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摘要：随着电力电子技术和设备的发展和应用，非线性负荷迅速增加，导致电网谐波水平不断提高。电网中的谐波会影响电力设备、电气设备和通信设备的寿命和运行，增加运行成本。对谐波功率的共享、电能计量精度和合理充电都将带来挑战。
关键词：谐波；谐波电能表；电能计量；数据分析；
为了验证谐波电能表的电能计量功能，积累谐波电能表的应用经验和数据，探索基于谐波电能表的不同电能计量模式，开展了谐波电能表的试点应用。阐述了该试验台的具体应用方案，并对试验数据进行了研究和分析。结果表明，实际运行过程中确实存在谐波能量，全波能量测量模式可能会引起非线性用户功率低估现象，进而影响能量测量的精度和谐波能量的共享。
一、谐波表计量原理
在谐波影响下选择谐波表对正反向基波电能与正反向谐波电能分别进行计量的方式更加有效。谐波表中采用高精度模数转化芯片通过高速同步信号接口与DSP（数字信号处理器）连接，将电压、电流采样数据实时采集到DSP中进行处理；高速DSP芯片作为信号处理单元，负责全波、基波以及谐波等电能的计算，其中全波电能计量采用经典有功、无功电能计量算法对全波电能计量采样数据进行计算，基波电能计量是通过FIR（有限冲激响应）滤波器对全波进行滤波得到基波电能后进行计算，谐波电能计量则是采用FFT（快速傅里叶变换）得到h次谐波电压和电流的有效值与相位值，求得两者间夹角，进一步得到谐波总功率、谐波总电能与各次谐波功率、各次谐波电能；ARM（高级精简指令微处理器）作为逻辑控制MCU（微控制单元），负责控制电能表整体的运行控制，负责实时从DSP芯片中获取计量数据结果。
二、当前电能计量过程中存在的问题
全能计量方式是当前电力系统中常用的一种电能计量方式,全能计量是计算基波电能和谐波电能代数和的一种方式。全能计量方式在实际应用过程中,当负荷是线性,供电是非正弦时,采用全能计量方式计量的内容是基波电能和部分的谐波电能,使计量结果失去其准确性,往往高于用户应该缴纳的实际费用;当负荷为非线性时,负载产生的一部分谐波功率和电能会倒流人电力系统中,这时采用全能计量方式计量的内容是基波电能与谐波电能相减的部分,计量结果同样不具有精准性,往往小于用户应该缴纳的实际费用。总之,电网中谐波的存在对电能计量产生着一定的影响,需要采取对策解决。
三、谐波电能计量问题
1.谐波对电能表计量准确性的影响。当前，电能计量普遍采用的是全波电能计量的模式，即总电能E等于基波电能E 1与各次谐波电能E h（h=2，3，…，n）的代数和。但受电能表频率响应曲线以及电能表电压采样回路与电流采样回路带宽的限制，谐波次数越高，谐波电能越少，高次谐波电能的计量越不准确。
2.谐波电能计量分摊。以简明的供电系统示意图，分析说明供电系统中存在线性及非线性负荷情况下的电能计量情况。
图1 供电系统示意
图1中的U源等效为供电系统中的电源，Z源，Z线路，Z线性负荷，Z非线性负荷分别等效为供电系统中的电源阻抗、输电线路阻抗、线性负荷阻抗以及非线性负荷阻抗。假定供电系统中的电源为理想条件，不计及背景谐波等因素，发出基波功率P源，在被电源阻抗、电压阻抗吸收了一部分后，流向负荷的功率P负荷=P线性负荷+P非线性负荷。非线性负荷吸收的基波功率中除了用于维持用电设备运行的功率外，另有一部分被用电设备转化成了谐波功率P谐波，方向与基波功率相反，由负荷流向系统与线性负荷，即P谐波=P谐波（系统）+P谐波（线性负荷）。因此非线性负荷接入点的功率为P非线性负荷总=（P非线性负荷-P谐波）<P非线性负荷。线性负荷由于谐波功率P谐波（线性负荷）的存在，受到谐波的污染，且谐波功率方向与线性负荷吸收的基波功率P线性负荷相同，线性负荷接入点的功率为P线性负荷总=（P线性负荷+P谐波（线性负荷））>P线性负荷。电能等于功率对时间的积分。线性负荷与非线性负荷吸收的电能分别用公式（1）和（2）表示。从理论分析可以得出，谐波功率是导致计量误差的主要原因之一，按照当前普遍采用的全波电能计量方式，可能存在线性用户多计量电能、非线性用户少计量电能现象。
