电力谐波对电能表计量的影响

2021-08-13欧君礼

商品与质量 2021年30期

欧君礼

佛山市质量计量监督检测中心广东佛山 528000

电能表表达出的计量数据是电力企业收取电费的凭证。计量数据的准确性、合理性会影响到发电方、供电方、电力用户的经济利益。此外，电力系统的许多技术指标的核算也要借助电能计量数据。受到电力谐波的影响，电能计量的准确性以及合理性会受到影响，这会导致电力企业的许多工作难以实施，用户的经济利益也会受到影响。研究电力谐波对于电能计量产生的影响，找出解决措施，是电力系统要解决的重点课题[1]。

1 电力谐波的产生与危害

1.1 产生电力谐波的原因

谐波的产生是由于存在谐波电流源，多源于变压器的励磁电流以及发电机的转运。由于大量的电子设备得以应用，电子设备及元器件会成为谐波源。一般条件下，电压存在的正弦基波作用于非线性设备时，设备的电流和电压波会受到影响，电流的波形会有所改变。电网存在联通性,谐波会进入到输电网络中,谐波源因此产生。

1.2 电力谐波存在的危害

电力谐波会对变压器产生影响。在电源起初接通的初始阶段,变压器中会存在巨大的谐波电流,会高于额定电流数倍,但是由于持续时间较短，不会对变压器正常运行产生危害。但是由于谐波存在的谐振，电流会被放大，变压器的寿命会受到影响，还会影响到电动机。基波的频率要低于谐波,电动机处于磁滞、涡流、集肤状态下,能耗会增加。此外，由于谐波电流的存在，电动机的额外损耗、铁损等会增加。会影响到电力电容器。电容器具有特殊的性质,与其他电子产品相比，更易受到谐波的影响。由于谐波的存在，通信线路会受到干扰,会通过电磁感应、电气传导、电容耦合对通信线路产生影响。在通话中,由于谐波的作用会影响到通话质量。在基波的作用下，通讯设备的稳定性会受到影响[2]。

2 电能计量中谐波所造成的影响

2.1 电谐波导致计量不合理

基于理论角度，计算电能要结合基波电能以及谐波电能的累计。在实际中，电力系统的运行条件较为复杂，电能计量会受到谐波干扰的影响，因此计量的合理性受到影响。

（1）电能表计量要计算基波电能，还要针对谐波电能。而电能负荷处于线性条件下，电能表达为非正弦。电力用户由于受到谐波的作用，电能表计量数据因此难以保证准确，用户电费计量的收取丰承不合理因素。

（2）电能负荷如果在线性负荷条件下是最为有效的状态，但是电网的实际运行并非处于理想条件下。电能负荷如果在非线性负荷条下，谐波功率就会产生，部分电流因此会进入到电力系统中，电能表计量方法表达为基波电能和倒进入系统的谐波电能。由于受到非线性负荷作用，不仅会有谐波污染，还会使电能表计量数据偏小，电力部门会受到经济损失。

（3）如果电能负荷处于非线性负荷条件下，电源会发生变化，电网中的负荷处于运行状态时会受到基波电能与谐波电能的共同作用，部分谐波会进入到电网中，电网运行的会受到干扰[3]。

2.2 电谐波影响到电能表计量的准确性

电力系统谐波会对电力计量的准确性产生影响，此类影响是指在谐波电流与电压的共同作用。电能计量当前采用的电能表主要为电子式电能表，还有部分感应式电能表。在电能测量中，电子式电能表会受到各类信号波的影响。由于电流存在正函数的正交性，电流信号发生畸变，功率电压也会发生畸变，引发计量误差。其原理如图1所示。如果误差很少，能忽略不计，计量的准确性不会受到太多的影响。电网中的电流和电压受到互感器的作用产生了弱信号会进入到电能表中，这导致互感器在非线性特性作用下信号发生畸变，电能表的计量数据存在误差。感应式电能表的应用原理是通过对特定频率的识别来生成数据。如果电能表的数据受到波形畸变的影响后，会影响到电能表的频率响应。由于电流与电压的波形变化会背离正弦波，因此电能表计量的计量准确性会受到电力谐波的不利影响。

