电力谐波计量标准研究

刘佳 李贺龙 于海波

摘要：电力谐波是电能的污染，供电侧新能源发电、用电侧非线性设备会产生谐波。电力谐波会增大设备损耗、降低设备寿命，甚至会引发供电故障。目前应对谐波的方法侧重治理，预防手段欠缺，需开展电力谐波计量标准装置、传递装置、安装器具及标准体系研究，建立电力谐波计量技术体系，实现谐波量值的准确、统一、互认，丰富谐波污染预防手段，实现防治并举。

关键词：计量 电力谐波 标准装置 技术标准

Abstract： Power harmonics are the pollution of electric energy. New energy power generation on the power supply side and non-linear devices on the power user side will generate harmonics.Power harmonics will increase equipment loss， reduce equipment life， and even cause power supply failures.The current methods to deal with harmonics focus on governance， and the prevention means are lacking.It is necessary to carry out research on power harmonic measurement standard devices， transmission devices， installation appliances and standard systems， establish a power harmonic measurement technology system， realize the accuracy， uniformity， and mutual recognition of harmonic magnitude， enrich harmonic pollution prevention methods， and achieve simultaneous prevention and control .

Key words： measurement，electric power harmonic，standard device，technical standard

1 研究背景

理想的电能形态是工频正弦波，与工频不同的其他成分统称为电力谐波，电力谐波是电能的污染，供电侧新能源发电、用电侧非线性设备会产生谐波。电力谐波会增大设备损耗、降低设备寿命，甚至会引发供电故障。与此同时，高端装备制造业、精密仪器设备需要高质量电能，谐波会降低电能质量，给相關领域造成巨额经济损失。目前应对谐波的方法侧重治理，预防手段欠缺，无法控制谐波源头的进入，导致电网谐波污染仍普遍存在，因此，需开展电力谐波计量标准装置、传递装置、安装器具及标准体系研究，实现谐波量值的准确、统一、互认，丰富谐波污染预防手段，实现防治并举。长期以来，谐波计量技术面临以下问题：一是电力行业谐波计量标准装置准确度不满足要求;二是适用于电网复杂谐波特点的检测方法不全面、量值准确传递设备缺失;三是缺少满足电网现场工况的低成本安装式谐波计量器具。

2 研究内容

基于目前存在的问题，需从谐波量值源头入手，研究高精度等级的标准装置并实现国际互认，然后研究电力谐波计量检测方法和装置，打通量值传递链条;最后研制安装式谐波计量器具，保证低成本、大范围推广应用。

2.1 标准装置研究

常规信号发生方法受放大器幅频、相频特性限制，难以满足高峰值系数非正弦信号高保真稳定输出的需要;传统DFT算法受信号源、采样器时钟稳定性以及二者偏差产生的非同步影响，达到标准谐波信号的分析精度十分困难。

为此，提出了多重平均自适应谐波分析算法，将同步偏差达0.2个周波条件下的谐波分析精度提升至10-16量级，突破了硬件同步技术对谐波分析精度的制约，达到了无需硬件同步即可满足基准级谐波分析精度要求的效果。发明高波峰系数非正弦信号发生方法，突破放大器幅频、相频特性对输出信号波峰系数的限制，解决了高波峰系数整数次谐波、间谐波信号高保真输出难题，研制了电力谐波计量标准装置，建立了电力谐波量值传递源头。

2.2 传递装置研究

首先，实际电网谐波成分繁杂，传统谐波计量检测方法是在单次谐波条件下对计量器具性能进行评价，研究复杂谐波工况下高效评价谐波计量器具运行性能的检测方法十分困难;其次，复杂谐波条件下，缺少将谐波称准量值传递到计量器具的检定装置。

对此，提出了以特征波形为基础的检测方案，设计了涵盖各类现场谐波特性的电力计量专用测试波形，突破简单波形的限制，简化测试流程，提高了检定效率，牵头编制DL/T 1369—2014《标准谐波有功电能表》，参与编制GB/T 17215.302—2013《交流电测量设备 特殊要求 第2部分：静止式谐波有功电能表》、JJG 1106—2015《工作用静止式谐波有功电能表检定规程》等技术标准，解决了单次谐波检测方法无法全面高效评价安装式计量器具实际运行性能的难题。

DL/T 1369—2014规定了实验室用检验或校准基波有功电能和规定的（第）2～（第）n次谐波的正、反向有功电能仪表的术语定义、分类、技术要求、准确度等级及其试验方法。给出了标准的电量值和仪表分类，规定仪表宜具有测量50次以上谐波电能的能力;特别对标准有功谐波电能表的准确度做出要求，除单次谐波有功电能的基本误差要求及试验要求外，提出了谐波状态下的准确度试验，包括方波试验、尖顶波试验及（合成）方波试验的谐波次数、电流幅值、电流初相角、电压幅值及电压初相角等，涵盖了各类现场谐波特性的电力计量专用测试波形，为高效完成安装式谐波计量器具的检定奠定技术基础，从技术层面统一、规范了实验室用标准谐波有功电能表的性能指标及试验方法。

同时，提出两级分层谐波输出结构，在不降低相位调节细度的前提下，无损输出次谐波，研制检定装置，低成本实现了包含复杂谐波成分的非正弦信号准确测量，达到基波、谐波同时多表位检定的效果。

2.3 安装器具研究

传统的加窗傅里叶变换方法，在电网频率波动工况下，谐波分析误差大，无法满足实际使用要求;准同步算法虽能满足分析精度的要求，但算法复杂度高、运算耗时长，对硬件要求高，无法满足安装式谐波计量器具准确、实时监测和低成本推广应用的需求。

为此，采用一种基于CIC滤波器非线性负荷多级重采样技术，实现对谐波有功电能的分向分次计量，研制了安装式谐波计量器具，编制了国家电网企业标准Q/GDW11844—2018《三相谐波智能电能表技术规范》，统一、规范了安装式谐波计量器具的技术要求及检测方法。

Q/GDW11844—2018适用于分别测量并记录基波有功电能和规定的（第）2～（第）n次谐波有功电能的智能电能表，给出了三相谐波智能电能表的规格、机械、功能、电气等技术要求，并对包含准确度试验、机械、气候、电气性能等试验方法做出了具体要求，尤其对正反向谐波试验的基波电压值、基波电流值、谐波电压值、谐波电流值、谐波次数及功率因数，高波峰系数试验的谐波次数、基波电压、基波电流、功率因数、谐波电压、谐波电流等具体指标做出规定，给出了三相谐波电能表的溯源方法，从技术层面统一、规范了安装式谐波计量器具的性能指标，为三相谐波智能电能表的大规模应用奠定技术基础。

3 总结

标准装置、传递装置、安装器具、技术标准均已全面应用，标准装置向各省级电力计量机构进行量值传递，保证谐波量值准确统一;安装的谐波计量器具为应用单位从源头上预防谐波污染提供技术手段，保证了高端制造园区、奥运场馆的用电质量，为我国建设质量强国奠定基础。