基于谐波电能表的电能计量模式探讨

2018-10-15吕几凡胡瑛俊沈建良傅晓平

浙江电力 2018年9期

吕几凡，胡瑛俊，沈建良，姚力，傅晓平，贺民，申坤

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江嘉兴 314000；3.国网浙江省电力有限公司宁波供电公司，浙江宁波 315000；4.国网山东省电力公司禹城市供电公司，山东禹城 251200）

0 引言

电能作为电网公司与电力用户之间交易的商品，是以准确、公平的计量为前提[1]。随着电力电子技术及设备的发展与应用，非线性负荷快速增加，导致电网中的谐波水平不断增加。电网中的谐波一方面会对电力设备、用电设备以及通信设备的寿命及运行产生影响，增加运行成本；另一方面也会对谐波功率分摊、电能计量准确性以及电费合理收取带来挑战。

为了验证谐波电能表（以下简称“谐波表”）基波以及谐波的电能计量和电能质量测量等功能，积累谐波表应用经验与数据，探讨基于谐波表的不同电能计量模式，自2017年10月在宁波、嘉兴等地开展了谐波表试点应用。本文重点对此次谐波表试点应用中的电能计量数据进行分析，并探讨基于谐波表的电能计量问题。

1 谐波电能计量问题

谐波电能计量主要问题在于谐波电能计量准确性以及谐波电能计量分摊2方面。

1.1 谐波对电能表计量准确性的影响

当前，电能计量普遍采用的是全波电能计量的模式，即总电能E等于基波电能E1与各次谐波电能Eh（h=2，3，…，n）的代数和。但受电能表频率响应曲线以及电能表电压采样回路与电流采样回路带宽的限制，谐波次数越高，谐波电能越少，高次谐波电能的计量越不准确。

1.2 谐波电能计量分摊

以简明的供电系统示意图，分析说明供电系统中存在线性及非线性负荷情况下的电能计量情况[2-6]。

图1中的U源等效为供电系统中的电源，Z源，Z线路，Z线性负荷，Z非线性负荷分别等效为供电系统中的电源阻抗、输电线路阻抗、线性负荷阻抗以及非线性负荷阻抗。假定供电系统中的电源为理想条件，不计及背景谐波等因素，发出基波功率P源，在被电源阻抗、电压阻抗吸收了一部分后，流向负荷的功率 P负荷=P线性负荷+P非线性负荷。

图1 供电系统示意

非线性负荷吸收的基波功率中除了用于维持用电设备运行的功率外，另有一部分被用电设备转化成了谐波功率P谐波，方向与基波功率相反，由负荷流向系统与线性负荷，即 P谐波=P谐波（系统）+P谐波（线性负荷）。因此非线性负荷接入点的功率为P非线性负荷总=（P非线性负荷-P谐波）＜P非线性负荷。

线性负荷由于谐波功率 P谐波（线性负荷）的存在，受到谐波的污染，且谐波功率方向与线性负荷吸收的基波功率P线性负荷相同，线性负荷接入点的功率为 P线性负荷总=（P线性负荷+P谐波（线性负荷））＞ P线性负荷。

电能等于功率对时间的积分。线性负荷与非线性负荷吸收的电能分别用公式（1）和（2）表示。从理论分析可以得出，谐波功率是导致计量误差的主要原因之一，按照当前普遍采用的全波电能计量方式，可能存在线性用户多计量电能、非线性用户少计量电能现象。

式中：T为时间周期。

2 谐波表计量原理

由前一章节所述可知，在谐波影响下选择谐波表对正反向基波电能与正反向谐波电能分别进行计量的方式更加有效。

谐波表硬件架构如图2所示。谐波表中采用高精度模数转化芯片通过高速同步信号接口与DSP（数字信号处理器）连接[7-10]，将电压、电流采样数据实时采集到DSP中进行处理；高速DSP芯片作为信号处理单元，负责全波、基波以及谐波等电能的计算，其中全波电能计量采用经典有功、无功电能计量算法对全波电能计量采样数据进行计算，基波电能计量是通过FIR（有限冲激响应）滤波器对全波进行滤波得到基波电能后进行计算，谐波电能计量则是采用FFT（快速傅里叶变换）得到h次谐波电压和电流的有效值与相位值，求得两者间夹角，进一步得到谐波总功率、谐波总电能与各次谐波功率、各次谐波电能；ARM（高级精简指令微处理器）作为逻辑控制MCU（微控制单元），负责控制电能表整体的运行控制，负责实时从DSP芯片中获取计量数据结果。

