在的某次諧波頻率時(shí)，則會(huì)因過(guò)電壓與過(guò)電流的產(chǎn)生而增加系統(tǒng)危險(xiǎn)性。

除以上危害外，電力諧波的產(chǎn)生還會(huì)給通信系統(tǒng)造成干擾，增加電力運(yùn)行的投資成本及引起電能計(jì)量裝置計(jì)量誤差等。

3 諧波對(duì)電子式電能表計(jì)量的影響分析

3.1 誤差特性理論分析

（1）輸入電壓特性。由于時(shí)分割乘法器功能的發(fā)揮主要是靠場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)關(guān)與運(yùn)算放大器等電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此其誤差隨著輸入電壓的變化而呈現(xiàn)出非線性趨勢(shì)。（2）輸入頻率特性。時(shí)分割乘法器因較為穩(wěn)定的頻率特性而在很寬頻率范圍內(nèi)幾乎不會(huì)受到影響。（3）溫度特性。先進(jìn)大規(guī)模集成電路在現(xiàn)代時(shí)分割乘法器中的應(yīng)用，使得溫度即使在-40～85°范圍變化時(shí)仍可忽略時(shí)分割乘法器誤差的變化，溫度特性表現(xiàn)良好。

實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)過(guò)采樣與乘法器的被測(cè)電流、電壓會(huì)引入一個(gè)相位偏移，此時(shí)電能計(jì)算公式表示為：

式中：I′為實(shí)測(cè)電流幅值；U′為實(shí)測(cè)電壓幅值。則有

由此可知，在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換器、時(shí)分割乘法器與輸入電路后，電子式電能表在電流與電壓之間存在一個(gè)位偏移，而且幅值也存在一個(gè)誤差（與乘積相關(guān)）。

3.2 頻率特性理論分析

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，就頻率特性而言，感應(yīng)式電能表隨著諧波次數(shù)的增加衰減現(xiàn)象嚴(yán)重，而電子式電能表則隨著諧波次數(shù)的增加其幾乎無(wú)衰減現(xiàn)象，表現(xiàn)出較為平坦的變化趨勢(shì)，該現(xiàn)象說(shuō)明電子式電能頻率響應(yīng)較寬。其原因主要表現(xiàn)為：

電子式電能表在諧波存在情況下t時(shí)間內(nèi)電能計(jì)量值為：

當(dāng)系統(tǒng)中電流或電壓信號(hào)僅發(fā)生其中一個(gè)畸變時(shí)，由三角函數(shù)正交性分析可知，電子式電能表會(huì)表現(xiàn)出變化極小的測(cè)量誤差；當(dāng)電流與電壓信號(hào)均發(fā)生畸變時(shí)，電子式電能表仍表現(xiàn)出較小的測(cè)量誤差。由此可見(jiàn)電子式電能表對(duì)基波與諧波具有相同的響應(yīng)，頻率特性較寬。

3.3 諧波對(duì)電子式電能表計(jì)量準(zhǔn)確性的影響

實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，電網(wǎng)電流與電壓的強(qiáng)電信號(hào)通過(guò)輸入電路轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)并送入電能表。當(dāng)輸入電路呈非線性特性時(shí)，畸變波形通過(guò)后（采樣）所得到的電流與電壓則會(huì)發(fā)生畸變，從而導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)失真，因此被測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性在一定程度上受輸入電路準(zhǔn)確度的影響。作為電能計(jì)量的核心元件，乘法器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的組成主要為模擬器，該情況下則會(huì)放大測(cè)量誤差，因此，造成電能計(jì)量誤差產(chǎn)生的主要部件為乘法器。

在不同的諧波指標(biāo)下，對(duì)電子式電能表計(jì)量準(zhǔn)確性的影響因產(chǎn)生誤差的差異而表現(xiàn)不同，但以計(jì)量方式分析，電子式電能表計(jì)量過(guò)程中對(duì)于流入電能表現(xiàn)誤差較小，對(duì)諧波下的總電能值能夠做出很好的反映。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）實(shí)施電能選擇性計(jì)量。利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將電壓與電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字形式，其后將相應(yīng)總功率通過(guò)數(shù)字化計(jì)算得出后實(shí)施相位校正。對(duì)于基波功率與諧波功率而言，如果二者方向相同，只對(duì)基波電能進(jìn)行計(jì)量；如果二者方向不同，則需計(jì)量電能總和。（2）利用寬頻功率電能表與基波電能表的配合使用，二者協(xié)同作用在測(cè)量諧波潮流大小、方向的同時(shí)又能對(duì)基波功率進(jìn)行計(jì)量，達(dá)到了準(zhǔn)確計(jì)量基波電能與諧波電能的目的。（3）對(duì)于基波電能與諧波電能的計(jì)量采用分頻技術(shù)，利用電能費(fèi)用措施懲罰部分增加的諧波電能，獎(jiǎng)勵(lì)消耗或吸收諧波電能的舉措，以此抑制諧波源的擴(kuò)散，降低諧波源數(shù)量，減小對(duì)電能計(jì)量的影響。（4）引進(jìn)單頻協(xié)濾波器、雙頻濾波器或高階低通濾波器于供電系統(tǒng)中，在過(guò)濾掉電能表的高次諧波后只對(duì)基波功率及其消耗的電能進(jìn)行記錄。該方式實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單，且可保住線性負(fù)載用戶(hù)，進(jìn)而減少了供電企業(yè)在電費(fèi)方面的損失。（5）引進(jìn)大變頻電能表于供電系統(tǒng)中，以此準(zhǔn)確計(jì)量線性負(fù)載基波功率，但該方法對(duì)非線性負(fù)載用戶(hù)不適用。

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