電力工程中電能計(jì)量諧波問(wèn)題及影響

潘星寧

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司清遠(yuǎn)供電局511500）

摘要：電費(fèi)回收率和線路損耗率是考核供電企業(yè)的重要指標(biāo)，而這兩者都以電能計(jì)量作為基礎(chǔ)和依據(jù)，因此研究電力諧波對(duì)電能計(jì)量的影響及解決措施具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：電力工程；電能計(jì)量；電力諧波

一、諧波產(chǎn)生的原因及測(cè)量方法

1．諧波產(chǎn)生的原因。電力系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生主要來(lái)自于以下三個(gè)方面：一是發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波。發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和其他的一些原因，發(fā)電源多少會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來(lái)說(shuō)很少。二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波，輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波。由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大。三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，主要是晶閘管整流設(shè)備。由于晶閘管整流在電力機(jī)車(chē)、鋁電解槽、充電裝置、開(kāi)關(guān)電源等許多方面得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達(dá)基波的30%；接容性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。統(tǒng)計(jì)表明，由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波近40%，這是最大的諧波源。

2．諧波測(cè)量方法。諧波測(cè)量是解決諧波問(wèn)題的關(guān)鍵，它是研究分析諧波問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)和主要依據(jù)。通過(guò)對(duì)諧波的測(cè)量，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)電網(wǎng)中諧波的含量及其潮流方向，借此分析諧波的流向，計(jì)量正反向諧波電量、各次諧波的含有率、諧波電壓電流幅值、相位等參數(shù)，為電力部門(mén)制定相應(yīng)的諧波治理政策提供必要的依據(jù)。

由于諧波具有非線性、隨機(jī)性、分布性、非平穩(wěn)性和影響因素的復(fù)雜性等特征，難以對(duì)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。目前電力諧波測(cè)量的主要方法有以下幾種：采用模擬帶通或帶阻濾波器測(cè)量；基于傅立葉變換的諧波測(cè)量；基于瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波測(cè)量；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波測(cè)量；利用小波方法的諧波測(cè)量。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中基于傅立葉變換的頻域分析是諧波測(cè)量當(dāng)今應(yīng)用最多也是最廣泛的一種方法。

圖1電磁式電能表的誤差頻率特性曲線

二、諧波對(duì)電能計(jì)量的影響

1．諧波對(duì)電磁式電能表的影響。傳統(tǒng)的電磁式電能表是利用處在交變磁場(chǎng)金屬中的感應(yīng)電流與有關(guān)磁場(chǎng)形變力的原理制成，由于這類(lèi)電能表是按照工頻正弦波設(shè)計(jì)制造的，只能保證在工頻范圍很窄的頻帶內(nèi)具有最佳的工作性能，當(dāng)電力系統(tǒng)中的波形發(fā)生畸變，感應(yīng)式電能表不可避免地會(huì)產(chǎn)生計(jì)量誤差。

根據(jù)圖1得出：電磁式電能表的電能計(jì)量誤差頻率特性曲線呈迅速下降趨勢(shì)；計(jì)量誤差隨頻率的增高而增大；諧波頻率為20倍頻(1000Hz)左右時(shí)，誤差超過(guò)了-90%；不同功率因數(shù)下的誤差值有一定的差異。

從計(jì)量原理上對(duì)電磁式電能表進(jìn)行分析，得出電磁式電能表在諧波條件下計(jì)量的電能一般不能正確反映用戶(hù)實(shí)際使用的電能，具體如下：：

(1)當(dāng)用戶(hù)為線性用戶(hù)時(shí)，諧波與基波潮流方向一致，電能表計(jì)量的是基波電能和部分諧波電能，計(jì)量值大于基波電能。線性用戶(hù)不但受到諧波損害，而且還要多交電費(fèi)。

(2)當(dāng)用戶(hù)為非線性用戶(hù)（即諧波源）時(shí)，用戶(hù)除自身消耗部分諧波外，還向電網(wǎng)輸送諧波分量，向電網(wǎng)輸送的這部分諧波潮流與基波潮流方向相反，電能表計(jì)量的電能是基波電能和扣除這部分諧波電能，計(jì)量值小于基波電能值。非線性用戶(hù)雖然污染了電網(wǎng)，反倒少交了電費(fèi)。所以隨著電網(wǎng)諧波的增多，人們對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，電磁式電能表逐步會(huì)被淘汰。

2．諧波對(duì)電子式電能表的影響。

目前，電子式電能表在城市電網(wǎng)中已經(jīng)得到普遍使用，我國(guó)的電子式電能表主要采用模擬式分割乘法器實(shí)現(xiàn)測(cè)量電功率和電能。隨著電力系統(tǒng)諧波含量的不斷增加，電子式電能表在諧波下的計(jì)量不可避免地出現(xiàn)誤差。

根據(jù)圖2可得出：電子式電能表具有更寬的頻率響應(yīng)。電子式電能表的計(jì)量誤差也是隨著諧波頻次的升高而增加，但電子式電能表計(jì)量誤差比電磁式電能表計(jì)量誤差小得多，20倍頻諧波的頻率特性誤差值不超過(guò)4%。

圖2電子式電能表的誤差頻率特性曲線

通過(guò)對(duì)電子式電能表進(jìn)行誤差分析得出：電子式電能表由于頻帶較寬，對(duì)基波電能和諧波電能都能較準(zhǔn)確計(jì)量，但值得注意的是它把諧波功率和基波功率同等對(duì)待，這樣計(jì)量誤差會(huì)增大。它的電能計(jì)量模型為：F=E1+∑Eh。

