电网谐波对电能计量的影响分析

深圳供电局有限公司 黄令忠 戴 斌 许盖伦

电能计量的数据直接影响着供电、用电以及发电三方面的内容，且是计算多种经济技术指标的根本依据。伴随着大量非线性负载在电力系统中的应用，电网环境也会受到一定的影响，电压及电流都会在电网环境中发生一定的变化，谐波也随之产生。谐波电压以及电流都会影响电网及电力负荷的正常运行，同时也会对电能计量产生一定的影响，容量也呈现出不断递增的趋势，谐波会大量地注入电网中，导致电力系统中的电压和电流等波形发生严重的变化。

最为理想的电力网电压应有固定的频率和幅值。但在现实中受用电设备和用电负荷的影响，存在很多非线性元件和设备，它们所产生的电网谐波会使用电设备的负荷及用电线路的损耗大大增加，对通讯设备的稳定性也造成了一定干扰，从一定角度来看是一种十分严重的污染。目前随着经济的快速发展，各种电解、冶炼等产业不断增加，再加上人们没有意识到电网谐波污染的危害性，导致谐波污染的情况日益严重，有电网谐波导致的事故时有发生。由此可见加强研究精准度高、灵活性强的谐波计量电表是日后电力计量技术主要发展方向。

1 电网谐波出现的原因及其危害

谐波在电力系统环境中产生的原因很多。其中电源谐波最为常见，电源的质量较差就会在一定程度上出现电源谐波。还有就是存在于输电系统中的谐波，这主要是电力系统在运行过程中变压器所引起的。此外谐波也会出现于电力系统中的整流设备。当用电设备中的整流装置为单相电流电路时，由于在接感性负载出现次数不等时就会出现谐波电流。在电力电子设备没有投入使用前，变压器是导致谐波出现的主要原因，它所产生的谐波被称为奇次谐波，奇次谐波的量值非常小。正是由于变压器谐波较小的原因，因此在很多电力电子设备上都取代了变压器装置，谐波的组合模式也呈现出了多样化的发展趋势。

在电力电子技术应用过程中，整流元件主要是由二极管为主要组成部分，它能在一定情况下将交流电转变成直流电，该技术中最为常见的电能模式为AC/DC转换形式。通常情况下桥式整流器滤波及大电容器是AC/DC转换器的首要选择，电容器在大容量的电波影响下，二极管元件中的导通管非常小，为能使导通过程顺利进行，交流电压就必须要达到正弦波的峰值。在此状态下，交流输入电流的波形就会发生一定的变化，以至于在特殊环境中谐波值会大于基波值。谐波的出现会导致电力系统出现大量问题，其对公用电网以及其他电力系统的危害主要有以下几点：

首先，在公共电网使用中，谐波会对其中的元件产生额外的谐波损耗，在一定程度上降低了发电、输电及用电的效率，当大量三次谐波流经过中性线时就会导致线路的温度持续增高，有很大的可能会发生火灾；其次，各种电气设备也会在谐波的影响下无法进行正常工作。除会对电机设备造成额外损耗外，谐波还会使电气设备在应用过程中出现剧烈的振动和噪音，变压器的局部会发生严重过热的情况。同时谐波会导致变容器和电缆设备热量过高，线路很容易出现绝缘老化，导致设备的使用寿命大大缩短，最终发生损坏。再有就是谐波会对电力系统中的控制装置和检测装置造成影响，特别是对一些利用相位或频率的保护装置影响更为严重，严重时还会出现保护误动作的情况；最后，谐波会对电力系统的通信系统产生干扰，轻则会产生一定的噪音、严重时还会导致信息丢失，通信系统无法完成正常的工作。

