谐波对电能计量影响的分析及对策

高铭翔

摘要：电力系统中非线性设备产了大量的谐波，造成电网中电压波形的畸变，这不仅对供电系统和电力设备造成危害，还对电能计量造成严重影响。文章通过分析电力系统中谐波产生的原因，对电能计量中谐波影响的因素分析，来提高电能计量的准确度和合理性。

关键词：电力系统；谐波；电能计量

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）15-0107-03

谐波是一种具有周期性的正弦波分量，其频率是基波频率的整数倍，但幅值相对基波较小。电力行业中电能计量仪表一般是以正弦波形为工频进行设计的，所以在有谐波存在的情况下，使得电能计量产生误差。电力电子技术的发展和用电设备的广泛使用，非线性负荷数量和容量增大，谐波被大量注入电网，造成电压和电流产生畸变，电能的质量也会下降。电力系统中的重要设备也会受到一定的影响，如测量仪器、输电设备、通讯设备、计量仪表等。其中电能计量是电力系统收费和经济核算的重要依据，其计量精度直接关系电力供需双方的经济效益和社会效益。供电部门采用的感应式电能计量表，其使用方便、性能稳定、便于维护、成本低等特点，由于感应式计量表工作在很窄的频带内，当电压和电流出现畸变，其计量会不断增大，直接影响了用户和电力部门的利益。因此，研究谐波对电能计量的影响以及如何减小电能计量误差，都具有十分重要的现实意义和经济价值。

1谐波产生原因分析

对于谐波源而言，通常会发出几种特定频率的谐波，其谐波功率净值为正值。谐波电流源是主要的谐波源，因为当端电压是正弦波形，其电流也不一定是正弦波。由于基波在和电源相连是会反馈谐波电流到电力系统中，其本身的基波功率不会完全消耗，并返回到电源系统中。电力变流设备和非线性负荷在使用的过程中都会产生谐波，主要原因可以总结如以下三点：

1.1发电原因

发动机的三相绕组制作无法做到完全对称，铁心的质地也会存在不均匀的情况，所以在发动机工作时产生谐波。

1.2输配电系统原因

变压器产生的谐波是输配电系统最主要谐波源。变压器磁化曲线呈非线性，在铁心饱和的情况下，变压器的磁化曲线工作在接近饱和段上，使得变压器磁化电流出现尖项波形，同时也出现了奇次谐波。实际经验表明，当铁心饱和度越高，其产生的谐波电流也越大。

1.3用电原因

在电气设备的使用过程中，特别是晶闸管整流元件容易产生谐波。由于在日常生活中，如充电设备、电力机车、电源开关等都会使用到晶闸管整流元件。另外，单相整流电路装置连接到感性负载时会产生奇次谐波电流，其中3次谐波的含量达到基波的30%；在接容性负荷时则产生奇次谐波电压，谐波含量随电容值的增加而增加。

2谐波对电能计量产生的误差分析

2.1谐波对电能计量准确性的影响

电能计量的准确性取决于是否能够准确计量基波和谐波的总电能。感应式电能表和电子式电能表是电力系统中常用的电脑计量表。电能计量表中的感应转盘在谐波的作用下回产生额外的电磁转矩，使得测量产生误差和精度降低。

2.1.1电磁感应式电能表

在工频变化较窄的情况下，一般采用感应式电能表，当电压和电流为正弦波时期计量最为准确。电磁感应式电流表根据基波原理进行设计，当有高次谐波分量的电压和电流通过时，其旋转圆盘的阻抗会发生变化，同时电压线圈的阻抗亦发生变化，导致电能计量器内部的电流磁通和电压磁通发了变化，使得电磁转盘的在磁通的作用发生变化，产生了电能计量误差。由于基波和谐波在叠加时会产生波形畸变，磁通通过非线性的铁心时，随着波形的变化而产生非线性变化。在电能计量表中产生的畸变电流和电压通过电磁元件后，磁通的波形不会产生对应的变化，电能计量表在计算功率时，其电磁转矩与实际计量所得的功率不相符。

