電力工程中電能計量諧波問題及影響

潘星寧

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠供電局511500）

摘要：電費回收率和線路損耗率是考核供電企業(yè)的重要指標，而這兩者都以電能計量作為基礎(chǔ)和依據(jù)，因此研究電力諧波對電能計量的影響及解決措施具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：電力工程；電能計量；電力諧波

一、諧波產(chǎn)生的原因及測量方法

1．諧波產(chǎn)生的原因。電力系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生主要來自于以下三個方面：一是發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波。發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他的一些原因，發(fā)電源多少會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波，輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波。由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計變壓器時考慮經(jīng)濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大。三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，主要是晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān)電源等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。統(tǒng)計表明，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波近40%，這是最大的諧波源。

2．諧波測量方法。諧波測量是解決諧波問題的關(guān)鍵，它是研究分析諧波問題的出發(fā)點和主要依據(jù)。通過對諧波的測量，可以實時地監(jiān)測電網(wǎng)中諧波的含量及其潮流方向，借此分析諧波的流向，計量正反向諧波電量、各次諧波的含有率、諧波電壓電流幅值、相位等參數(shù)，為電力部門制定相應(yīng)的諧波治理政策提供必要的依據(jù)。

由于諧波具有非線性、隨機性、分布性、非平穩(wěn)性和影響因素的復(fù)雜性等特征，難以對諧波進行準確測量。目前電力諧波測量的主要方法有以下幾種：采用模擬帶通或帶阻濾波器測量；基于傅立葉變換的諧波測量；基于瞬時無功功率的諧波測量；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波測量；利用小波方法的諧波測量。這些方法各有優(yōu)缺點，其中基于傅立葉變換的頻域分析是諧波測量當(dāng)今應(yīng)用最多也是最廣泛的一種方法。

圖1電磁式電能表的誤差頻率特性曲線

二、諧波對電能計量的影響

1．諧波對電磁式電能表的影響。傳統(tǒng)的電磁式電能表是利用處在交變磁場金屬中的感應(yīng)電流與有關(guān)磁場形變力的原理制成，由于這類電能表是按照工頻正弦波設(shè)計制造的，只能保證在工頻范圍很窄的頻帶內(nèi)具有最佳的工作性能，當(dāng)電力系統(tǒng)中的波形發(fā)生畸變，感應(yīng)式電能表不可避免地會產(chǎn)生計量誤差。

根據(jù)圖1得出：電磁式電能表的電能計量誤差頻率特性曲線呈迅速下降趨勢；計量誤差隨頻率的增高而增大；諧波頻率為20倍頻(1000Hz)左右時，誤差超過了-90%；不同功率因數(shù)下的誤差值有一定的差異。

從計量原理上對電磁式電能表進行分析，得出電磁式電能表在諧波條件下計量的電能一般不能正確反映用戶實際使用的電能，具體如下：：

(1)當(dāng)用戶為線性用戶時，諧波與基波潮流方向一致，電能表計量的是基波電能和部分諧波電能，計量值大于基波電能。線性用戶不但受到諧波損害，而且還要多交電費。

(2)當(dāng)用戶為非線性用戶（即諧波源）時，用戶除自身消耗部分諧波外，還向電網(wǎng)輸送諧波分量，向電網(wǎng)輸送的這部分諧波潮流與基波潮流方向相反，電能表計量的電能是基波電能和扣除這部分諧波電能，計量值小于基波電能值。非線性用戶雖然污染了電網(wǎng)，反倒少交了電費。所以隨著電網(wǎng)諧波的增多，人們對電能質(zhì)量的要求越來越高，電磁式電能表逐步會被淘汰。

2．諧波對電子式電能表的影響。

目前，電子式電能表在城市電網(wǎng)中已經(jīng)得到普遍使用，我國的電子式電能表主要采用模擬式分割乘法器實現(xiàn)測量電功率和電能。隨著電力系統(tǒng)諧波含量的不斷增加，電子式電能表在諧波下的計量不可避免地出現(xiàn)誤差。

根據(jù)圖2可得出：電子式電能表具有更寬的頻率響應(yīng)。電子式電能表的計量誤差也是隨著諧波頻次的升高而增加，但電子式電能表計量誤差比電磁式電能表計量誤差小得多，20倍頻諧波的頻率特性誤差值不超過4%。

圖2電子式電能表的誤差頻率特性曲線

通過對電子式電能表進行誤差分析得出：電子式電能表由于頻帶較寬，對基波電能和諧波電能都能較準確計量，但值得注意的是它把諧波功率和基波功率同等對待，這樣計量誤差會增大。它的電能計量模型為：F=E1+∑Eh。

