广义非线性电能计量校验及评测系统的现场应用

谭 华，夏 鹏，刘 雳

（1.中电投江西电力有限公司，江西南昌 330096；2.国网江西省电力科学研究院，江西南昌 330096）

0 引言

随着现代电力电子技术的发展，大量的电力电子装置已被广泛的应用到电网中，进而导致谐波含量的增加。谐波的存在将会影响电能计量装置的计量准确，进而产生相应的计量误差，影响了电网中相关各方的利益与交易的合理性。

目前，电能计量装置仍按《DL/T448-2000电能计量装置技术管理规程》进行配置。当谐波含量增大到不满足相应要求时，将会极大的影响计量的准确和可靠。难以满足谐波源负荷、动态负荷、冲击负荷、等条件下的电能计量。为解决上述问题，需要提出一种适用于现场非线性工况的电能计量方式和校验装置。现阶段，一些电表厂家也研发了具有谐波计量功能的谐波电能表。但这种计量方式也有很大的局限性。首先，谐波电能表一般采用FFT算法，而基于FFT的谐波电能算法对于稳态谐波分析比较有效，但对于非线性负荷所反映的暂态、冲击过程缺乏有效检测手段。

本文通过对冲击负荷、动态波动负荷、谐波源负荷进行实时数据采集，研究这些电网特殊负荷的数学特征，建立面向计量需求的负荷特征模型；针对这些典型的特殊负荷模型，提出适于现场工况的电能计量方式。

1 几种典型非线性负荷的特点

1.1 钢铁企业谐波源的主要特点

电弧炉的冶炼过程中电流的波形变化极快，实际上每半个工频周期的波形都不相同。由于电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第2、3、4、5、6、7次谐波电流。据实测，第2、3、5次谐波电流含有率常达5%～6%及以上，严重时可达20%以上。

1.2 风电厂谐波源的主要特点

风力发电系统的整流器和逆变器分别采用三相6脉动整流桥或逆变桥，整流桥和逆变桥可统称为换流桥，它们产生谐波的机理是一样的。其中，三相6脉动换流桥产生的特征谐波电流次数为h=6K±1，其中以5、7次谐波电流为主。

1.3 电气化铁路谐波源的主要特点

电力机车从接触网获取电能，再经机车变压器及机车整流装置整流后再驱动直流电动机，即交直牵引供电制式；另外，还有交直交牵引供电制式。电忒一谐波的产生、合成和变换过程可知，电铁系统产生的谐波全为奇次谐波，尤其以3、5、7次谐波电流最为显著。

2 非线性负荷特征下对电能表的影响原理分析

由于谐波功率的大小和方向的影响，无论电源电压波形是否畸变，只要系统中存在谐波功率，线性负载实际消耗的电能就大于其吸收的基波电能。而在一般情况下，非线性负载从系统吸收的背景谐波电能小于其向系统注入的谐波电能，所以非线性负载实际消耗的电能值要小于其吸收的基波电能值。如果按现行的电能计量方式，电能表反映的是基波和谐波的综合电能。这就导致用户实际消耗基波电能量与电能表读数不等。按电能表读数缴费就会使非线性负载向系统注入谐波功率反而少缴电费。

3 典型非线性负荷工况下电能表对环境适应性的测试分析

3.1 电能表对低功率因数的适应性测试分析

实验条件：给定负载的视在功率2 kVA，功率因数从0.1~1变化（感性负载和容性负载分别进行测试），仿真电源产生标准无谐波干扰的交流正弦220 V、50 Hz的电压，选取不同厂家的留样表（精度等级为2级）4只进行测验，记录测得的误差值及不同功率因数下的无功功率值（kVA），如表1和2所示。

表1 不同功率因数（感性）下电能表的误差值 %

表2 不同功率因数（容性）下电能表的误差值 %

用功率分析仪日置3390观察电源的失真率，当功率因数从0.1~1变化时，谐波总失真率一直保持0.08%不变，从而排除电能表的计量误差受谐波的影响。为了直观观察电能表误差和功率因数的关系，将表1和表2的数据绘制图形，如图1所示。

图1 电能表误差和功率因数关系

由图1可以看出：1）随着负载功率因数的减小，电能表的误差增大，当功率因数减小到0.5以下时误差增大幅度变大；2）被测表的误差为负值。误差为负值表明电能表所计电量小于标准表所计电量，即功率因数越小电能表所计电量的偏差越大，相当于少计电量；3）功率因数的减小使得无功功率增大，增加了线路的损耗，降低电网线路的效率。

综上，负载的功率因数影响计量装置的准确性，应尽量使负载在功率因数0.5以上工作；负载的功率因数降低时，无功功率变大，此时需要从网上吸收无功功率，这样发电机组就要多发无功，而发无功也是需要能量的，相当于降低了发电机的出力；且无功负荷在网上传送占用了输、变、配电设备的资源。

3.2 电能表对谐波工况的适应性测试分析

某电能表厂家在电铁牵引站实地挂表测试数据，电能表的安装日期为2014年6月14日，2014年7月16日第一次抄表，2014年8月24日第二次抄表，所抄信息见表3所示。

表3 电铁牵引站挂表数据

从表3 中可以看出，由于牵引站变向电网反送谐波，导致全波电能比基波电能少计最高达1.44%，如果再加上其向电网反送的谐波电能这个数值将接近3%，因此，谐波电能计量非常重要。建议在谐波含量大的地方为用户安装专用的谐波表，以便准确计量谐波产生用户的用电量。

4 结论

1）本文结合江西电网电能质量各项指标，对电能质量典型扰动源负荷进行初步分类，并对典型负荷实际负载进行现场数据采集，建立了针对江西电网特殊负荷变化特征量的数据库。并从电能计量系统研究出发，对江西电网负荷进行分类，重点研究了各类谐波源负荷对现行计量方式的影响。

2）针对江西电网现场工况中出现的影响电能表计量准确性的因素，利用电能表现场模拟仿真平台在实验室设计了具有针对性的实验，研究分析了电能表对现场工况环境的适应性，并针对各类特定负荷提出了适应其现场环境的计量方式。