最大限度减小谐波源用户造成计量电能的损失

覃伟光　覃文博

摘 要：谐波源用户产生的谐波分量会造成计量电能表少计用电量，根据一些科研单位和电能表厂家联合所做谐波电能表挂网试验的结果表明，在炼钢行业的损失率达到0.73%左右，致使供电企业和国家的利益严重受损。所以，供电和电网企业应积极寻求得到技术上和法律上的支持以减小损失。

关键词：谐波源用户；电能表；损失

1 前言

近年来，微电子以及电力电子技术快速发展，大量非线性负荷如可控硅整流设备、电力电子调频以及电弧炼钢炉、电铁牵引等加入电网。这些负荷对电网造成很大的干扰，使电网的波形发生了畸变，不再是单一的50Hz正弦波形。还包括一系列频率为基波整数倍的正弦波分量，这些分量称为谐波。电网中谐波成分超过一定程度将会引起严重危害。电网以三相正序正弦波形向用户供电，实际运行中由于谐波源用户会产生寄生在电能正弦基波上的高次谐波，这些高次谐波将会对电能计量的准确性造成严重影响。文章将从基本概念和谐波影响机理出发，寻求最大限度减小谐波源用户造成对计量电能的损失的有效方法。

2 谐波功率、电能的计量原理和方法

2.1 谐波功率P的计量原理：

其中：

Pi为各次谐波的功率，在实际测量系统中可以通过DFT（离散傅立叶变换）求得电压、电流信号的各次谐波幅值Un、In以及同次谐波电压、电流之间的相角，从而通过上式求得各次谐波功率。

2.2 谐波电能Eh的计量方法

谐波电能Eh的计量方法可以按照以下两种方式计算：

方法一：Et为总电能，可按乘法器原理或者用FFT（快速傅立叶变换）结果计算总功率对时间的积分；E1为基波电能，是基波功率对时间的积分。那么，Et与E1的差值即为谐波电能Eh：

Eh=Et-E1

方法二：根据傅立叶变换的结果，计算各次谐波功率的矢量和对时间的积分，即为谐波电能：

采用方法一通过FFT分析计算的基波计量精度可以达到0.5S级甚至更高，因而谐波电能的计量精度较高。

采用方法二需要对每次谐波的功率进行校正，才能达到较高的精度。

3 谐波源用户对电能计量的影响机理分析

电网电压电流是以120°相位差的正弦波组成，电能参数包括基波电压、基波电流、负序电压、负序电流、谐波电压、谐波电流、功率因素、基波功率、谐波功率组成，当电网的非线性负荷和冲击性负荷增加时，在电网电压电流正弦波上叠加有非线性和非对称性的高次脉冲，使电压、电流波形畸变为包含高次谐波的正弦载波，电网的高次谐波对电能计量的准确性是有影响的，当谐波含量满足国标规定时，误差影响微小；当谐波含量超过国标规定时，无论是电磁感应式电能表还是全电子式电能表，误差影响均较大，即谐波含量愈高影响量越大，电能计量误差也越大。

为了合理计量用户消耗的有功电能，在选用贸易结算电能表时，针对含高次谐波的用户，不仅要求用户按国标的要求进行谐波治理，还应选用具有计量谐波电能的谐波电能表来弥补计量上的损失。

4 谐波电能表的构成与计量方法实现

4.1 谐波电能表的构成

三相多功能谐波表可采用16位A/D转换器和DSP高速数据处理器对各相电流、电压进行采样，完成电量的测量、电能的累计、谐波分析、谐波电能及谐波电量的计算等工作。仪器采用ADC+DSP+MCU结构形式，其中，ADC选用ADI公司16位高速、低功耗、6通道同步采样芯片AD73360L，各通道可提供76dB信噪比到直流4 Hz信号带宽，具有较强的抗干扰能力；DSP选用ADI公司具有丰富通信接口、高运算速度数字信号处理芯片ADSP-BF533；管理MCU选用RENESAS公司的低功耗、高性能、多资源单片机M30624FGPFP。

图1 谐波电能计量系统结构框图

4.2 谐波电能计量方法实现

如图1所示，电网电压、电流分别经过电阻分压网络、电流互感器（TA）与电阻取样网络进行信号调理，再经6通道同步ADC转换器AD73360L完成三相电压、电流信号实时同步采样。采样数据通过SPORT接口送至ADSP-BF533数据处理单元，通过基于Hanning窗（余弦窗）+双峰插值FFT算法对电流、电压波形数据进行频谱分析，分离出基波分量及2～21次谐波分量，凭借其高速处理能力完成电参量测量、谐波分析、谐波电能计量等任务。处理结果通过异步串口发送至MCU管理单元，由M30624FGPFP配合各外围模块实现显示、数据统计、存储、通信以及功能选择等工作。

5 最大限度减小谐波源用户造成对计量电能的损失

目前，从国内外的表计厂家来看，大部分厂家（如兰吉儿、华隆、华立、等）的谐波表大都只对电网中的谐波进行了幅值和相位的分析，而未对谐波电能或功率进行计算，按上述设计而生产出来规格为电压3X220V/380V、电流1.5（6）A的三相多功能谐波电能表，经省级计量鉴定机构（湖南省电力公司计量中心）检定，测量该表的准确度达到：基波有功测量误差≤0.2%，基波无功测量误差≤1%，2～21次谐波电压测量误差≤2%，谐波电流测量误差≤5%，谐波相位测量误差≤5°，满足GB/T 14549-93的A类谐波测量仪器要求。这样，就能很好地解决谐波源用户造成计量电能损失的问题。

作为供电和电网企业应要引起足够的重视，积极想方设法解决这个问题，切实挽回损失。就目前的状况来看，技术上已经能够满足要求，因为很多厂家都能够生产谐波电能表，但很难获得生产许可证，涉及谐波电能计量方面的法律法规已经不相适应和滞后，这是关键问题。所以，供电和电网企业若能发挥自身资源上的优势，努力寻求得到法律上的最大支持，那么，这个老大难问题就会迎刃而解了。

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