谈谐波对电能计量的影响

【摘要】：随着电子技术的发展，在用电过程中产生的非线性负载数量持续增长，导致大量谐波进入电网之中，其后果是非常严重的，会造成电压、电流发生畸变，也对电表构成破坏，用电量计量不准。本文中对谐波产生的原因进行了探讨，同时提出了相关建议。

【关键词】：谐波；电能；计量；原因；措施

中图分类号：F407.61 文献标识码：A 文章编号：

随着我国经济发展，人民生活水平越来越高，很多大功率的电子设备进入千家万户，所产生的大量非线性负荷的产生，因此有大量谐波被注入到电网之中，影响到电力系统的电压和电流波形，使得测量仪器、计量仪表计量不准，给电力企业造成严重的影响。因此，研究电力谐波对电能计量的影响及解决措施具有重要的意义。

一、谐波产生的原因及测量方法

（一）谐波产生的原因

1、发电源的质量不高因此产生谐波。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对的对称,而铁心也很难做到绝对均匀一致，加上其他方面的一些原因，发电源因此多少会产生一些谐波，但一般来说很少。

2、输配电系统产生的谐波，输配电系统中主要是电力变压器产生谐波。由于变压器铁心的饱和,磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大。

3、用电设备产生的谐波，主要是晶闸管整流设备。作为当前应用比较广泛的晶闸管整流装置，其在工作是通过移相控制从电网中吸收缺角的正弦波，同时在电网中留下含有大量谐波的另一部分正弦波，给电网造成污染。而目前晶闸管整流技术被广泛的应用于电气化铁道、电力机车、铝电解槽和开关电源等设备和设施中，使得大量的高次谐波注人电网，给电力系统造成严重影响。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。统计表明，由整流装置产生的谐波占所有谐波近40%，这是最大的谐波源。

4、电弧型设备

电弧型设备主要有电弧炉、感应熔炼炉等，电弧炉的原理主要是利用电极与金属炉料之间的电弧放电所产生的热量达到给金属炉料加热的炼钢装置，在实际生产中各电极很难与高低不平的金属炉料同时均衡接触，使得三相电极产生的电弧不稳定和三相间的负载不平衡，从而产生了谐波电流，谐波电流通过变压器而注人电网，给电力实施造成一定的影响。

5、民用电器

随着人们生活水平的日益提高，各种各样的家用电器诸如电视机、电脑、调光灯具、录像机以及调温炊具等都在家庭中广泛使用，而这些家用电器上使用的调压整流元件会直接产生奇次谐波，虽然家用电器功率都不大，由于数量巨大综合起来就会是个不容忽略的数据。

（二）谐波测量方法

谐波测量是解决谐波问题的关键，它是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。通过对谐波的测量，可以实时地监测电网中谐波的含量及其潮流方向，借此分析谐波的流向，计量正反向谐波电量、各次谐波的含有率、谐波电压电流幅值、相位等参数，为电力部门制定相应的谐波治理政策提供必要的依据。由于谐波具有非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量。目前电力谐波测量的主要方法有以下几种：采用模拟带通或带阻滤波器测量；基于傅立叶变换的谐波测量；基于瞬时无功功率的谐波测量；基于神经网络的谐波测量；利用小波方法的谐波测量。这些方法各有优缺点，其中基于傅立叶变换的频域分析是谐波测量当今应用最多也是最广泛的一种方法。

二、谐波对电能计量的影响

（一）谐波对电磁式电能表的影响

传统的电磁式电能表是利用处在交变磁场金属中的感应电流与有关磁场形成力的原理制成，由于这类电能表是按照工频正弦波设计制造的，只能保证在工频范围很窄的频带内具有最佳的工作性能，当电力系统中的波形发生畸变，感应式电能表不可避免地会产生计量误差。

根据图l得出：电磁式电能表的电能计量误差频率特性曲线呈迅速下降趋势；计量误差随频率的增高而增大；谐波频率为20倍频(1000Hz)左右时，误差超过了-90％；不同功率因数下的误差值有一定的差异。

从计量原理上对电磁式电能表进行分析，得出电磁式电能表在谐波条件下计量的电能一般不能正确反映用户实际使用的电能，具体如下：

1、当用户为线性用户时，谐波与基波潮流方向一致，电能表计量的是基波电能和部分谐波电能，计量值大于基波电能。线性用户不但受到谐波损害，而且还要多交电费。

图1 电磁式电能表的误差频率我改曲线

2、当用户为非线性用户(即谐波源)时，用户除自身消耗部分谐波外，还向电网输送谐波分量，向电网输送的这部分谐波潮流与基波潮流方向相反，电能表计量的电能是基波电能和扣除这部分谐波电能，计量值小于基波电能值。非线性用户虽然污染了电网，反倒少交了电费。所以随着电网谐波的增多，人们对电能质量的要求越来越高，电磁式电能表逐步会被淘汰。

（二）谐波对电子式电能表的影响

目前，电子式电能表在城市电网中已经得到普遍使用，我国的电子式电能表主要采用模拟式分割乘法器实现测量电功率和电能。随着电力系统谐波含量的不断增加，电子式电能表在谐波下的计量不可避免地出现误差。

根据图2可得出：电子式电能表具有更宽的频率响应。电子式电能表的计量误差也是随着谐波频次的升高而增加，但电子式电能表计量误差比电磁式电能表计量误差小得多，20倍频谐波的频率特性误差值不超过4％。

图2 电子式电能表的误差频率特性曲线

通过对电子式电能表进行误差分析得出：电子式电能表由于频带较宽，对基波电能和谐波电能都能较准确计量，但值得注意的是它把谐波功率和基波功率同等对待，这样计量误差会增大。它的电能计量模型为：E=E1+∑Eh。

（三）谐波对数字式电能表的影响

1、先测频后采样

先通过测量信号波形相继过零点间的时间宽度来计算频率，再根据得到的频率确定采样周期进行采样和谐波分析。

2、测频和采样同时进行

由于电力系统中的频率是经常波动的，所以采样时间间隔应该随着系统频的波动而变化，这就是频率跟踪算法。最初是同步采样跟踪系统频率的变化，采样频率不再是恒定不变的，当系统频率发生变化时，采样频率fs自动在中心采样频率fso上下波动，通过动态调整采样周期Ts来实现fs/f1=N为不变整数，以保证采样频率与信号频率同步。

3、先采样后测频

（1）基于修正采样序列的FFT算法：主要是用于当采样频率与系统频率不同步时，进行谐波分析。当采样不同步时，首先对原始采样序列做泰勒级数展开，忽略高阶系数，得到新序列，从而对信号采样序列进行一次修正，得到基本满足整周期采样的采样序列。然后再应用FFT进行谐波分析，计算出各次谐波的幅值和相角，最后得到基波功率和基波电能。

（2）基于插值同步化的FFT算法：它是从非同步采样数据的同步化角度寻求解决频谱泄漏问题的方法。该同步化方法的思想是在截取M个非同步采样点的基础上构造整周期的N个理想同步采样点，即通过在时域上采用插值方法得到近似理想同步采样点序列。

由于目前各种数据采样技术和算法已经发展得比较成熟，因此，数字式电能表可以在谐波存在的条件下，比较好地对电能进行计量。

三、结束语

电能作为国民经济和人民生活的主要能源，电能计量关系到发电、供电和用电三方的经济利益，所以电能计量必须准确合理。由于电网中谐波的普遍存在，对电能计量造成了较大的影响，因此，有必要开展对这一问题的深入研究。

参考文献

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