式中：T为时间周期。
四、降低谐波对电能计量影响的对策研究
1.计量方式管理。（1）全能计量方式。全能计量方式的运用对电能表提出了较高的要求,要求电能表能够准确无误的反应出基波电能和所有的谐波电能,只有这样,才能降低谐波对电能计量的影响,提高计量结果的准确性。准确情况下,线性用户电能表的读数为 ,非线性用户电能表读数为 。实际上,线性用户感应式电能表的计量结果为 ,相比准确的读数,这是含有一定的误差的,这是因为计量过程中有少量的谐波存在,此时如果选用电子式电能表,误差较小,趋近于O,可以忽略不计。非线性用户感应式电能表的计量读数为 ,计量结果的误差较大,这是因为计量过程中含有大量的谐波电能,若此时采用电子式电能表来进行计量,则计量结果为 ,误差较小,趋近于O,亦可以忽略不计。由此,我们可以看出,当选用全能计量方式时,电子式电能表的计量误差较小,趋近于于O,可以忽略不计,此时应该选用用功电能表。（2）基波电能计量方式。基波电能计量方式是一种能够准确表达基波有功功率和有功电能的计量方式,采用该尽量方式对电能进行计量时是不包含谐波有功功率的。也就是说,当采用基波电能计量方式进行计量时,无论是线性用户还是非线性用户,电能表只反映wl。实际上,线性用户感应式电能表的计量结果为 ,计量时存在少量的谐波电能,误差小于仇如果选用的是电子式电能表,其计量结果接近于 ,计量中含有全部谐波电能,误差大于O。非线性用户感应式电能表的计量结果为 ,误差小于零。由此可见,在计量过程中,两种电能表都不能准确计量有功电能。要想选用此计量方式,则必须选择专门的基波有功电能表。
2.抑制电源谐波一有源滤波方式有源滤波采用开关交换的方式,运用P WM转换器,抑制谐波的效果非常显著,能够在一定程度上提高功率因数。
3.技术管理。要想从根本上降低谐波对电能计量造成的影响,就必须鼓励用户选用新型的数字电能计量表,并根据实际情况选用谐波的滤波装置,降低电网中存在的谐波含量,提高计量结果的准确性。
4.减少谐波在电网中的使用量。谐波的使用是为了保证电能能够得到充分的供应,但是,谐波的大量使用也会带来一定程度的损害。为了减少谐波对电力设备和线路的损害,提高电能计量的准确性,可以通过改进电路,改进负载的性质,从而减少谐波在电网中的使用量,减少供电企业的输出成本,促进电力部门更好地发展。
5.加强相关的管理。（1）强化系统准入管理，如果非线性负荷进入电网中，必须重点关注，严格对待，落实谐波的低含量，确保其不会超出国家规定的标准范围；（2）应该做好电网分析和测量，对谐波源的位置和产生原因进行明确，为谐波的治理奠定良好的基础。对于严重的谐波源，需要做好跟踪管理，对相关数据进行收集，如果发现用户设备产生的谐波超出了相关规范的允许值，则应该要求用户进行整改。
总之，电力技术人员必须强化认识，分析电力系统的谐波源，了解谐波产生的原因及其对于电能计量的影响原理，采取切实可行的技术措施和管理措施，做好谐波的治理工作，提升电能质量，保证电能计量的准确性和可靠性。
参考文献
[1]张海清.关于谐波对电能计量的影响及解决措施的分析.2017.
[2]李宏宇.基于谐波电能表的电能计量模式研究.2017.
论文作者:崔磊,任慎昂
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/16
标签：谐波论文; 电能论文; 基波论文; 负荷论文; 线性论文; 电能表论文; 功率论文; 《电力设备》2019年第9期论文;