深圳供電局有限公司 黃令忠 戴 斌 許蓋倫

電能計(jì)量的數(shù)據(jù)直接影響著供電、用電以及發(fā)電三方面的內(nèi)容，且是計(jì)算多種經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的根本依據(jù)。伴隨著大量非線性負(fù)載在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電網(wǎng)環(huán)境也會(huì)受到一定的影響，電壓及電流都會(huì)在電網(wǎng)環(huán)境中發(fā)生一定的變化，諧波也隨之產(chǎn)生。諧波電壓以及電流都會(huì)影響電網(wǎng)及電力負(fù)荷的正常運(yùn)行，同時(shí)也會(huì)對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生一定的影響，容量也呈現(xiàn)出不斷遞增的趨勢，諧波會(huì)大量地注入電網(wǎng)中，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的電壓和電流等波形發(fā)生嚴(yán)重的變化。

最為理想的電力網(wǎng)電壓應(yīng)有固定的頻率和幅值。但在現(xiàn)實(shí)中受用電設(shè)備和用電負(fù)荷的影響，存在很多非線性元件和設(shè)備，它們所產(chǎn)生的電網(wǎng)諧波會(huì)使用電設(shè)備的負(fù)荷及用電線路的損耗大大增加，對(duì)通訊設(shè)備的穩(wěn)定性也造成了一定干擾，從一定角度來看是一種十分嚴(yán)重的污染。目前隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，各種電解、冶煉等產(chǎn)業(yè)不斷增加，再加上人們沒有意識(shí)到電網(wǎng)諧波污染的危害性，導(dǎo)致諧波污染的情況日益嚴(yán)重，有電網(wǎng)諧波導(dǎo)致的事故時(shí)有發(fā)生。由此可見加強(qiáng)研究精準(zhǔn)度高、靈活性強(qiáng)的諧波計(jì)量電表是日后電力計(jì)量技術(shù)主要發(fā)展方向。

1 電網(wǎng)諧波出現(xiàn)的原因及其危害

諧波在電力系統(tǒng)環(huán)境中產(chǎn)生的原因很多。其中電源諧波最為常見，電源的質(zhì)量較差就會(huì)在一定程度上出現(xiàn)電源諧波。還有就是存在于輸電系統(tǒng)中的諧波，這主要是電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中變壓器所引起的。此外諧波也會(huì)出現(xiàn)于電力系統(tǒng)中的整流設(shè)備。當(dāng)用電設(shè)備中的整流裝置為單相電流電路時(shí)，由于在接感性負(fù)載出現(xiàn)次數(shù)不等時(shí)就會(huì)出現(xiàn)諧波電流。在電力電子設(shè)備沒有投入使用前，變壓器是導(dǎo)致諧波出現(xiàn)的主要原因，它所產(chǎn)生的諧波被稱為奇次諧波，奇次諧波的量值非常小。正是由于變壓器諧波較小的原因，因此在很多電力電子設(shè)備上都取代了變壓器裝置，諧波的組合模式也呈現(xiàn)出了多樣化的發(fā)展趨勢。

在電力電子技術(shù)應(yīng)用過程中，整流元件主要是由二極管為主要組成部分，它能在一定情況下將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，該技術(shù)中最為常見的電能模式為AC/DC轉(zhuǎn)換形式。通常情況下橋式整流器濾波及大電容器是AC/DC轉(zhuǎn)換器的首要選擇，電容器在大容量的電波影響下，二極管元件中的導(dǎo)通管非常小，為能使導(dǎo)通過程順利進(jìn)行，交流電壓就必須要達(dá)到正弦波的峰值。在此狀態(tài)下，交流輸入電流的波形就會(huì)發(fā)生一定的變化，以至于在特殊環(huán)境中諧波值會(huì)大于基波值。諧波的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)大量問題，其對(duì)公用電網(wǎng)以及其他電力系統(tǒng)的危害主要有以下幾點(diǎn)：