2.1.2全电子式电能表

全电子式电能计量器主要依靠其内部的CPU来进行计量，CPU对不同频率的正弦电压和电流进行采样和计算，并通过内部设置的程序计算所消耗的电能值。电子式计量表对负载基波和谐波产生的功耗和电量进行了计算，理论上排除了基波和谐波产生的误差。但由于谐波电流的方向会发生变化，并且计量表将基波产生的电能和谐波产生的电能相加，导致谐波流向负载时，计量表记录下的电能比实际基波消化的偏小，从而出现了计量误差。另外，全电子式计量表会收到外界的温度、电压和频率等的影响下也会产生误差。

2.2电能计量方式分析

在谐波作用下，电能计量主要有以下三种方式：（1）电能计量表应准确地反应基波和谐波的综合功率，这种同时计算基波和谐波功率的方式被称为电能全计量方式，也是当前普遍使用的计量方式；（2）电能计量表值计算基波功率，不计算谐波功率，称为基波电能方式；（3）电能计量表分别计算谐波功率和基波功率，称为谐波电能方式。

在谐波作用下，采用电能全计量方式会使得电能计量的准确性和合理性产生矛盾。为了解决上述问题，首先必须通过实验的方法，在谐波环境下对电能的计量进行定性分析，并得出其规律。主要采用的方法有：（1）谐波测试方法。其原理较为简单，通过谐波检测仪直接检测谐波对电能计量产生的误差，并进行定量和定性的分析；（2）仿真实验方法。通过利用波形发生器，记录产生的波形信号，在输入到实验用电能表进行分析，从而得到电能表误差的原因。

3提高计量准确性和合理性的对策

电能计量表误差的研究，首先要建立好一个误差模型，并确定好参数和量化概念，全面分析谐波对电子式电能表和感应式电能表的影响。但限于技术原因，基波消耗的能量和谐波消耗的能量很难进行精度的计算。如果对谐波源用户重新分配电价，则供电公司就受到损失，而对非谐波源用户会造成损失。要准确的对电能进行计量，主要在于区分有用基波功率和无用谐波功率。

3.1提高计量准确性的对策

由于电能计量表只计量了基波功率，故首要问题就是要滤除谐波。滤除谐波可以采用硬件实现方式和软件实现方式，但主要使用的是硬件实现方式。硬件实现是选择合适的截止频率，在通过高阶低通滤波器阻止高次谐波进入电能表，达到消除谐波保留了基波。软件方式，一般使用傅里叶算法来消除谐波保留基波。过滤谐波方式，对于受到谐波影响的电力部门和线性用户来，避免了因谐波产生的额外功率。但对于非线性用户来，谐波产生的电能费用，使得电力系统因谐波的影响而遭受损失。

下面讨论分别计量谐波和基波功率的方式，并区分正负功率。该方式采用的智能电表具有一个单片机核心处理单元，利用快速傅里叶算法进行频谱分析，准确的计量基波和谐波功率。其计量是否合理，区分了基波功率和谐波功率，对非线性用户产生的谐波功率有一定的惩罚作用，来弥补电力部门的损失。但其使用较为困难，且成本高昂。

3.2提供计费合理的对策

为了做到电能收费的合理性，在对用户征收基波电能电费时，可以征收附加电费。尤其对于非线性用户，在电网中注入的谐波电能往往不尽相同，必须采取适当的机制，收取一定的惩罚性电费，设用户消耗的总电能为E，负载消耗的电能为E1，则电网中谐波电能损耗为Ek=E-E1，其中Ek>0表示为非线性负载，Ek<0为线性负载。则向用户征收的电费为FH=D1×E1+DH×Ek。其中D1是基波电能电价，DH为非线性用户的惩罚性电价，线性用户DH=0。通过上述计量方式，可以定量和合理地计量非线性和线性用户的电能消耗，解决了谐波对电能计量产生的不合理性。

4结语

本文分析了谐波的产生原因以及谐波对电能计量的影响，在输配电和用户用电过程中都会向电网注入谐波功率，影响了电能计量的准确性和合理性。在电能计量过程中，最主要的问题是将基波功率和谐波功率分开，通过分频技术对基波电能和谐波电能进行分别计量，对吸收谐波电能的用户，应与一定的补偿；而对向电网中注入谐波的用户收取一定的惩罚性收费。因此，在实际生产中严格管理好非线性负荷，减少谐波对电能计量产生的误差，使得用户和企业都可以从中受益。

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（责任编辑：文森）