图1 电子式电能表的原理框图

3 电力计量中控制电力谐波影响的主要措施

3.1 计量采有全能量电能法

全能量条件下的计算方法针对电能有用功,这种方法的优势是特别适用于电子式电能表的计量,可以有效降低电子式电能表计量电能存在的数据误差。由于存在电力谐波，电力用户计量带有了额外电能,这会增加线性负荷用户的电费,但是会减少非线性用户的电费计算,因此方法可以适合用电力谐波较小、影响力较弱的供电系统中[4]。

3.2 计量采用基波电能

分析基波电能可知,电能计量多针对线性负荷用户,与常规的计量方式有所不同,这种方式可以有效消除线性负荷用户多缴纳电费现象。对于一些电力系统或者电力用户来说，如受电力谐波的影响较大,其安装的电力设备会对电子式电能表、感应式电能表中的回路产生滤波,在此种条件下,有效功率多属于基波电流。应用基波电能计量法能有效消除电力谐波对于计量数据真实性产生的不利影响。

3.3 加权系数的计量法

此计量方法的特点是将基波电能计量法作为前提,借助加权系数而进行电能计量的一种方法,当前此方法由于出现时间不长，还在探究阶段,但是借助此方法计量的数据可以真实体现出基波电能，准确表达谐波电能,此种计量方式因此可以广泛适用于大中型电力用户，特别是应用于电力谐波污染严重的电力用户。随着电力技术的发展，计量技术的进步,此种方法的应用会受到电力企业的广泛认可。

3.4 电力谐波的合理利用

面对电力谐波存在的不利影响，当前电力计量可借助多种方式对其合理利用。①针对电力系统存在的谐波，为了保证电力计量的准确可将其过滤或忽略，此种方式有利于提升电表计量的抗干扰效果，测量多针对基波功率。②有效提升电表功率的反应敏感性，针对实际发生电量，电能计量表可以准确显示，保证电量计量的便捷、准确。此类计量方式实现了基波功率与谐波功率的累加，一起加以计算。电能在实际计量时，不区分基波与谐波。③电能在实际的计量中，基波功率与谐波功率有了明确的表达，保证基波功率和谐波功率能准确计量。

3.5 提升谐波测量的可靠性

就目前技术条件来看，电力计量多采用的计量方式是全能化的，基于此种计量模式下，需要基波与电力都在稳定的条件下才可以保证计量的准确性。电力谐波对于计量方式产生的干扰作用如果高于设备可以承接的范围，电能计量结果会受到很大的影响，因此会产生计量误差。为了消除谐波对电能计量的影响，电能计量时要区分基波和谐波，还要区分出计量基波和谐波的变化幅度。解决谐波问题可以提升谐波测量的准确性。针对谐波的测量，既监测配电网中的谐波含量，还要分析谐波的潮流方向，监测谐波的流向，对于正反向谐波加以计量，要分别对谐波占有率、谐波电流电压的变化幅度、相位的计量。当前电力谐波测量有多种方法：①测量顺势无功功率；②借助傅立叶变幻加以测量；③采用小波测量；④采用模拟带阻加以测量。针对谐波无论采用什么要的测量方法，都要分析不同方法的优缺点。在电力谐波的测量中，当前主流方法是傅立叶变化方式。

3.6 提升计量方法的准确性

目前,许多电力用户属于非线性,电能计量要保证准确性的核心是准确分析出电力系统的谐波功率，还测量出吸收的谐波功率。测量谐波功率的影响,才可以准确计量电能,客观分析谐波对电网造成的不利影响。电能计量可以采用谐波源判断以及识别技术,针对谐波阻抗与功率潮流检测能准确计量谐波功率,确保电能计量不会受到谐波功率的负面影响,保证计量的准确性。针对冲击性负荷,数字式电能计量基于FFT时域内没有应对局部变化的能力,电能装置中要具有时—频局部变化分析能力，以实现小波变换,使用此类方法,冲击性负荷条件下可以准确计量电能的实际消耗量。