首先，在公共電網(wǎng)使用中，諧波會(huì)對(duì)其中的元件產(chǎn)生額外的諧波損耗，在一定程度上降低了發(fā)電、輸電及用電的效率，當(dāng)大量三次諧波流經(jīng)過中性線時(shí)就會(huì)導(dǎo)致線路的溫度持續(xù)增高，有很大的可能會(huì)發(fā)生火災(zāi)；其次，各種電氣設(shè)備也會(huì)在諧波的影響下無法進(jìn)行正常工作。除會(huì)對(duì)電機(jī)設(shè)備造成額外損耗外，諧波還會(huì)使電氣設(shè)備在應(yīng)用過程中出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)和噪音，變壓器的局部會(huì)發(fā)生嚴(yán)重過熱的情況。同時(shí)諧波會(huì)導(dǎo)致變?nèi)萜骱碗娎|設(shè)備熱量過高，線路很容易出現(xiàn)絕緣老化，導(dǎo)致設(shè)備的使用壽命大大縮短，最終發(fā)生損壞。再有就是諧波會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中的控制裝置和檢測裝置造成影響，特別是對(duì)一些利用相位或頻率的保護(hù)裝置影響更為嚴(yán)重，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)作的情況；最后，諧波會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則會(huì)產(chǎn)生一定的噪音、嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致信息丟失，通信系統(tǒng)無法完成正常的工作。

2 電網(wǎng)諧波對(duì)電能計(jì)量的影響

2.1 對(duì)電能計(jì)量方式帶來了干擾

在傳統(tǒng)的電能計(jì)量過程中計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)以計(jì)量全能源為主，這就導(dǎo)致傳統(tǒng)感應(yīng)式電能表被計(jì)量更加精確的電能計(jì)量表所取代。在規(guī)模和應(yīng)用技術(shù)的影響下，傳統(tǒng)電網(wǎng)諧波所能覆蓋的范圍較小，所以全能計(jì)量的方式即可、不用考慮諧波因素。隨著電力電子技術(shù)快速發(fā)展，電能表在工業(yè)領(lǐng)域及各種類型用電設(shè)備上的廣泛使用，電力系統(tǒng)也變得十分復(fù)雜。如：電氣化鐵道上的單向整流應(yīng)用，對(duì)電力系統(tǒng)和通訊網(wǎng)絡(luò)都產(chǎn)生了十分嚴(yán)重的不利影響。在這樣的情況下，諧波電能計(jì)量方式的應(yīng)用須重點(diǎn)分析諧波對(duì)其產(chǎn)生的影響，并進(jìn)行有效處理。

另一方面，傳統(tǒng)全能計(jì)量通常指的是基波電能和諧波電能的總值，在新時(shí)代背景下這樣的電能計(jì)量方式應(yīng)用于電力系統(tǒng)中具有很大的局限性。在其過程中，如負(fù)荷處于線性狀態(tài)并處于非正弦供電狀態(tài)下，電能表只能計(jì)量其中一部分諧波和基波的總和數(shù)值，在此基礎(chǔ)上電能諧波還會(huì)對(duì)用電設(shè)備造成損壞，進(jìn)而威脅到用戶的個(gè)人用電設(shè)施，這會(huì)使用戶支出大量的電費(fèi)，所以這樣的方法缺乏一定的合理性。

再有就是處于非線性狀態(tài)下的用戶用電設(shè)備，少量的諧波功率會(huì)在非線性負(fù)荷的影響下產(chǎn)生，還會(huì)有一部分電能重新流入到電力系統(tǒng)中，因此在基能電波和回流電力系統(tǒng)間會(huì)產(chǎn)生一定的電能差，不但會(huì)對(duì)電網(wǎng)本身造成十分嚴(yán)重的損壞，還會(huì)影響供電企業(yè)的最終利益。此外，如非線性負(fù)荷出現(xiàn)電源畸變情況時(shí)諧波會(huì)重新流入到電網(wǎng)系統(tǒng)中，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)以上情況，影響十分嚴(yán)重。

電網(wǎng)諧波對(duì)電能和電力系統(tǒng)影響非常大，從非線性用戶使用情況來看采用全能量計(jì)量方式并不合適，同時(shí)無法將真實(shí)的電力平衡情況反映出來。所以對(duì)全能計(jì)量方式進(jìn)行改變十分必要，要在此過程中綜合考慮電能諧波和基波，以此來重新采用計(jì)量方式。但從當(dāng)前電力系統(tǒng)技術(shù)來看很難實(shí)現(xiàn)對(duì)基波和諧波分開計(jì)量，因此，為使電力企業(yè)及個(gè)人用戶利益不受影響，對(duì)電費(fèi)的收取方式須做出調(diào)整，使其能更加科學(xué)合理。

