基于谐波视角的电能计量研究

李明昊　代旭光　高大鹏

摘要：谐波对电能计量的影响是显而易见的，对谐波背景下的电能计量进行研究具有重要的实际意义和经济价值。文章在总结归纳目前谐波影响下的电能计量误差的基础上，综合性地提出相关误差解决措施，可为电能计量工作实践提供参考。

关键词：谐波影响；电能计量；电力系统

中图分类号：TU855 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）27-0023-02

电能作为电力系统收费的依据，其计量的科学性和精准性直接关系着电力企业和电力用户的实际利益。因此，电力计量一直以来就得到了广泛而深入的研究。目前，电能计量装置的设计和应用主要是以线性负荷和正弦电压电流为基础条件展开的，但随着近些年经济的快速发展，电力负荷的迅猛增长，各种交直流换流装置、电弧炉等非线性负荷的应用，导致电流、电压发生畸变现象，即电流、电压有谐波存在，自然会对基于正弦功率理论的电能计量装置的测量精准性造成影响，产生诸多误差，直接影响到了线性用户和电力企业的利益。因此，对谐波背景下的电能计量进行研究具有重要的实际意义和经济价值，文章主要从谐波对电能计量产生的各种误差着手，针对性地提出谐波影响下电能计量误差的解决措施，为电能计量技术的进一步完善和发展提供

助力。

1 谐波对电能计量造成的误差

谐波的存在会对电能计量准确性产生影响，即电能计量误差的出现，而误差的大小直接与谐波条件下的电能表、电压互感器、电流互感器密切相关。以往的研究中，一般忽略了谐波影响下互感器的误差，文章则基于电能计量整体性出发，对谐波影响下的整套电能计量装置误差进行分析，从而为全面解决谐波影响下的电能计量误差奠定基础。

1.1 谐波对互感器产生的误差

互感器的种类较多，目前电磁式互感器的使用较为广泛，因此，本文主要以电磁式互感器为例来分析其在谐波影响下对电能计量所产生的误差，主要包括电压互感器（TV）误差和电流互感器（TA）误差两个方面。

首先是TV误差。经过大量研究表明，二次回路压降引起的误差会对电能计量产生较大影响，因此，本文主要分析二次回路压降对电能计量所产生的误差。对于发电厂和变电站，室外TV一般距安装计量表的主控室距离较远，其间有连接二者的电缆、隔离开关、熔断器和接线端子等电气元件。二次回路阻抗组成包括导线阻抗、接触电阻和元件内阻，二次回路阻抗的存在导致电压互感器二次侧空载端电压与电能表端电压的幅值和相角不同，从而引起计量误差。可以说TV的二次回路阻抗越大，误差也越大，少计的电量就越多。

其次是TV误差。TA的主要误差来源是因为励磁电流的存在导致实际电流比和额定电流比不完全相等，即在正常工作时励磁电流越大，计量误差也会越大。电磁式电流互感器铁芯的磁化曲线为非线性，当一次侧电流大于一次额定电流，铁芯开始饱和，此时一次侧电流继续增大，主磁通增大得很慢，与理想曲线形相比，当一次侧电流值越大，主磁通相差愈大，此时会产生很大误差，造成电能计量得不准确。总之，TA的误差主要来源于内部损耗电流，内部损耗电流越大，误差也越大，少计的电量越多。当TA工作在稳态额定电流时，误差随谐波的变化很小。

1.2 谐波对电能表产生的误差

电能表作为电能计量仪表，其性能在不断得到优化，产品也在不断更新换代，目前电子式电能表以其精度高、抗干扰强等诸多优点而成为应用最为广泛的电能表，因此，文章主要分析谐波对电子式电能表所产生的误差。

对于现在广泛使用的电子式电能表，在谐波条件下，计量算法是对计量准确产生影响的主要原因，因此本文仅研究由于电子式电能表内部点积算法导致的计量误差。点积算法即每隔一定时间间隔对电压和电流分别采样，把得到的数值相乘，然后把瞬时值相加，只要采样频率达到一定数值，点积算法引起的误差就小。这正是电子式电能表的优势，但当含有谐波时，点积算法计量的功率是各个波次功率的代数和，并不区分谐波方向，非线性负荷误差为负，线性负荷误差为正，即非线性用户少计了电量，线性用户被多计了电量。可见点积算法从理论上已经严重影响了计量的准确度，随着谐波功率的增大，电子式电能表的误差也会越大。