3.諧波對(duì)數(shù)字式電能表的影響。

數(shù)字式電能表是在電子式電能表的基礎(chǔ)上提出的，它是使用數(shù)字乘法器，采用A/D轉(zhuǎn)換器將電壓和電流進(jìn)行數(shù)字化相乘，可以達(dá)到很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。數(shù)字式電能表通常在一定周期內(nèi)對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣處理，當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，采樣周期很難達(dá)到與實(shí)際的信號(hào)頻率同步，就會(huì)出現(xiàn)頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，使電能計(jì)算出現(xiàn)誤差。以下介紹幾種減小采樣誤差的方法：

(1)先測(cè)頻后采樣。先通過(guò)測(cè)量信號(hào)波形相繼過(guò)零點(diǎn)間的時(shí)間寬度來(lái)計(jì)算頻率，再根據(jù)得到的頻率確定采樣周期進(jìn)行采樣和諧波分析。

(2)測(cè)頻和采樣同時(shí)進(jìn)行。由于電力系統(tǒng)中的頻率是經(jīng)常波動(dòng)的，所以采樣時(shí)間間隔應(yīng)該隨著系統(tǒng)頻的波動(dòng)而變化，這就是頻率跟蹤算法。最初是同步采樣跟蹤系統(tǒng)頻率的變化，采樣頻率不再是恒定不變的，當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，采樣頻率fs自動(dòng)在中心采樣頻率fso上下波動(dòng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣周期Ts來(lái)實(shí)現(xiàn)fs／f1=N為不變整數(shù)，以保證采樣頻率與信號(hào)頻率同步。

(3)先采樣后測(cè)頻。這是在傳統(tǒng)FFT算法的基礎(chǔ)上提出的，是針對(duì)解決FFT算法在非同步采樣時(shí)存在較大誤差問(wèn)題提出的方法，而且這兩種算法可以明顯提高測(cè)量精度。

①基于修正采樣序列的FFT算法：主要是用于當(dāng)采樣頻率與系統(tǒng)頻率不同步時(shí)，進(jìn)行諧波分析。當(dāng)采樣不同步時(shí)，首先對(duì)原始采樣序列做泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，忽略高階系數(shù)，得到新序列，從而對(duì)信號(hào)采樣序列進(jìn)行一次修正，得到基本滿(mǎn)足整周期采樣的采樣序列。然后再應(yīng)用FFT進(jìn)行諧波分析，計(jì)算出各次諧波的幅值和相角，最后得到基波功率和基波電能。

②基于插值同步化的FFT算法：它是從非同步采樣數(shù)據(jù)的同步化角度尋求解決頻譜泄漏問(wèn)題的方法。該同步化方法的思想是在截取M個(gè)非同步采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上構(gòu)造整周期的N個(gè)理想同步采樣點(diǎn)，即通過(guò)在時(shí)域上采用插值方法得到近似理想同步采樣點(diǎn)序列。

由于目前各種數(shù)據(jù)采樣技術(shù)和算法已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，因此，數(shù)字式電能表可以在諧波存在的條件下，比較好地對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量。

三、計(jì)量方式的選擇

目前，小區(qū)一般都是集中抄表，大工業(yè)、普通工業(yè)等大用戶(hù)使用多功能電子式電能表，普通居民用戶(hù)、非工商業(yè)及其它排灌等大用戶(hù)使用感應(yīng)式電能表。電能計(jì)量按照國(guó)家發(fā)改委的規(guī)定，對(duì)用戶(hù)按類(lèi)型分類(lèi)實(shí)行不同的電價(jià)，采取電能表只反映基波功率而完全不反映諧波功率的方式。這樣，對(duì)電力部門(mén)和線性負(fù)載用戶(hù)來(lái)說(shuō)，雖然受了諧波的影響，但在付費(fèi)上卻避免了因諧波功率而引起的額外損失；對(duì)非線性負(fù)載用戶(hù)來(lái)說(shuō)，雖然全部承擔(dān)了基波電能的費(fèi)用，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能補(bǔ)償電力系統(tǒng)因其產(chǎn)生的諧波而受到的損失，這種計(jì)量方式在電能計(jì)量上較容易實(shí)施。

但是，能反映實(shí)際電能并不等于就是理想的計(jì)量方式，特別是隨著用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量要求的不斷提高和非線性負(fù)載的大量使用，由丁諧波的存在而導(dǎo)致對(duì)用戶(hù)利益的損害和對(duì)電力系統(tǒng)非經(jīng)營(yíng)成本的增加問(wèn)題日益尖銳，這使得我們必須實(shí)施并推廣一種全新的計(jì)量方式。

四、結(jié)束語(yǔ)

電能計(jì)量是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)核算的依據(jù)，其精度關(guān)系到電力供需雙方的經(jīng)濟(jì)效益。而電力諧波的存在，使得電能計(jì)量失準(zhǔn)，這給供用電雙方都帶來(lái)影響。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中的諧波污染越來(lái)越嚴(yán)重電能表是否準(zhǔn)確、真實(shí)地反映非線性用戶(hù)的用電量還是一個(gè)正在探討的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜定勇，論述電力工程中電能計(jì)量諧波問(wèn)題及影響分析；經(jīng)營(yíng)管理者，2011-11-05