2.2 對(duì)電能計(jì)量設(shè)施造成的影響

感應(yīng)式電能表會(huì)在電網(wǎng)諧波的影響下受到干擾。目前感應(yīng)式電能表成為大多數(shù)地區(qū)所采用的電能計(jì)量設(shè)備，此類型電能表主要是依據(jù)基波頻率來運(yùn)行，最突出的優(yōu)勢是靈敏度較高。然而電網(wǎng)系統(tǒng)中的電流和部分電壓會(huì)發(fā)生一定程度畸變，對(duì)使用過程中電能表的精度會(huì)造成一定影響。從相關(guān)文獻(xiàn)資料可看出，以波形的變化情況來來分析對(duì)電能計(jì)量的影響主要是根據(jù)它自身的頻率特點(diǎn)，因?yàn)槟軐?dǎo)致感應(yīng)式電表出現(xiàn)誤差的原因有很多，為方便探索只需分析諧波及頻率的偏移情況及帶來的影響就可以。

感應(yīng)式電能表在設(shè)計(jì)過程中主要是以基波為主要參考依據(jù)，當(dāng)復(fù)合電壓和電流在電力系統(tǒng)中保持不變時(shí)，如頻率發(fā)生改變也會(huì)影響電壓線圈的阻礙性。同時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)盤阻抗會(huì)發(fā)生變化，所以電流磁通也會(huì)因此發(fā)生改變。通過分析電能表的工作原理能得知，在相同頻率電流及電壓工作過程中才能使功率達(dá)到平衡狀態(tài)，這也就代表著電流和電壓只有處于相同功率時(shí)，才能夠在彼此間產(chǎn)生磁通現(xiàn)象，形成轉(zhuǎn)矩現(xiàn)象。然而在電磁元件中有畸變的波形出現(xiàn)時(shí)，因?yàn)榇磐ㄟ^程并不能適應(yīng)波形的變化，所以轉(zhuǎn)矩和平均功率間無法維持正比狀態(tài)，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)額外的誤差，導(dǎo)致電能表的測量過程失去精準(zhǔn)性。

從另一個(gè)角度看，電子式電能表會(huì)受電網(wǎng)諧波的影響。由于電子式電能表的功能十分齊全、準(zhǔn)確性高，所以在未來必然會(huì)取代感應(yīng)式電能表。數(shù)字功率表是電子電能表的基礎(chǔ)，從電子電能表的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析看，從總體方面能夠其分成分頻計(jì)數(shù)功能及V/f等部分。輸入級(jí)的功能就是將電壓和電流利用互感器轉(zhuǎn)換為合理的微小電壓信號(hào)、并轉(zhuǎn)給乘法計(jì)算設(shè)備。該設(shè)備是電子式電能表的核心構(gòu)成部分，電壓模擬量能夠在此設(shè)備中轉(zhuǎn)換為乘積的形式，隨后再將模擬過后的這部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換給V/f線路系統(tǒng)當(dāng)中，最終完成測量過程。

從電子式電能表和感應(yīng)式電能表的比較分析結(jié)果看，前者所產(chǎn)生的頻率曲線波動(dòng)較小，通常不會(huì)出現(xiàn)逐漸衰減的情況，這也就意味著其設(shè)備具有寬頻帶反饋功能，使響應(yīng)的諧波功率能與反饋數(shù)據(jù)保持一致。電子式電能表的諧波頻寬較大，對(duì)于諧波和基波電能都能準(zhǔn)確測量，但電子式電能表也會(huì)對(duì)二者電能進(jìn)行處理，因此通常會(huì)導(dǎo)致誤差數(shù)值較大。

3 諧波在電力計(jì)量中的應(yīng)用與發(fā)展

在電力計(jì)量中的應(yīng)用。在電網(wǎng)諧波作用條件下，通?？蓪㈦娔艿挠?jì)量方式分為以下幾點(diǎn)：首先是要對(duì)諧波進(jìn)行過濾甚至忽略，以此來提高電表的抗干擾能力，只能夠?qū)üβ蔬M(jìn)行測量，這種方法也可作為純基波的計(jì)量方式；其次，電表功率的反應(yīng)能力得到了提高，也就是電表能顯示出實(shí)際的用電量，這樣的方式就是直接將基波功率與諧波功率進(jìn)行綜合計(jì)算，不進(jìn)行單獨(dú)區(qū)分；最后，還要對(duì)基波功率和諧波功率進(jìn)行區(qū)分，然后再進(jìn)行單獨(dú)計(jì)量。

諧波計(jì)量的主要發(fā)展趨勢。我國目前電能計(jì)量的方式主要是全能計(jì)量。在基波電流較穩(wěn)定情況下具有較高精準(zhǔn)性，如果在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了諧波干擾情況、且程度超出計(jì)量設(shè)備實(shí)際承受范圍，該計(jì)量方式就會(huì)出現(xiàn)誤差擴(kuò)大情況，進(jìn)而導(dǎo)致失真問題十分嚴(yán)重。為有效避免該情況的發(fā)生，未來的設(shè)計(jì)發(fā)展方向是將諧波與基波進(jìn)行分離，并分別對(duì)各自進(jìn)行計(jì)算。在具體研究過程中，對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行簡化，對(duì)所受到諧波影響的計(jì)量誤差建立合適的模型并綜合分析處理，最終計(jì)算出在諧波影響下的具體電流數(shù)值。

