諧波存在時的電能計量誤差與計量方法分析

史建平

【摘要】當前，用電人群的不斷增加以及大量電氣設備的應用，使得電網中出現了大量的諧波，不僅給電力部門帶來了很大的壓力，影響了供電質量，同時也造成了電能計量的誤差，給供電企業帶來了巨大的經濟損失。本文結合諧波的相關概念，對諧波存在著電能計量誤差以及相應的改進措施進行了分析和探討。

【關鍵詞】諧波；電能計量；誤差；計量方法

前言

科學技術的發展，使得各種各樣的電氣設備不斷涌現，除了電氣化鐵路的大量建設投運，泉州地區石獅、晉江一帶的紡織服裝業，大量使用整流器、變頻器、江南片區的汽配加工企業的變頻電弧爐、安溪鐵藝加工的焊機設備，為社會生產和人們的日常生活提供了巨大的便利，同時也使得電網產生了大量的諧波源。而諧波存在時，會對電能計量的準確性造成巨大的影響，產生相應的計量誤差，因此，對于電力工作人員而言，對電能計量方法進行改進和創新，消除電能計量誤差，是當前需要重點研究的課題。

一.諧波的相關概念

諧波是指電流中所含有的，頻率為基波的整數倍的電量，或者說是對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。而從廣義方面看，在交流電網中，有效分量為工頻單一頻率，任何與工頻頻率不同的成分，都可以稱為諧波。諧波產生的原因，主要是由于正弦電壓加壓于非線性負載，基波電流發生畸變，從而產生諧波。在經濟發展的帶動下，化工、冶金、煤炭等行業的飛速發展以及各種非線性負荷的增加，使得電網中產生了大量的高次諧波電流，從而引起電壓波形的畸變?？梢哉f，在電力系統中，幾乎所有的非線性設備和負荷都是諧波源，包括以變壓器、電抗器等為代表的鐵磁飽和型設備，以整流器、逆變器等為代表的電子開關型設備以及以電弧焊機等為代表的電弧型涉筆等。諧波對于整個電力系統的危害都是非常巨大的，一是會降低系統容量，影響設別的穩定運行，二是會加速設備老化，縮短設備的使用壽命，甚至可能造成設備的損壞，三是可能危害生產的穩定和安全，四是可能增加附加損耗，造成計量和測量設備的顯示誤差，同時可能干擾通信設備的信號傳遞，對其造成損壞。因此，采取合理有效的措施，對諧波存在時的電能計量方法進行改進，保證電能計量安全，是非常重要的，需要電力工作人員的重視。

二.諧波存在時的電能計量誤差

電力系統存在諧波時，會造成計量誤差的出現，影響電能計量的準確性。在電力負載上，諧波存在于基波電流或電壓中，若基波電流和電壓保持不變，則電能表轉盤阻抗以及電壓線圈阻抗會出現相應的邊改，從而影響電能表計量的準確性。諧波存在時，電能表所反映的電能值可以用下列公式表示：

其中，E1和Eh表示基波以及h次的諧波電能值，其符號由實際潮流方向決定，并不確定，C1和Ch表示電能表所反映的與h次諧波電能和基波成比例的系數。對于電能計量而言，諧波功率的潮流方向是非常關鍵的。傳統電能計量中，采用的是全能量計量方式，是對基波電能和諧波電能總和的計量，這就使得在實際計量中，存在著相應的問題：（1）當用戶負荷為線性時，則供電為非正弦，此時，電能表計量的數據實際上是基波電能加上部分諧波電能，用戶不僅需要多交電費，還可能會受到諧波的危害，影響設備的安全穩定運行；（2）當用戶負荷為非線性時，則非線性負載會產生諧波功率和電能，同時將一部分諧波倒流到電力系統中，此時，電能表計量的數據是基波電能減去倒流入系統的諧波電能，不僅對電網造成了污染，而且還少交電費，損害了供電企業的經濟效益；（3）當電源出現畸變，負載為非線性時，電能計量的情況相對比較復雜，負載從電網吸收相應的基波和諧波電能，同時也有諧波倒流入電網，可以說是前兩種情況的綜合。由此可知，線性負載在吸收系統基波功率的同時，還將被迫吸收諧波功率；而非線性負載在吸收基波功率的同時，將其中一部分基波功率轉化為諧波功率注入系統，成為系統的諧波源。

