谐波条件下基于计量误差量化分析的电能计量方案

张玉霞

摘 要：电能方面的计量装置，一般适用于计量供电企业销售电能、用户所消耗的电能实际数量进行统计，属供电、用电两方经济结算的主要体现。

关键词：电能；误差；经济效益

1 产生谐波的原因

1.1 发电原因

电站发电机中的三相绕组并不能完全对称，在制作的过程中也不能满足这个要求，而且绕过铁心均匀也是比较困难的，这对发电机的电源质量有很大影响，谐波也就此产生。

1.2 输配电系统的原因

在这个系统中，变压器很容易产生谐波，它的铁心呈现饱和的状态，而且磁化曲线还是非线性的，变压器在工作的時候磁密就在曲线的饱和段上，影响着变压器的正常运行，这导致了电压器的磁化电流出现了尖项波形，奇次谐波就在其中产生。通过实践证明，如果变压器铁心的饱和度高的话，线性就越偏离工作的点位，也就非常容易有更大谐波电流产生；相反，就不会有很大的谐波产生。

1.3 用电的原因

晶闸管被广泛用在电气设备中，在用电的过程中，电气设备很容易引发谐波产生，尤其是晶闸管材质的整流设备。现在社会中，有很多电力设备都引用了晶闸管，常见的有电源的开关、电动车、所有的充电设备等，这些都是非常容易产生谐波的，影响着电网的正常运行。在单相整流的电路装置与感性负载相连接的时候，就会有奇次谐波电流产生，最高的时候谐波要占据基波三层左右，比例非常大；而与容性负荷相连接的时候，会有奇次谐波电压产生，它还会根据电容值增加的频率有所增加；此外，还有一种最大容量的谐波源，是通过整流装置所产生的，占据了基波的四层左右。

2 谐波下电能计量系统存在的误差

2.1 电子类型的电能表

模拟乘法设备电能表，其工作的基本原理为：将电压信号U及电流信号I输入，将其转换为乘法器的时候，可充分的接受信号，通过其获取一段时间内的功率。其二，把平均功劳的信号转化成频率脉冲信号，通过频率信号技术的方式获取这一段时间的具体电量。通过原理进行划分，主要可分为分割乘法设备、霍尔乘法设备。模拟乘法设备电能表的误差，一般会来源于模拟乘法器。输入分割乘法设备的信号，其具有较高的谐波，这时应结合分割乘法设备计量的基本原理输入信号，禁止通过简便的直流信号。

2.2 CVT谐波测量的误差

谐波情况下，能够有效的补偿电抗设备、中间变压设备、阻尼设备等，其均有可能于饱和的范围内，所以应充分的考虑到其特征和性能，如非线性。我国110kV和发电厂升压站、变电站母线和出现等均通过CVT。然而，相关的研究显示CVT不能应用到谐波的测量中，测电压频率出现一定变化的时候，存在谐波的时候，CVT通过电容分压设备等值电容、补偿电抗设备电感方面所构成，这时LC串联谐振的回路就会出现偏离的现象，致使其测量存在较大的误差。

3 电能计量的谐波影响

3.1 电磁式电能表的谐波影响

旧式的电磁电能表是根据工频正弦波制造来完成的，这类电能表只可以确保在小幅度变化的工频范围频带内才能发挥最佳工作性能，如果电力系统波形畸变，这类电能表会发生计量错误，产生误差。随着电网谐波不断变多，电能质量的要求会淘汰电磁式电能表。

分析电磁式电能表的计量原理，得出电磁式电能表处于谐波条件下计量电能通常无法正确说明用户实际的使用电量：

（1）用户是线性用户，谐波与基波的方向达到一样，电能表计量的是基波和部分谐波所和的电能，计量比实际量偏大。线性用户既要受到谐波污染还要为此多交电费。

（2）用户为谐波源用户，用户自身消耗谐波外，还输送电网谐波量，输送的谐波潮流和基波相反，电能表计量的是基波电能减去谐波电能，计量值比实际值偏小。用户发生谐波污染电网，反而少交电费。

3.2 电子电能表谐波影响

电子电能表在城市电网应用得较普遍，我国电子电能表多是选取模拟式分割乘法器完成计量电功率和计量电能。随着谐波危害断增加，电子电能表计量电能也会产生误差。

3.3 数字电能表谐波影响

数字电能表是电子电能表的发展换代，它以数字乘法器，采用转换器把电压与电流数字相乘，测量准确度高。数字式电能表一般在一定周期内采样处理电压信号和电流信号，系统频率波动时，采样周期与实际信号无法实现同步，就会产生频谱泄漏，电能计量发生误差。

4 谐波存在时电能计量的有效方法

4.1 应用全电子式智能电能表

全电子式智能电能表在计量中存在的误差，主要是由点积算法引起的，因此，对电能表进行更新，需要从计算算法开始。应该对电力系统中各次谐波的含量进行检测，针对谐波类型提出相应的解决方案。当前应用的全电子式电能表，在计量方法上相当复杂，必须由专业的技术人员进行操作，而且生产成本相对较高，因此一般都是在大中型工业企业中被广泛应用，可以有效降低谐波对于电能计量的影响。

W=C1W1-CfinWfin+Cfout|Wfout|

其中，W1、Wfin、Wfout分别代表负载所消耗的基波电能、吸收的谐波电能以及产生的谐波电能；而C1、Cfin、Cfout则代表相应的加强系数。这种计量方法，能够有效避免因电能计量误差而引发的收费不公现象，同时可以利用经济手段，督促用户采取相应的措施，减少注入电网的谐波量。

4.2 采用频域电能计量方法

在实际应用中，首先，应该对离散化的 电流和电压信号序列进行相应的加窗处理，以降低频谱泄露，避免其可能对谐波分析造成的影响；其次，对加窗后的谐波电流电压序列进行离散傅里叶变换；然后，结合FFT计算方法，对频域参数进行相应的估量和计算，以获取电流和电压信号中存在的谐波分量频率偏差、相位及幅值等；最后，由FFT算法得到加窗后的电流电压频域参数，结合相应的公式，对各次谐波无功电能及有功电能进行计算。

4.3 仿真实验

通过相应的仿真实验，可以得到谐波存在时的电能计量误差数据，同时通过三角自卷积窗方式，实现对于基波电能的准确计量，以保证电能计量的可靠性和准确性。

5 结语

综上所述，谐波不仅影响了输配电和用户电力设备的正常使用，致使用户的无功功率电费支出增加，而且对其它设备元件也产生了危害。在计量回路中应用新型的基波电能表，采用分频技术分别计量基波电能和谐波电能，加强非线性负荷的准入制度，将大大降低谐波带来的电能计量误差，维护好企业和用户的利益。

参考文献

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