浅谈谐波对电能表计量的影响

陈岚

(台州市计量技术研究院,浙江台州 317000)

浅谈谐波对电能表计量的影响

陈岚

(台州市计量技术研究院,浙江台州 317000)

谐波对电能表计量的精确度影响较大。随着技术的发展,电子设备在电力系统中得到大量的运用,这些设备自身的非线性因素使电力、电压电流波产生了畸变,由此产生了大量的谐波。谐波会对电力系统以及电力设备造成危害,由于现代电能表的计量方式是以基波为准的,谐波的产生会严重干扰电能表的计量方式,因此影响到了电能表计量的准确性。

谐波 感应式电能表 电子式电能表 影响

1 引言

随着技术的进步和经济的发展，电力系统中加入的电力设备存在的非线性，产生了大量的谐波。谐波传入电网以后，造成电力系统电压、电流波形发生畸变，污染了电网的环境。同时由于电力供电公司是的通过电能表对用户用电量进行核算，因此，电能表计量结果是否准确直接影响到供电公司的经济效益。电网中谐波的存在会对电能表计量产生影响，从而影响到电力计量的准确度。

2 谐波的含义

2.1 谐波的定义

在实际运用当中，人们总是希望得到正弦波的电流、电压波形，但是由于大量非线性荷载的存在了，造成了电压电流波形产生畸变。国际电工标准对谐波定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。对谐波次数定义为：以谐波频率和基波频率之比表达的整数。一般规定电力系统工频为基波频率。在供用电系统中，正弦电压可表示为，其中U为电压的有效值；α为初相角；为角频率。正弦电压施加在非线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。

图1 感应式电能表的频率误差特性曲线

图2 电子式电能表的工作原理示意图

图3 电子式电能表的频率误差特性曲线

2.2 谐波的危害

谐波的危害是多方面的，不但会污染电力系统的运行环境而且会：

(1)造成电力系统设备损耗。

(2)影响电气设备使用效果，縮短设备的使用寿命。

(3)造成测量仪表不准确，对电力运输产生影响。

(4)引起局部的并联谐振和串联谐振，使谐波放大，对电力系统造成危害。

(5)使通信系统受到干扰，引起通讯设备无法正常工作。

(6)造成巨大的经济损失。谐波降低了设备的使用寿命，提高了电力生产成本，同时由于计量的误差，对电力系统造成经济损失。

3 谐波对电能表电能计量影响

3.1 研究现状

传统的对电能的计量方式是以线性负载为前提的，但是感应式电能表的铁磁元件是非线性的，因此在电力输送过程中，电网中以及感应式电能表绕组和圆盘中存在的谐波必然会影响电能表的计量结果。

上世纪对感应式电能表的研究主要是对实验结果的分析。如林杰的《谐波对电能计量影响的研究》一文较早探讨了如何利用谐波测试技术对电能表计量进行研究。韩宵汉在《电子式电能表的应用浅析》一文中通过建立感应式电能表的频率响应模型，来解释谐波对感应式电能表的计量误差的影响。这种模型在研究中应用范围很广。

电子式电能表的使用历史较短，因此国内外对它的研究还不是很充分，主要集中于对电子式电能表的电路设计和工作原理的说明。国内的文献主要有赵渊的《电力系统谐波分析仪算法研究》；张伏生的《电力系统谐波分析的高精度FFT算法》；许文进、麻寿光的《电子式三项功率变换器的设计》等。这些文章发表较早，为我国对电子式电能表的研究提供了借鉴的作用。随着技术的进步与发展，人们开始研究如何提高电子元器件性能进。韩松林《时分割乘法器式交流功率转换器的动态误差分析》，主要是对脉冲调宽器的相移误差进行研究。胡博《0.5级电子式电能表的设计与实现》则建立了时分割乘法器的误差仿真计算模型，进行电子式电能表的计量误差分析。