2 电网谐波对电能计量的影响

2.1 对电能计量方式带来了干扰

在传统的电能计量过程中计量标准以计量全能源为主，这就导致传统感应式电能表被计量更加精确的电能计量表所取代。在规模和应用技术的影响下，传统电网谐波所能覆盖的范围较小，所以全能计量的方式即可、不用考虑谐波因素。随着电力电子技术快速发展，电能表在工业领域及各种类型用电设备上的广泛使用，电力系统也变得十分复杂。如：电气化铁道上的单向整流应用，对电力系统和通讯网络都产生了十分严重的不利影响。在这样的情况下，谐波电能计量方式的应用须重点分析谐波对其产生的影响，并进行有效处理。

另一方面，传统全能计量通常指的是基波电能和谐波电能的总值，在新时代背景下这样的电能计量方式应用于电力系统中具有很大的局限性。在其过程中，如负荷处于线性状态并处于非正弦供电状态下，电能表只能计量其中一部分谐波和基波的总和数值，在此基础上电能谐波还会对用电设备造成损坏，进而威胁到用户的个人用电设施，这会使用户支出大量的电费，所以这样的方法缺乏一定的合理性。

再有就是处于非线性状态下的用户用电设备，少量的谐波功率会在非线性负荷的影响下产生，还会有一部分电能重新流入到电力系统中，因此在基能电波和回流电力系统间会产生一定的电能差，不但会对电网本身造成十分严重的损坏，还会影响供电企业的最终利益。此外，如非线性负荷出现电源畸变情况时谐波会重新流入到电网系统中，进而会出现以上情况，影响十分严重。

电网谐波对电能和电力系统影响非常大，从非线性用户使用情况来看采用全能量计量方式并不合适，同时无法将真实的电力平衡情况反映出来。所以对全能计量方式进行改变十分必要，要在此过程中综合考虑电能谐波和基波，以此来重新采用计量方式。但从当前电力系统技术来看很难实现对基波和谐波分开计量，因此，为使电力企业及个人用户利益不受影响，对电费的收取方式须做出调整，使其能更加科学合理。

2.2 对电能计量设施造成的影响

感应式电能表会在电网谐波的影响下受到干扰。目前感应式电能表成为大多数地区所采用的电能计量设备，此类型电能表主要是依据基波频率来运行，最突出的优势是灵敏度较高。然而电网系统中的电流和部分电压会发生一定程度畸变，对使用过程中电能表的精度会造成一定影响。从相关文献资料可看出，以波形的变化情况来来分析对电能计量的影响主要是根据它自身的频率特点，因为能导致感应式电表出现误差的原因有很多，为方便探索只需分析谐波及频率的偏移情况及带来的影响就可以。

感应式电能表在设计过程中主要是以基波为主要参考依据，当复合电压和电流在电力系统中保持不变时，如频率发生改变也会影响电压线圈的阻碍性。同时，因为转盘阻抗会发生变化，所以电流磁通也会因此发生改变。通过分析电能表的工作原理能得知，在相同频率电流及电压工作过程中才能使功率达到平衡状态，这也就代表着电流和电压只有处于相同功率时，才能够在彼此间产生磁通现象，形成转矩现象。然而在电磁元件中有畸变的波形出现时，因为磁通过程并不能适应波形的变化，所以转矩和平均功率间无法维持正比状态，进而会出现额外的误差，导致电能表的测量过程失去精准性。

从另一个角度看，电子式电能表会受电网谐波的影响。由于电子式电能表的功能十分齐全、准确性高，所以在未来必然会取代感应式电能表。数字功率表是电子电能表的基础，从电子电能表的结构特点分析看，从总体方面能够其分成分频计数功能及V/f等部分。输入级的功能就是将电压和电流利用互感器转换为合理的微小电压信号、并转给乘法计算设备。该设备是电子式电能表的核心构成部分，电压模拟量能够在此设备中转换为乘积的形式，随后再将模拟过后的这部分数据转换给V/f线路系统当中，最终完成测量过程。

从电子式电能表和感应式电能表的比较分析结果看，前者所产生的频率曲线波动较小，通常不会出现逐渐衰减的情况，这也就意味着其设备具有宽频带反馈功能，使响应的谐波功率能与反馈数据保持一致。电子式电能表的谐波频宽较大，对于谐波和基波电能都能准确测量，但电子式电能表也会对二者电能进行处理，因此通常会导致误差数值较大。

