谐波条件下电能计量误差量化分析

杨铭海

（国网山东省电力公司平邑县供电公司，山东 临沂 273300）

谐波条件下电能计量误差量化分析

杨铭海

（国网山东省电力公司平邑县供电公司，山东 临沂 273300）

作为电网经济核算的重要依据，电能计量涉及用电、供电以及发电三方面经济利益。随着用电量与用电功率的增大，电力网络在非线性负荷电力设备（如整流器、逆变器、变频器开关电源与UPS等）大量接入后使得电力系统电流与电压波形发生畸变（即产生谐波），致使电能计量科学性与准确性降低。基于此，本文以谐波环境下电能计量误差为研究对象，以提升电能计量准确性为研究目的，以实现发、供、用三方和谐发展为研究意义，展开量化论述，具有一定的推广价值。

电能计量；谐波影响；计量误差；量化分析

谐波指标作为电能质量评价的重要参数之一，其总体来讲是一种不可消除的因素，只要系统运行便会产生。所谓谐波，是指在交流电网有效分量为工频单一频率状态下与工频频率不同的所有成分，其不仅会造成电能生产、输送与应用过程效率下降，同时还会引起继电器失灵甚至电能计量设备误差扩大，结果严重失真。因此，加强谐波条件下电能计量误差的量化研究，使其更好的服务于电力系统的发展，具有重要意义。

1 供电系统谐波来源分析

1.1 熔炼炉与电弧炉

采用电弧炉炼钢主要是利用熔化的金属炉料与电极之间的电弧放热来实现的，该过程中因极间介质反复且不规则的断路或开路而使电弧极稳定性下降，进而造成电弧炉熔化期因负荷极不稳定而产生较大的谐波电流，同时存在电压闪变与波动；感应熔炼炉则是由于采用相控方式而使工作电流大多呈现出非正弦周期变量，其中带有大量的高次谐波。

1.2 电力机车和电气化铁道

运行于电气化铁道上的电力机车是目前电力系统一类重要的不对称非线性负荷，而对于某个固定的牵引变电所而言，运行中的电力机车又为一个随意的变动负载；对于牵引变压器低压侧电压与电流而言，由于电铁的电力牵引单相整流机车会使其发生畸变，因此会产生大量的高次谐波分量通过牵引变压器高压侧注入电力系统。

1.3 计算机负载

随着现代社会计算机使用频率的增加，诸多计算机大用量场所（如网吧、现代化办公楼与股票交易所等）则会产生相对较大的负荷，由于相对电力系统而言，计算机的开关电源为非线性负荷，因此在大量使用过程中会形成一定的谐波。

1.4 换流器与变压器

随着硅换流设备在电力系统中各种不同服务、不同类型、不同目的以及不同容量等广泛使用，其在交、直流转换过程中会在交流侧产生大量的高次谐波，且在电力系统中换流设备为谐波的主要来源；作为引起电力系统谐波产生的另一重要原因，变压器磁化特性的非线性所产生的谐波与变压器的工作状态关系密切，变压器的励磁电流中主要含有3、5、7次谐波电流。

2 电力谐波的危害分析

2.1 产生附加损耗，增加设备温升

尽管谐波电流与基波电流相比所占比例不大，但因趋肤效应（又称集肤效应）增大了设备的有效电阻，随之增大了有铁芯设备中铁芯涡流损耗与磁滞损耗，致使其增加温升，特别是对局部发热点，温升增加更加明显，使设备加速绝缘老化。另外，当电压畸变波形出现尖顶波时，还因局部放电强度的增大而降低绝缘寿命，从而缩短了设备的使用寿命。除此之外，电力谐波还会因供、输、发电设备附加损耗的产生而导致网损增大，降低设备的使用效率。

2.2 造成电气设备的机械振动

在谐波电流与电机旋转磁场的相互作用下，其所产生的脉动转矩极有可能造成电机发生振动，当脉动转矩激发到电机机械系统的自然频率时，其则会因共振的产生而引起局部过电压与转子过热，进而造成电机机械振动与产生噪音，在缩短电气设备使用寿命的同时对人身安全造成威胁。