2 谐波对电能计量产生误差的解决措施

从以上的分析可以看出，谐波影响下所产生的计量误差是多方面的，必须综合性地采取相关措施来保证电能计量的准确性，文章针对以上误差提出以下解决

策略。

2.1 互感器优化

2.1.1 电压互感器优化。通过上述电压互感器误差，可以从以下几个方面对电压互感器进行优化。

首先是优化电压互感器内部结构。铁芯是有可能产生误差的重要部分，因此避免铁芯的接缝，选用磁密均匀的卷铁芯；铁芯的磁路长度要尽可能的短，适当减少励磁安匝数；铁芯最好应用高导磁率的材质；根据具体情况，磁密适当降低。另外，适当减少绕组的匝数，确定合理的绕组匝数；改进一级绕组和二级绕组的耦合状态；用粗导线绕制；减小每伏匝数。

其次是降低二次侧回路阻抗。经常打磨检查维护导线和接插元件的接头，去掉多余的接点，减小接触电阻；增大导线横截面积，减小导体阻抗。为了减小回路电流，选用多绕组的电压互感器；采用电能表专用的计量线路，引专用线路至电能表。另外，通过应用误差补偿器来补偿电能表二次回路电压的降落，可很好地补偿比差和角差。

2.1.2 电流互感器优化。对于电流互感器，其误差是励磁磁动势所造成的，所以要提高电流互感器的精度，就必须给TA外加一个磁动势来补偿励磁磁动势，使激磁电流降低，可以采用在二次侧进行补偿的方法加以改进。补偿法可分为无源补偿法和有源补偿法，无源补偿法是在二次侧并联固定电容。无源补偿法的缺点是补偿量相对固定，对精度的提高量较小。而有源补偿法具有自动跟踪补偿的特性，能大幅度提升现有电流互感器的精度，因此，本文运用有源补偿法对电流互感器进行优化。

2.2 电子式电能表优化

如上文所述，在谐波条件下，电子式电能表的误差主要是由点积算法引起的，因此，文章在此主要针对点积算法所引起的措施提出相应对策，虽然国内外学者在计量计算方法方面提出诸多方案，如FFT、神经网络、小波变换等，但这些算法相对复杂，在实际中还没有得到广泛应用。因此，在此不作计算方法方面的研究，主要对计量方案优化进行分析。

在谐波条件下，现有的电子式电能表计量的是全波功率，因此，现行计量方案是不符合计量标准的，需要加以优化。目前来看，主要是电网本身来消除电网内的谐波，这显然是不公平的，从长远来看，应该由谐波源用户来进行控制，这就需要用经济手段在一定程度上惩罚谐波源用户，督促谐波源用户尽量减少对电网输送谐波，并自行处理谐波，补偿给受谐波污染的线性用户和电网系统。但目前为止，谐波功率相关处理机制还未形成，这就需要在计量方案方面加以改进。点积算法引起的误差，非线性用户少计了电量，线性用户多计了电量，不合理性显而易见。目前主要有三种计量方案：仅计量全波电能、仅计量基波电能和以计量基波电能为基础，把谐波电能作为对用户奖励和惩罚的依据，可以看出，第三种方案分别计量基波和谐波电量，是符合通过用户来消除谐波影响要求的。为了督促产生谐波的用户自觉治理谐波，建议按基波电量收取基础电费，根据谐波情况惩罚或补贴部分费用。对于电能计量来说，没必要把各次谐波功率都分别计量，这样会增加很多投资，现行点积算法的电子式电能表可继续使用，只需再加装一个只计量基波电能表即可，这样就可以求出总的谐

波功。

3 结语

文章结合笔者经验针对性地提出了基于谐波的电能计量优化方法，对电能计量精度的提高具有一定的实际参考价值，然而在实践中，谐波对电能计量的影响是多方面的，需要从技术和方法等多方面通过电力用户和电力企业的共同努力来减小谐波对电能计量的影响。

参考文献

[1] 孙科.电力系统电能计量误差及解决措施[J].新疆电力技术，2013，（4）.

[2] 黄冰心，龚国兴，赵莉华.谐波对电网电能计量系统影响的研究[J].四川电力技术，2012，（12）.

作者简介：李明昊（1987-），男（满族），辽宁丹东人，国网辽阳供电公司助理工程师，研究方向：电气自动化。