諧波電表的未來發(fā)展。當(dāng)前已研制出諧波電表，它能對(duì)諧波干擾進(jìn)行精準(zhǔn)地計(jì)算。這種電能表主要依靠單片機(jī)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用各種各樣先進(jìn)的技術(shù)，使其具備了諧波和基波轉(zhuǎn)換的功能，使二者分別能夠得到計(jì)算，并包括了基波有功電能、無功電能以及總電能等。應(yīng)用這種類型計(jì)量表的優(yōu)勢就在于能有效避免零件失靈和傾斜度過大的影響因素。然而從目前發(fā)展情況來看，并沒有形成合理的收費(fèi)系統(tǒng)，所以這種類型的諧波電表在推廣中并沒有取得良好效果。

4 減少電網(wǎng)諧波對(duì)電能計(jì)量裝置影響的主要方法

4.1 優(yōu)化電能計(jì)量方式

在當(dāng)前電力系統(tǒng)中必須對(duì)全能量計(jì)量方法進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用基波電能與用戶吸收單獨(dú)計(jì)量以及諧波電能計(jì)量的方式。這種類型的計(jì)量方式不僅可充分考慮負(fù)載所吸收和發(fā)出的諧波，還能解決全能量計(jì)量方式對(duì)用戶及電力企業(yè)的不利影響，進(jìn)而確保計(jì)量結(jié)果能更加公平合理。

4.2 對(duì)計(jì)量方式的改進(jìn)進(jìn)行優(yōu)化

目前我國非線性用戶居多，所以準(zhǔn)確計(jì)算出用戶單獨(dú)吸收計(jì)量和諧波電能計(jì)量是最主要的改進(jìn)方式，只有合理測量該部分的功率，才能精準(zhǔn)地對(duì)用戶設(shè)計(jì)用電量進(jìn)行分析，進(jìn)而能從客觀角度分析諧波功率對(duì)電力系統(tǒng)的影響。對(duì)此，可在電能計(jì)量設(shè)備中安裝諧波判斷和識(shí)別裝置，利用以諧波阻抗和功率潮流為基礎(chǔ)的辨別檢測方法，像最小二乘法、臨界阻抗法以及定位系統(tǒng)等，來對(duì)用戶吸收和發(fā)出的諧波功率進(jìn)行準(zhǔn)確測量，從而能夠?qū)χC波功率所產(chǎn)生的影響進(jìn)行全面分析，使計(jì)量的精準(zhǔn)度更高。從沖擊負(fù)荷的角度分析看，由于在FFT范圍內(nèi)并不能使數(shù)字化電能計(jì)量設(shè)備產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，因此可將一些局部變化能力較強(qiáng)的小波應(yīng)用于電能裝置中，以此方法來確保即使在負(fù)荷沖擊影響下也可精準(zhǔn)計(jì)算出用戶的實(shí)際用電消耗。

圖1 諧波能量回收再利用流程圖

總之，隨著電力體制的深入改革，電力部門將會(huì)擺脫政府部門的相關(guān)職能，成為具備自主經(jīng)營能力的企業(yè)。作為影響電能質(zhì)量的主要因素之一，供電部門必須對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行高度重視，因?yàn)楹侠砭_的電能計(jì)量是電力工業(yè)不斷走向市場化的重要問題?，F(xiàn)今應(yīng)用最為廣泛的電子式電能表和感應(yīng)式電能表都存在一定的缺陷，都無法準(zhǔn)確地計(jì)量電能，電子式電能表和感應(yīng)式電能表會(huì)隨著諧波次數(shù)的不斷增加而降低一定的精準(zhǔn)性。

為提高電網(wǎng)工作的質(zhì)量和效率，在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須對(duì)產(chǎn)生電網(wǎng)諧波的原因進(jìn)行全面分析，充分思考電網(wǎng)諧波會(huì)帶來的影響。在電網(wǎng)諧波系統(tǒng)中采用合理抑制手段，配置科學(xué)的電能計(jì)量儀表，以此來確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和精準(zhǔn)性。此外還要以合理的標(biāo)準(zhǔn)收取電費(fèi)，最終確保電網(wǎng)系統(tǒng)能夠得到可靠運(yùn)行，保障線性用戶的利益安全。