2.3 引起无功补偿电容器组谐波电流的放大

电容回路与局部电感由电力系统中的电感和无功补偿电容构成，该组合形式下因串联谐振与并联谐振的产生而对某次谐波电流可能起到放大作用，进而加剧了对系统的危害。而且当其构成局部谐波回路频率相近于系统中存在的某次谐波频率时，则会因过电压与过电流的产生而增加系统危险性。

除以上危害外，电力谐波的产生还会给通信系统造成干扰，增加电力运行的投资成本及引起电能计量装置计量误差等。

3 谐波对电子式电能表计量的影响分析

3.1 误差特性理论分析

（1）输入电压特性。由于时分割乘法器功能的发挥主要是靠场效应管开关与运算放大器等电子电路来实现，因此其误差随着输入电压的变化而呈现出非线性趋势。（2）输入频率特性。时分割乘法器因较为稳定的频率特性而在很宽频率范围内几乎不会受到影响。（3）温度特性。先进大规模集成电路在现代时分割乘法器中的应用，使得温度即使在-40～85°范围变化时仍可忽略时分割乘法器误差的变化，温度特性表现良好。

实际应用过程中，经过采样与乘法器的被测电流、电压会引入一个相位偏移，此时电能计算公式表示为：

式中：I′为实测电流幅值；U′为实测电压幅值。则有

由此可知，在经过转换器、时分割乘法器与输入电路后，电子式电能表在电流与电压之间存在一个位偏移，而且幅值也存在一个误差（与乘积相关）。

3.2 频率特性理论分析

试验发现，就频率特性而言，感应式电能表随着谐波次数的增加衰减现象严重，而电子式电能表则随着谐波次数的增加其几乎无衰减现象，表现出较为平坦的变化趋势，该现象说明电子式电能频率响应较宽。其原因主要表现为：

电子式电能表在谐波存在情况下t时间内电能计量值为：

当系统中电流或电压信号仅发生其中一个畸变时，由三角函数正交性分析可知，电子式电能表会表现出变化极小的测量误差；当电流与电压信号均发生畸变时，电子式电能表仍表现出较小的测量误差。由此可见电子式电能表对基波与谐波具有相同的响应，频率特性较宽。

3.3 谐波对电子式电能表计量准确性的影响

实际测量过程中，电网电流与电压的强电信号通过输入电路转换为弱电信号并送入电能表。当输入电路呈非线性特性时，畸变波形通过后（采样）所得到的电流与电压则会发生畸变，从而导致被测信号失真，因此被测信号的准确性在一定程度上受输入电路准确度的影响。作为电能计量的核心元件，乘法器内部结构的组成主要为模拟器，该情况下则会放大测量误差，因此，造成电能计量误差产生的主要部件为乘法器。

在不同的谐波指标下，对电子式电能表计量准确性的影响因产生误差的差异而表现不同，但以计量方式分析，电子式电能表计量过程中对于流入电能表现误差较小，对谐波下的总电能值能够做出很好的反映。

4 结语

（1）实施电能选择性计量。利用数模转换器将电压与电流信号转化为数字形式，其后将相应总功率通过数字化计算得出后实施相位校正。对于基波功率与谐波功率而言，如果二者方向相同，只对基波电能进行计量；如果二者方向不同，则需计量电能总和。（2）利用宽频功率电能表与基波电能表的配合使用，二者协同作用在测量谐波潮流大小、方向的同时又能对基波功率进行计量，达到了准确计量基波电能与谐波电能的目的。（3）对于基波电能与谐波电能的计量采用分频技术，利用电能费用措施惩罚部分增加的谐波电能，奖励消耗或吸收谐波电能的举措，以此抑制谐波源的扩散，降低谐波源数量，减小对电能计量的影响。（4）引进单频协滤波器、双频滤波器或高阶低通滤波器于供电系统中，在过滤掉电能表的高次谐波后只对基波功率及其消耗的电能进行记录。该方式实施相对简单，且可保住线性负载用户，进而减少了供电企业在电费方面的损失。（5）引进大变频电能表于供电系统中，以此准确计量线性负载基波功率，但该方法对非线性负载用户不适用。

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[3]罗松涛.谐波背景下电子式电能表计量误差量化分析[D].郑州大学，2012,5.

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