浅谈谐波对电子式电能表计量影响及研究对策

【摘要】本文介绍了谐波产生的原因、电子式电能表的结构和工作原理、谐波对电子式电能表的影响，分析了由于谐波的存在而引起的电能计量仪表误差的变化情况，并提出了减小电能计量误差的方法和对策。

【关键词】谐波；误差；电能计量；电子式电能表

前言

所谓谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基频的整数倍。产生谐波的主要原因是大量的非线性负载的应用，这将使得电力系统中的电压和电流波形发生严重的畸变，使电能质量下降，对输电设备、测量仪器、通讯设备、计量仪表等都将产生不同程度的影响。电能计量是电力系统收费的依据，由于感应式电能表具有结构简单、性能稳定、易于调整、维修方便、成本低、寿命长等特点，一直是供用电部门首选的电能计量仪表。虽然感应式电能表是在工频附近很窄的频带范围内设计的，且在纯正弦波形下具有最佳的性能，当电网电压和电流波形畸变时，其测量误差将随着高次谐波含量的增大而增大，故不能准确的对电能进行计量，从而影响了用户和电力部门的利益。目前，对专变企业大多采用多功能全电子式电能表，其测量精度较高，可以测量非正弦波系统中的功率和电能，但由于其频率响应范围较宽，对谐波源客户计量的电能为基波电能和谐波电能的总和，无法判断谐波的流向，达不到准确计量的目的。因此，研究谐波对电能计量的影响及解决措施有很重要的现实意义和经济价值。本文暂探讨电子式电能表的情况，参考相关文献的实验结果，结合实际工作中对谐波源客户采取不同计量方案实际测量结果比较，从而找到减小谐波对电能计量影响的方法。

一、谐波产生的原因

产生谐波的主要原因是由于大量的非线性负载的应用。随着电子技术的发展，特别是晶闸管技术的发展，在各工业部门都大量采用了硅整流设备，电气化铁道也采用了单相交流供电的硅整流，现代工业生产设备中使用的交直流换流设备、电子调压设备、电弧炉、感应炉、现代工业设施使用的各种电力电子设备、以及多种家用电器和照明设备等，都会产生大量的谐波电流而注入电网，这将使得电力系统中的电压和电流波形发生严重的畸变，使电能质量下降，对输电设备、测量仪器、通讯设备、计量仪表等都将产生不同程度的影响。

二、谐波对电子式电能表的影响

1、电子式电能表的结构及工作原理

电子式电能表是一种新型的测量仪表，它以单片计为核心，应用了模数转换技术和脉冲数字技术。由于其结构简单，调整方便，计量准确度高等优点，被广泛应用。目前研制并投入使用的电子式电能表主要是时分割乘法器式的电子电能表，时分割乘法器是用集成运算放大器按时分割原理做成的模拟乘法器，用于计量电网电压和电流的乘积，然后再通过V/F转换器将乘积（电压值）转化为频率（即脉冲），并计数显示，电子式电能表的结构框图如下图所示：

电网中的电压值和电流值要经过电压互感器和电流互感器才能送到时分割乘法器中相乘。输入乘法器的电流信号被转化成相应的电压信号，与输入的电压信号相乘。乘法器输出的是与功率成正比的电压量，将电压量送入V—F型A/D转换器中，则电压信号被转化为频率信号，最后送到计数电路和显示电路，实现数字化的功率测量。

2、电子式电能表频率特性及误差分析

感应式电能表随着高次谐波的增加，频响特性曲线衰减很严重，而电子式电能表的频响特性曲线则相对平坦，可近似认为没有衰减，这表明电子式电能表具有较宽的频率响应。当电网中的电压和电流信号只有一个信号发生畸变，而另一个信号仍为正弦波时，根据正弦函数的正交性可得，电子式电能表在这种情况下，其误差变化很小，可认为近似不变。当电网电压和电流都发生畸变时，由于电子式电能表频带较宽，仍可以准确的计量谐波功率，也就是说，电子式电能表对谐波功率的响应是和对基波功率的响应相同的。电子式电能表把基波功率和所有的谐波功率一同计量，所以它在谐波存在下的计量误差比感应式电能表的误差大，在电网中，无论谐波流向如何，当谐波从负载流向电网时，实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后，形成的谐波电流反送回电网，这是一种电能污染。全电子式电能表将负载（谐波源）消耗的基波有功电能和谐波源（负载）向电网返送的谐波有功电能（被污染的电能）进行了代数相加，使得记录的能量比负载消耗的基波有功电能量还要小，这是全电子式电能表计量谐波源客户的不足之处。故对大功率变流设备、电弧炉等产生高次谐波的电力负载用户，为了只记录负荷消耗的基波有功电能，采用电磁感应式电能表比用同准确级别的全电子式电能表更合理。电子式电能表的频率特性曲线图如下：

四、提高测量精度的策略研究

电网中谐波的产生主要是大量非线性负载的使用，非线性用户作为谐波源向电网注入谐波，对电力系统和线性用户构成危害，同时也影响了电能计量的精度。为了提高电能计量的精度，可采用以下两个方案：

1、使电能表只准确反映基波功率，而完全不反映谐波功率

我们可以采用高阶低通滤波器滤除掉进入电能表的高次谐波，使电能表仅反映基波电能。对感应式电能表，可以利用如单频调谐滤波、高通滤波和双频滤波等交流滤波线路进行滤波；对电子式电能表，可以加装一些集成的低通滤波器。采用本方案，计费只按基波电量计费。对电力部门和线性负载用户来说，虽然受了谐波的影响，但在付费上却避免了因谐波功率而引起的额外损失；对非线性用户来说，虽然全部承担了基波电能的费用，但还远不能补偿电力系统因其产生的谐波而受到的损失。此方案在电能计量上合理，也较容易实施。

2、分别计量基波和谐波功率，并区分功率潮流的方向

我们可以用宽频带功率电能表和工频基波电能表配合使用，这样不仅可测量出基波功率值，而且还可测量出谐波潮流的大小和方向。本方案，不仅可以准确的计量基波电能和谐波电能，而且由于测出了谐波潮流的方向，可以对非线性负载的用户按其所产生的谐波功率在经济上给与额外的惩罚（需细化的可操作的相关法律法规支持），以补偿电力部门和线性用户的损失。此方案计费合理，还使得非线性用户在经济上承担了对谐波这一公害的责任，但实施较困难，成本较高。

综合以上两方案，对一般用户，由于其反送或接受的谐波功率的量较少，可以采取方案一，以降低成本。对于一些大、中型非线性用户在要求客户进行谐波治理未果时，在取得一定操作性强的政策后，可以采取方案二，用惩罚性措施来保证电网的可靠运行及电力部门的利益。

结束语：本文简要叙述了谐波的产生及谐波对电能计量的影响，总的来说是由于电网中的非线性负载吸收了基波功率而向电网注入了谐波功率，谐波不仅对输电线路和用电设备有危害，而且还增大了电能计量的误差。谐波功率的大小决定了计量误差的大小，谐波功率越大，对电能表产生的误差越大。谐波功率的流向决定了电能表误差的正负。谐波功率与基波功率同向或反向时，造成误差最大。所以，为了克服谐波对电能计量的影响，应尽可能采取限制谐波的措施且采用合理的方法和对策减小电能计量误差。

参考文献

[1]江日洪.《城市供配电实用技术》.中国电力出版社，2007

[2]陈根永等.《畸变波形作用下电能计量标准的探讨》.郑州工业大学学报，1998

[3]林杰.《谐波对电能计量影响的研究》上海计量测试，1999