摘要:文章分析谐波背景下电能计量系统的总体误差，进行计算机仿真; 就谐波背景下电能计量模式选择进行分析，为量化分析计量系统在谐波条件下的误差提供一定参考。
关键词: 电能计量;谐波; 误差; 仿真
引言
随着电力电子技术的迅速发展，电力电子设备给供电网络带来的谐波污染越来越严重，不但给供电网络和设备造成影响，同时谐波电能损耗日益增加，严重降低了电能的使用效率。当电网含有大量谐波的时候，电能的传输、利用的效率会降低，并且谐波会使得电力设备发热、绝缘老化加速，甚至使得断路器误操作引发安全问题。下文主要探讨谐波背景的电能计量误差。
1 谐波背景下计量系统各部分误差分析
1. 1 电子式电能表层面
该类表计的典型结构如图 1 所示。
工作原理: 将采集到的 U、I 变换为乘法器可识别的信号，并由此生成 1 个时段内的平均功率，将表征平均功率的信息转化为频率脉冲信号，通过对脉冲的计数得到直观化的电量数值。该类表计的误差主要来自于乘法器。
1. 2 CVT 层面
当前，CVT 被广泛用于35 kV 及以上电压等级的 “变电站/发电厂”母线或出线。在谐波背景下，对于 CVT 等效电路的建立，需要考虑各种杂散、耦合电容的影响，以及补偿电抗器、中间变压器和阻尼器非线性特性 (可能都工作于饱和区)。根据 CVT 结构，结合谐波作用考量的等效电路，如图 2 所示。
国际电工委员会 ( IEC) 相关标准规定: CVT的测量绕组应在其额定频率 99% ～101% 区间符合精度要求; 保护绕组应在其额定频率 96% ～102%区间内符合精度要求。因此可以认为: CVT 在基波层面可满足各类测量和保护要求，但当被测电气量富含谐波时，CVT 中 LC 串联谐振回路的额定工作点将发生偏离，导致测量误差的增加。
1. 3 TA 层面
TA 静态模型如图 3 所示。图 3 中: i1为一次侧电流; i2为二次侧电流; im为励磁电流;Rb为负载电阻; Lb为负载电感; N1、N2为原副边的匝数。
图 5 中的误差分为 2 层，分别为幅值误差和相位误差; 就单次谐波而言，电能表本身不产生相位偏移，但 CVT 和 TA 分别使电压、电流产生相位偏移，这是电能表误差增大的又一原因; 电能计量系统总体误差 ε 与图 5 中 α、β、γ 之间的关系很难用公式表达 ( 特别是多次谐波背景下) ，但可用计算机仿真进行模拟。
3 仿真验证
3. 1 CVT 层面
根据图 2 搭建的 PSCAD/EMTDC 仿真模型，根据式 (2) 对不同谐波情形下的 CVT 测量误差进行测试和计算，相关结果如图 6 所示。
由图 7 可知，谐波条件下 TA 的计量精度会有变化，但幅值不是很高，说明 TA 与谐波基本协调。
3. 3 系统整体层面
以 110 kV 计量为例进行仿真分析。针对基波环境，相关参数: 输入电压有效值63.5kV，相位 0°; 输入电流有效值为 500 A，相位 0°; 输入功率为31.75 MW; 调制频率20 MHz; 负载功率因数0.8。基波背景下各部分输出结果见表1。在基波上叠加3 次、5 次、7 次谐波来模拟多谐波环境。相关参数 ( 基波参数同上) : 3、5、7 次谐波电压有效值分别为基波压的 4%、3%、2%，3、5、7 次谐波电流有效值分别为基波的 5% 、3% 、l% ，相位均为 0°; 输入电压、电流有效值分别为63. 592 114 kV、0. 500 822 kA，输入功率为 31. 848 410MW。谐波环境下各部分输出结果见表 2。
综合表 1、表 2 数据，可计算出多谐波环境下各部分输出有效值，并得到各部分计量误差，最终折算到电费损失 ( 以 0. 6 元/kWh 计) : 若以小时计，每小时该电能计量系统将少收电费 105. 30 元;若以年计，每年将少收约 92 万元。
4 各类电能计量模式分析
当前，国内外系列标准虽然关注到谐波问题，但未出台具体的针对谐波电能计量的方法。因此，要确立谐波环境下的合理化计量模式，首先对现存计量方式进行分析。现电能计量模式有 3 种。
a. 基波计量模式。特点是只计量用户消耗的基波功率，采用基波电能表。在这种模式下，CVT对谐波的不适应不会影响到计量系统整体。
b. 全波计量模式。特点是能将基波和谐波统统计入电费 ( 理论上) ，采用宽频响应型电能表。这是现在国内计量的主流模式。
c. 基波、谐波单独计量模式。即安装 2 种表计，以基波表测量基波功率消耗，以谐波表测量发出或吸收的谐波功率。
事实上，3 种计量模式并无明显区别 ( 不同类型负荷对应的最合理模式不同) 。如: 针对发热性负荷，因其基波和谐波有功均被利用，择定全波计量最为合理; 对于电机用户，因其做功大小只与基波电能有关，择定基波计量相对公平。
随着电力使用面的不断拓展，电网中非线性负荷也日趋复杂。对于这些用户的计量模式选择相对困难: ①若仅考虑计量需要，因非线性用户也吸收谐波，采用全波计量是首选; ②非线性用户往往向电网注入新的谐波，为惩罚考量，采用基波、谐波单独计量模式更契合供电公司维护电网安全的需要。具体选择哪一种模式，需要根据不同时段的管理做出决策。
5 结束语
谐波电能计量误差的研究目的是实现电力谐波的精确分析和谐波电能的准确计量，为电能的科学管理提供可靠的依据。通过对用户用电量进行分析和谐波计量，实现更合理的收费，从而实现用电的科学管理。对电力谐波电能的深入研究将会对电表行业及电网管理的发展产生重大的积极意义。
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论文作者:陈俊强
论文发表刊物:《中国电业》2019年第10期
论文发表时间:2019/9/11
标签：谐波论文; 基波论文; 电能论文; 误差论文; 模式论文; 相位论文; 有效值论文; 《中国电业》2019年第10期论文;