谐波对电能计量准确性影响的分析

周得红/国网青海省电力公司海东供电公司

谐波对电能计量准确性影响的分析

周得红/国网青海省电力公司海东供电公司

电能计量装置作为电力系统的重要组成部分，其计量的准确性直接关系到供、用电双方的合法权益，而且电能计量还是电力企业进行收费的重要依据，所以电能计量装置精准对电能进行计量具有非常重要的意义。目前电力系统中非线性设备使用的频率较高，这就避免不了会有大量的谐波产生，从而对电能计量产生影响。文中从谐波产生的原因入手，对谐波对电能计量产生的误差进行了分析，并进一步对提高计量准确性和合理性的对策进行了具体的阐述。

电力系统；谐波；电能计量

前言：谐波相对于基波来讲，其幅值较小，但其频率却是基波的整数倍，所以对于按照正弦波为工频进行设计电能计量仪表来讲，其会在谐波的影响下导致电能计量误差的产生，从而对供、用电双方的合法权益带来损害。所以需要对谐波进行深入的分析，从而减少其对电能计量装置所带来的影响，确保电能计量的精度。

一、谐波产生原因分析

目前电力系统中的变流设备和非线性负荷在使用过程中都会有谐波产生，而且谐波源通常都会发出几种特定频率的谐波，而且谐波功率净值为正值，最主要的谐波源为谐波电流源，导致谐波产生的主要原因可以归纳为以下几点：

（一）发电原因

发动机在运行过程中，不仅其三相绕组在制作上不能做到完全对称，而其铁心质地也会存在不均匀的情况，所以在具体工作中会有谐波产生。

（二）输配电系统原因

变压器磁化曲线呈非线性，当变压器运行过程中，其铁心处于饱和状态下时，这时磁化曲线在工作时也接近于饱和状态，从而导致磁化电流出现尖项波形，并有奇次谐波产生，通常情况下，铁心饱和度越高，其谐波电流则会越大，可以说在输配电系统中，变压器是最主要的谐波源。

（三）用电原因

很多电气设备中都有晶闸管整流元件，这个元件在电气设备运行时极易导致谐波产生。同时在单相整流电路装置与感性负载进行连接时，也会导致奇次谐波电流产生，而且谐波含量也会随着电容值的增加而增加。

二、谐波对电能计量产生的误差分析

（一）谐波对电能计量准确性的影响

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..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。

（二）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：一是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；二是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；三是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：一是谐波测试方法。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；二是仿真实验方法。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。

三、提高计量准确性和合理性的对策

（一）提高计量准确性的对策

电能表在计量过程中只对基波功率进行计量，所以需要将谐波滤除掉。在进行谐波滤除时往往可以采用两种方式进行，即硬件和软件实现方式。但在实际应用中，通常会采用硬件实现方式，通过对合适的频率进行截止，然后再高阶低通滤波器作用下，将要进入到电能表中的高次谐波进行阻止，这样就可以有效的将谐波消除掉，而对基波进行保留。而在软件方式中消除谐波是通过傅里叶算法来进行的。通过过滤谐波方式，使在谐波影响下的电力部门及线性用户有效的避免了由于谐波产生的额外功率，但对于非线性用户来讲，在存在谐波的情况下，会导致在谐波作用下产生电能费用，从而导致用户受到损失。

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。

（二）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。

四、结束语

在电力系统运行过程中，无论是输配电还是用户用电过程中都会有谐波功率的产生，从而对电能计量带来较大的影响。所以为了能够电能计量的准确性和合理性，则需要将基波功率和谐波功率分开，然后利用分频技术分别对基波电能和谐波电能进行计量。同时在实际生产过程中，还需要加强对非线性负荷的管理，这样可以有效的对谐波导致电能计量的误差进行有效的控制，从而更好的维护用户和电力企业的合法权益。

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