3 谐波在电力计量中的应用与发展

在电力计量中的应用。在电网谐波作用条件下，通常可将电能的计量方式分为以下几点：首先是要对谐波进行过滤甚至忽略，以此来提高电表的抗干扰能力，只能够对基波功率进行测量，这种方法也可作为纯基波的计量方式；其次，电表功率的反应能力得到了提高，也就是电表能显示出实际的用电量，这样的方式就是直接将基波功率与谐波功率进行综合计算，不进行单独区分；最后，还要对基波功率和谐波功率进行区分，然后再进行单独计量。

谐波计量的主要发展趋势。我国目前电能计量的方式主要是全能计量。在基波电流较稳定情况下具有较高精准性，如果在电力系统中出现了谐波干扰情况、且程度超出计量设备实际承受范围，该计量方式就会出现误差扩大情况，进而导致失真问题十分严重。为有效避免该情况的发生，未来的设计发展方向是将谐波与基波进行分离，并分别对各自进行计算。在具体研究过程中，对电力系统进行简化，对所受到谐波影响的计量误差建立合适的模型并综合分析处理，最终计算出在谐波影响下的具体电流数值。

谐波电表的未来发展。当前已研制出谐波电表，它能对谐波干扰进行精准地计算。这种电能表主要依靠单片机技术，在此基础上应用各种各样先进的技术，使其具备了谐波和基波转换的功能，使二者分别能够得到计算，并包括了基波有功电能、无功电能以及总电能等。应用这种类型计量表的优势就在于能有效避免零件失灵和倾斜度过大的影响因素。然而从目前发展情况来看，并没有形成合理的收费系统，所以这种类型的谐波电表在推广中并没有取得良好效果。

4 减少电网谐波对电能计量装置影响的主要方法

4.1 优化电能计量方式

在当前电力系统中必须对全能量计量方法进行优化，应用基波电能与用户吸收单独计量以及谐波电能计量的方式。这种类型的计量方式不仅可充分考虑负载所吸收和发出的谐波，还能解决全能量计量方式对用户及电力企业的不利影响，进而确保计量结果能更加公平合理。

4.2 对计量方式的改进进行优化

目前我国非线性用户居多，所以准确计算出用户单独吸收计量和谐波电能计量是最主要的改进方式，只有合理测量该部分的功率，才能精准地对用户设计用电量进行分析，进而能从客观角度分析谐波功率对电力系统的影响。对此，可在电能计量设备中安装谐波判断和识别装置，利用以谐波阻抗和功率潮流为基础的辨别检测方法，像最小二乘法、临界阻抗法以及定位系统等，来对用户吸收和发出的谐波功率进行准确测量，从而能够对谐波功率所产生的影响进行全面分析，使计量的精准度更高。从冲击负荷的角度分析看，由于在FFT范围内并不能使数字化电能计量设备产生转变，因此可将一些局部变化能力较强的小波应用于电能装置中，以此方法来确保即使在负荷冲击影响下也可精准计算出用户的实际用电消耗。

图1 谐波能量回收再利用流程图

总之，随着电力体制的深入改革，电力部门将会摆脱政府部门的相关职能，成为具备自主经营能力的企业。作为影响电能质量的主要因素之一，供电部门必须对电网谐波进行高度重视，因为合理精确的电能计量是电力工业不断走向市场化的重要问题。现今应用最为广泛的电子式电能表和感应式电能表都存在一定的缺陷，都无法准确地计量电能，电子式电能表和感应式电能表会随着谐波次数的不断增加而降低一定的精准性。

为提高电网工作的质量和效率，在电力系统设计中必须对产生电网谐波的原因进行全面分析，充分思考电网谐波会带来的影响。在电网谐波系统中采用合理抑制手段，配置科学的电能计量仪表，以此来确保系统运行的安全性和精准性。此外还要以合理的标准收取电费，最终确保电网系统能够得到可靠运行，保障线性用户的利益安全。