孫兵

摘 要：文章分析了諧波的產(chǎn)生原因以及諧波對電能計量的影響，分析在輸配電和用戶用電過程中都會向電網(wǎng)注入諧波功率，影響了電能計量的準確性和合理性，并提出了相應的對策。

關鍵詞：諧波；電能計量；誤差；非線性負荷

近年來，隨著智能建筑的迅速發(fā)展，智能建筑中大量的電氣設備與電子設備等非線性負荷產(chǎn)生的諧波和無功功率，對配電系統(tǒng)造成嚴重污染，使電能質(zhì)量下降。不僅給智能建筑中的電氣設備、電子設備及樓宇智能化系統(tǒng)帶來嚴重的危害和不良影響，并且對智能建筑配電系統(tǒng)以外的電氣與電子設備帶來危害。由于諧波的存在使電能表產(chǎn)生誤差，影響電能的正確計量。電能的計量精度直接關系到電力供需雙方的經(jīng)濟效益和社會效益，確保電能計量的準確、可靠具有十分重要的意義。因此，研究諧波對電能計量的影響以及如何減小電能計量誤差，都具有十分重要的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。

一、諧波產(chǎn)生原因分析

1.發(fā)電原因。發(fā)動機的三相繞組制作無法做到完全對稱，鐵心的質(zhì)地也會存在不均勻的情況，所以在發(fā)動機工作時產(chǎn)生諧波。

2.輸配電系統(tǒng)原因。變壓器產(chǎn)生的諧波是輸配電系統(tǒng)最主要諧波源。變壓器磁化曲線呈非線性，在鐵心飽和的情況下，變壓器的磁化曲線工作在接近飽和段上，使得變壓器磁化電流出現(xiàn)尖項波形，同時也出現(xiàn)了奇次諧波。實際經(jīng)驗表明，當鐵心飽和度越高，其產(chǎn)生的諧波電流也越大。

3.用電原因。在電氣設備的使用過程中，特別是晶閘管整流元件容易產(chǎn)生諧波。由于在日常生活中，如充電設備、電力機車、電源開關等都會使用到晶閘管整流元件。另外，單相整流電路裝置連接到感性負載時會產(chǎn)生奇次諧波電流，其中3次諧波的含量達到基波的30%；在接容性負荷時則產(chǎn)生奇次諧波電壓，諧波含量隨電容值的增加而增加。

二、諧波對電能計量產(chǎn)生的誤差分析

1.諧波對電能計量準確性的影響。電能計量的準確性取決于是否能夠準確計量基波和諧波的總電能。感應式電能表和電子式電能表是電力系統(tǒng)中常用的電能計量表。電能計量表中的感應轉盤在諧波的作用下回產(chǎn)生額外的電磁轉矩，使得測量產(chǎn)生誤差和精度降低。

⑴電磁感應式電能表。在工頻變化較窄的情況下，一般采用感應式電能表，當電壓和電流為正弦波時期計量最為準確。電磁感應式電流表根據(jù)基波原理進行設計，當有高次諧波分量的電壓和電流通過時，其旋轉圓盤的阻抗會發(fā)生變化，同時電壓線圈的阻抗亦發(fā)生變化，導致電能計量器內(nèi)部的電流磁通和電壓磁通發(fā)了變化，使得電磁轉盤的在磁通的作用發(fā)生變化，產(chǎn)生了電能計量誤差。由于基波和諧波在疊加時會產(chǎn)生波形畸變，磁通通過非線性的鐵心時，隨著波形的變化而產(chǎn)生非線性變化。在電能計量表中產(chǎn)生的畸變電流和電壓通過電磁元件后，磁通的波形不會產(chǎn)生對應的變化，電能計量表在計算功率時，其電磁轉矩與實際計量所得的功率不相符。

⑵全電子式電能表。全電子式電能計量器主要依靠其內(nèi)部的CPU來進行計量，CPU對不同頻率的正弦電壓和電流進行采樣和計算，并通過內(nèi)部設置的程序計算所消耗的電能值。電子式計量表對負載基波和諧波產(chǎn)生的功耗和電量進行了計算，理論上排除了基波和諧波產(chǎn)生的誤差。但由于諧波電流的方向會發(fā)生變化，并且計量表將基波產(chǎn)生的電能和諧波產(chǎn)生的電能相加，導致諧波流向負載時，計量表記錄下的電能比實際基波消化的偏小，從而出現(xiàn)了計量誤差。另外，全電子式計量表會收到外界的溫度、電壓和頻率等的影響下也會產(chǎn)生誤差。