图2 谐波表硬件架构

3 谐波表试点应用情况

3.1 试点应用方案

试点应用选择了嘉兴、宁波两地7个非线性用户，负荷类型主要包括金属加工制造、纺织品制造、塑料制品加工、新能源发电及化工与食品加工等，谐波污染源包括注塑机、光伏逆变器、织机、金属切割机、电焊机及车床等设备。谐波表安装点用户负荷情况以及表计信息详见表1。

谐波表由宁波伟吉、烟台东方以及长沙威胜等厂家提供，安装前均进行了误差测试，其误差在精度等级的允许范围以内。在宁波王龙科技、余姚五星金属两个试点中安装了不同的谐波表以进行比对。

表1 用户负荷情况以及表计信息

3.2 试点应用数据

工作人员采集了自2017年11月5日起谐波表近1个月的实际运行数据，详见表2—4。

表2 全波电能量数据对比

3.3 数据分析

以下从谐波表以及谐波电能计量2个方面进行分析。

（1）谐波表所计量的全波有功总电能与常规智能电能表（简称“常规表”）所计量的正向有功总电能相比：经互感器接入式的计量点两者累计走字差异在0.1%左右，两者数值接近；直接接入式计量点两者差异为0.37%。

（2）经对比发现，宁波王龙科技、余姚五星金属2个计量点中不同谐波表各项电能计量数据基本一致。

（3）常规表所计量的正向有功电能基本上要小于谐波表所计量的正向基波有功电能，以及小于正向基波有功电能与反向谐波有功电能的绝对值之和，与理论分析基本一致。

（4）谐波表实现了全波、基波与谐波正反向电能计量的功能，为供电企业提供了灵活多样的计量方式，包括：采用常规表计量；采用谐波表计量的正向基波有功电能与反向谐波有功电能绝对值之和（计量模式1）；采用谐波表计量的正向基波有功电能（计量模式2）。以5号用户为例，试点期间若按常规表计量，应收取144.23 kWh的电量电费；如果按照计量模式1，则应收取144.69+0.48=145.17 kWh的电量电费，两者相差0.94 kWh，考虑到互感器综合变比6 000，折算下来，可为电网公司挽回5 460 kWh的电量损失，以1元/kWh收费，全年可挽回损失65 000余元。如果按照计量模式2，则应收取144.69 kWh电费，两者相差0.46 kWh，结合互感器综合变比6 000，可为电网公司挽回2 760 kWh的电量损失，以1元/kWh收费，全年可挽回损失33 000余元。

（5）谐波电能与基波电能相比，占比较小，普遍小于1%。试点中用户电流畸变率略严重，而电压畸变率较小，导致谐波电能却不大的情况，无法真实反映负荷谐波实际对电网的危害（例如，谐波电流含量为100%，谐波电压含量为1%，谐波电能也只有基波电能的1%），因此除考虑按正向基波电能或者正向基波电能与反向谐波电能的收费方式外，还可以引入其他数据指标，如IEEE 1459-2000标准中规定的谐波污染因数等相关指标。

4 其他问题

关于谐波电能计量收费的问题还存在争论，计量模式主要有全波电能计量、基波电能计量以及基波电能加上谐波电能计量3种，每种模式对于不同类型的用户负荷不尽相同。对于纯电阻性线性负荷，基波与谐波都在做功，全波电能计量模式较为合理；对于只利用基波做功的线性负荷，基波电能计量模式相对合理；对于非线性用户，从谐波治理的角度考虑，采用基波电能加上谐波电能模式，进行一定惩罚性质的计量计费对供电企业以及线性用户来说更为合理，但要以合理分清谐波来源为前提，这也是推广谐波电能计量的难点，在技术成熟前可采用基波电能计量模式代替。

另外，DL/T 645-2007《多功能电能表通信协议》中抄表规约对谐波电能、电能质量相关数据的格式未作明确与扩充，当前都由各电能表厂家自行定义，现有的抄表终端、用电信息采集系统数据格式无法兼容，导致现场抄表效率不高。