三.諧波存在時電能計量的有效方法

針對上述問題，電力工作人員應該充分重視起來，結合諧波原理以及諧波產生的基本要素，對諧波的危害進行約束，從而提升計量的準確性。從目前來看，諧波存在時，電能計量的有效措施，包括以下幾種：

1.應用全電子式智能電能表。全電子式智能電能表在計量中存在的誤差，主要是由點積算法引起的，因此，對電能表進行更新，需要從計算算法開始。應該對電力系統中各次諧波的含量進行檢測，針對諧波類型提出相應的解決方案。當前應用的全電子式電能表，在計量方法上相當復雜，必須由專業的技術人員進行操作，而且生產成本相對較高，因此一般都是在大中型工業企業中被廣泛應用，可以有效降低諧波對于電能計量的影響。全電子式智能電能表的計量方法如下：在實際計量中，需要對帶加權系數、諧波電能以及基波電能等進行分別計量，計量公式為

其中，W1、Wfin、Wfout分別代表負載所消耗的基波電能、吸收的諧波電能以及產生的諧波電能；而C1、Cfin、Cfout則代表相應的加強系數。一般情況下，將C1設置為1，則當Cfout大于1時，則應該對發出諧波電能的非線性負載用戶進行懲罰；當Cfout在0-1的范圍內時，則對線性負載用戶進行相應的補償。這種計量方法，能夠有效避免因電能計量誤差而引發的收費不公現象，同時可以利用經濟手段，督促用戶采取相應的措施，減少注入電網的諧波量。

2.采用頻域電能計量方法。在實際應用中，首先，應該對離散化的電流和電壓信號序列進行相應的加窗處理，以降低頻譜泄露，避免其可能對諧波分析造成的影響；其次，對加窗后的諧波電流電壓序列進行離散傅里葉變換；然后，結合FFT計算方法，對頻域參數進行相應的估量和計算，以獲取電流和電壓信號中存在的諧波分量頻率偏差、相位及幅值等；最后，由FFT算法得到加窗后的電流電壓頻域參數，結合相應的公式，對各次諧波無功電能及有功電能進行計算。其公式為：

3.仿真實驗。通過相應的仿真實驗，可以得到諧波存在時的電能計量誤差數據，同時通過三角自卷積窗方式，實現對于基波電能的準確計量，以保證電能計量的可靠性和準確性。

四.結語

總而言之，諧波對于電力系統的危害是非常巨大的，當諧波存在時，電能計量可能會出現相應的誤差，影響電力用戶和供電企業雙方的利益。因此，電力工作人員應該充分重視起來，采取合理有效的措施，對計量方式進行改進和創新，實現基波電能和諧波電能的分別計算，從而保證電能計量的準確性，保證我國電力行業的持續穩定健康發展。

參考文獻

[1]袁丁，鄧潔.諧波存在時的改進電能計量方法及應用[J].科技與企業，2012，（24）：345-346.

[2]武海濤.諧波對電能計量的影響[J].硅谷，2009，（24）：19-21.

[3]查利冬.諧波存在時的電能計量誤差與改進技術分析[J].江西建材，2014，（22）：216.

[4]溫和，滕召勝，胡曉光，王永，曾博.諧波存在時的改進電能計量方法及應用[J].儀器儀表學報，2011，32（1）：157-162.

[5]陳慶奇.電力諧波對電能計量影響的研究[J].電機與電器，2012，l5（4）：147-148.