3.諧波對數(shù)字式電能表的影響。

數(shù)字式電能表是在電子式電能表的基礎(chǔ)上提出的，它是使用數(shù)字乘法器，采用A/D轉(zhuǎn)換器將電壓和電流進行數(shù)字化相乘，可以達到很高的測量準確度。數(shù)字式電能表通常在一定周期內(nèi)對電壓、電流信號進行采樣處理，當(dāng)系統(tǒng)頻率波動時，采樣周期很難達到與實際的信號頻率同步，就會出現(xiàn)頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，使電能計算出現(xiàn)誤差。以下介紹幾種減小采樣誤差的方法：

(1)先測頻后采樣。先通過測量信號波形相繼過零點間的時間寬度來計算頻率，再根據(jù)得到的頻率確定采樣周期進行采樣和諧波分析。

(2)測頻和采樣同時進行。由于電力系統(tǒng)中的頻率是經(jīng)常波動的，所以采樣時間間隔應(yīng)該隨著系統(tǒng)頻的波動而變化，這就是頻率跟蹤算法。最初是同步采樣跟蹤系統(tǒng)頻率的變化，采樣頻率不再是恒定不變的，當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，采樣頻率fs自動在中心采樣頻率fso上下波動，通過動態(tài)調(diào)整采樣周期Ts來實現(xiàn)fs／f1=N為不變整數(shù)，以保證采樣頻率與信號頻率同步。

(3)先采樣后測頻。這是在傳統(tǒng)FFT算法的基礎(chǔ)上提出的，是針對解決FFT算法在非同步采樣時存在較大誤差問題提出的方法，而且這兩種算法可以明顯提高測量精度。

①基于修正采樣序列的FFT算法：主要是用于當(dāng)采樣頻率與系統(tǒng)頻率不同步時，進行諧波分析。當(dāng)采樣不同步時，首先對原始采樣序列做泰勒級數(shù)展開，忽略高階系數(shù)，得到新序列，從而對信號采樣序列進行一次修正，得到基本滿足整周期采樣的采樣序列。然后再應(yīng)用FFT進行諧波分析，計算出各次諧波的幅值和相角，最后得到基波功率和基波電能。

②基于插值同步化的FFT算法：它是從非同步采樣數(shù)據(jù)的同步化角度尋求解決頻譜泄漏問題的方法。該同步化方法的思想是在截取M個非同步采樣點的基礎(chǔ)上構(gòu)造整周期的N個理想同步采樣點，即通過在時域上采用插值方法得到近似理想同步采樣點序列。

由于目前各種數(shù)據(jù)采樣技術(shù)和算法已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，因此，數(shù)字式電能表可以在諧波存在的條件下，比較好地對電能進行計量。

三、計量方式的選擇

目前，小區(qū)一般都是集中抄表，大工業(yè)、普通工業(yè)等大用戶使用多功能電子式電能表，普通居民用戶、非工商業(yè)及其它排灌等大用戶使用感應(yīng)式電能表。電能計量按照國家發(fā)改委的規(guī)定，對用戶按類型分類實行不同的電價，采取電能表只反映基波功率而完全不反映諧波功率的方式。這樣，對電力部門和線性負載用戶來說，雖然受了諧波的影響，但在付費上卻避免了因諧波功率而引起的額外損失；對非線性負載用戶來說，雖然全部承擔(dān)了基波電能的費用，但遠遠不能補償電力系統(tǒng)因其產(chǎn)生的諧波而受到的損失，這種計量方式在電能計量上較容易實施。

但是，能反映實際電能并不等于就是理想的計量方式，特別是隨著用戶對電能質(zhì)量要求的不斷提高和非線性負載的大量使用，由丁諧波的存在而導(dǎo)致對用戶利益的損害和對電力系統(tǒng)非經(jīng)營成本的增加問題日益尖銳，這使得我們必須實施并推廣一種全新的計量方式。

四、結(jié)束語

電能計量是電網(wǎng)經(jīng)濟核算的依據(jù)，其精度關(guān)系到電力供需雙方的經(jīng)濟效益。而電力諧波的存在，使得電能計量失準，這給供用電雙方都帶來影響。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中的諧波污染越來越嚴重電能表是否準確、真實地反映非線性用戶的用電量還是一個正在探討的問題。

參考文獻：

[1]杜定勇，論述電力工程中電能計量諧波問題及影響分析；經(jīng)營管理者，2011-11-05