2.電能計量方式分析。在諧波作用下，電能計量主要有以下三種方式：⑴電能計量表應準確地反應基波和諧波的綜合功率，這種同時計算基波和諧波功率的方式被稱為電能全計量方式，也是當前普遍使用的計量方式；⑵電能計量表值計算基波功率，不計算諧波功率，稱為基波電能方式；⑶電能計量表分別計算諧波功率和基波功率，稱為諧波電能方式。在諧波作用下，采用電能全計量方式會使得電能計量的準確性和合理性產(chǎn)生矛盾。為了解決上述問題，首先必須通過實驗的方法，在諧波環(huán)境下對電能的計量進行定性分析，并得出其規(guī)律。主要采用的方法有：⑴諧波測試方法。其原理較為簡單，通過諧波檢測儀直接檢測諧波對電能計量產(chǎn)生的誤差，并進行定量和定性的分析；⑵仿真實驗方法。通過利用波形發(fā)生器，記錄產(chǎn)生的波形信號，在輸入到實驗用電能表進行分析，從而得到電能表誤差的原因。

3.提高計量準確性和合理性的對策

⑴提高計量準確性的對策。由于電能計量表只計量了基波功率，故首要問題就是要濾除諧波。濾除諧波可以采用硬件實現(xiàn)方式和軟件實現(xiàn)方式，但主要使用的是硬件實現(xiàn)方式。硬件實現(xiàn)是選擇合適的截止頻率，在通過高階低通濾波器阻止高次諧波進入電能表，達到消除諧波保留了基波。軟件方式，一般使用傅里葉算法來消除諧波保留基波。過濾諧波方式，對于受到諧波影響的電力部門和線性用戶來，避免了因諧波產(chǎn)生的額外功率。但對于非線性用戶來，諧波產(chǎn)生的電能費用，使得電力系統(tǒng)因諧波的影響而遭受損失。下面討論分別計量諧波和基波功率的方式，并區(qū)分正負功率。該方式采用的智能電表具有一個單片機核心處理單元，利用快速傅里葉算法進行頻譜分析，準確的計量基波和諧波功率。其計量是否合理，區(qū)分了基波功率和諧波功率，對非線性用戶產(chǎn)生的諧波功率有一定的懲罰作用，來彌補電力部門的損失。但其使用較為困難，且成本高昂。

⑵提供計費合理的對策。為了做到電能收費的合理性，在對用戶征收基波電能電費時，可以征收附加電費。尤其對于非線性用戶，在電網(wǎng)中注入的諧波電能往往不盡相同，必須采取適當?shù)臋C制，收取一定的懲罰性電費，設用戶消耗的總電能為E，負載消耗的電能為E1，則電網(wǎng)中諧波電能損耗為Ek=E-E1，其中Ek>0表示為非線性負載，Ek<0為線性負載。則向用戶征收的電費為FH=D1×E1+DH×Ek。其中D1是基波電能電價，DH為非線性用戶的懲罰性電價，線性用戶DH=0。通過上述計量方式，可以定量和合理地計量非線性和線性用戶的電能消耗，解決了諧波對電能計量產(chǎn)生的不合理性。

三、結語

在電能計量過程中，最主要的問題是將基波功率和諧波功率分開，通過分頻技術對基波電能和諧波電能進行分別計量，對吸收諧波電能的用戶，應與一定的補償；而對向電網(wǎng)中注入諧波的用戶收取一定的懲罰性收費。因此，在實際生產(chǎn)中嚴格管理好非線性負荷，減少諧波對電能計量產(chǎn)生的誤差，使得用戶和企業(yè)都可以從中受益。

參考文獻：

[1]宋恩金.諧波對電能計量的影響分析 [J].城市建設理論研究（電子版），2011，（27）.

[2]羅靈.電力系統(tǒng)諧波對電能計量的影響分析 [J].計量與測試技術，2009，（36）.