3.2 谐波对电能表计量的影响

3.2.1 谐波对感应式电能表计量的影响

当感应式电能表串联到电网中以后，由于谐波的影响，使电能表内的电压线圈阻抗和转盘阻抗发生改变，造成工作磁通发生改变，从而影响到感应式电能表的计量精度。同时电能表内部的铁芯是非线性的，因而当由谐波和基波叠加而成的电压、电流波会发生畸变时磁通不能够做出相应的线性变化，磁通相互作用才能产生转矩。磁通不与波形形成线性关系，导致转矩与平均率之间呈非线性的变化关系，造成了附加误差的产生，从而影响到电能表计量的精确性。平均功率的产生是在同频率的电流电压下产生的。

存在谐波功率时电能值可以表示为：

可以通过研究畸变波形下电能表的运作状况来分析感应式电能表的频率特性。一般来说感应式电能表频率特性曲线平坦与否表明了其在谐波功率下的计量的精确程度。感应式电能表的频率误差特性曲线如图1所示。

由图可知当频率在100Hz时，相对误差达到最大值，之后随着频率的增大，相对误差就会降低。之所以出现这么大的误差主要是因为感应式电能表内部的转盘并非纯电阻，其中含有感性成分，当频率增大时，阻抗角随频率的增大而增大，这样电能表的转速就会变慢，就会产生较大的误差。

感应式电能表的计量方式属于全电能计量，不可能对对用户进行线性区分。对于线性用户，基波与谐波功率方向一致，电能表计算时会包含谐波电能，造成线性用户蒙受经济损失的同时，还有受到谐波的危害。反之，对于非线性用户，在自身消耗谐波的同时，会向电网反馈谐波，因此，计量结果小于基波电能。

3.2.2 谐波对电子式电能表计量的影响

电子式电能表是通过对采样电压和电流信号进行处理并相乘转换成与电能成正比的脉冲输出，通过计度器或数字显示器显示的一种新型测量仪表。电子式电能表具有防窃电能力强、计量精度高、负荷特性较好、误差曲线平直、功率因数补偿性能较强、自身功耗低的特点。

电子式电能表计量原理是采用集成运算放大器按时分割原理，通过测量和计算电路的电压与电流的乘积，之后由V/F转换器将乘积转换为为脉冲信号，将计量结果显示出来。电子式电能表计量特点在于当电路中的电压与电流波只有一个发生畸变，且另一个正常时，电子式电能表的计量误差很小，可以忽略不计。但是当电压与电流波都发生畸变时，由于电子式电能表比感应式电能表又有更宽的频率，就可以进行谐波功率的计量。这样导致了电子式电能表计量时会把基波功率和谐波功率一同进行计量，结果会导致计量误差大大超过感应式电能表的计量误差。电子式电能表的工作原理如图2所示。

电子式电能表的工作原理如下。电能表首先对电压、电流进行采样，将采样的信号通过模拟乘法器得到功率，在经过ADC转换器将功率转化为频率，通过频率来对电能值进行计数。从电子式电能表的整个工作流程来看模拟乘法器的准确度直接决定了电子式电能表的计量准确度。在使用电子式电能表进行测量时，由于电网中的电压、电流需要进行互感器转换才能送入电能表之中，所以互感器的准确度也会对测量结果产生影响。如果所用的互感器是存在非线性，同感应式电能表一样，畸变信号经过互感器以后，对谐波成分不相同，造成了最终误差变大。电子式电能表的频率误差特性曲线如图3所示。

由上图可知，电子式电能表的相对误差曲线较为平坦。误差的变化幅度不大。在数值计算时，由于电子式电能表是将电压和电流的瞬时值分别采样并作运算，也没有将基波和谐波加以区分，所计量的是基波电能和和各次谐波电能之和，因此，电子式电能表也是全电能计量方式。电子式电能表是也是以总的畸变波形进行计算的，其计量原理与感应式电能表的计量方式相似，都是全电能计量。因此对于线性用户来说，仍然是会交谐波部分的电费，对于非线性用户来说，电能表会少计量电能。

4 结语

随着我国电力市场的向新城市、新领域的不断拓展，对电能表计量的高效性、准确性、智能性提出了更高的要求。目前来来看针对电能表计量的精度问题是未来的研究趋势。如何更好的进行电能计量，及时调整电能表的误差，减少谐波的影响，进而保护好发电企业、供电企业和用户三者之间的共同利益。对未来电力企业的发展具有重要的意义。

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