内蒙古电力（集团）有限责任公司锡林郭勒电业局 内蒙古 锡林郭勒盟 026000
摘要：电力系统中，非线性负荷所产生的电力谐波会影响电能表对电量的准确计量，由于电能计量是电网公司进行经济核算的依据，电能的计量精度直接关系到电力供需双方的社会效益和经济效益，从而影响发电企业、输配电企业和用户之间交易的公平性和合理性。因此为确保电能计量精确可靠，研究非线性负荷下电能表的计量性能具有重要的理论和实际意义。
关键词：非线性负荷；电能；计量方式
非线性符合对电能计量会带来不利影响，为电力系统带来不良影响和危害，会增加供电企业的经济损失与供电压力，因此，必须注重对非线性负荷问题的重视，重点围绕谐波问题展开探究，调整变换传统的电能计量设备，采用新型计量设备，为了能够确保非线性状态下电能计量的精准，就应该加大对谐波电能计量设备的研究力度，确保所使用的电能计量设备更加精准、可靠，发挥有效的电能计量功能。
1非线性负荷产生谐波的原因与危害
非线性负荷是指电流波形与其电压波形不具备线性表示关系，具有非线性伏安特性的负荷，其电流波形因负荷的特性而发生畸变，不呈正弦波形形态，可以从中分解出一系列高次谐波。工作在深度饱和状态的铁芯设备、电子开关电源、电弧炉等都是非线性负荷。
1.1谐波特征与产生原因分析
谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，谐波的频率通常为基波频率的整数倍。与普通电波不同，谐波分为奇次谐波以及偶次谐波，不同谐波具有自身的频率、幅值。谐波通常出现在用电规模较大、电力系统负载较重的电力系统，例如：工业聚集区、涉及到大功率换流与变频的电力系统中。其产生的根源在于非线性负载问题，也就是当电流经过负载时，其电压降没能正常地表现出线状模式，导致非正弦电流出现，带来了谐波。例如：电弧炉冶炼过程中，因为交流电流过零后的起燃与形成的福安特性为典型的非线性电弧，这就会造成电流波形变化失去规律性，熔炼工作的进展更加剧了电流波形的不规则变化，从而产生大量的谐波电流。通常情况下，具有以下电气设备容易产生谐波电流：第一，体现铁磁饱和特征的铁芯电气设备，例如：电抗器；明显依靠非线性特征电弧充当工作介质的电气设备，例如：交流弧电气设备；装配电力电子元件的开关电源电气装置等等。这些非线性电气设备的相同之处为：从电力系统中获得非正弦电力，因为这些电气设备内部电流不会跟随外部电压一道变化，导致其电流呈现出非正弦波状，从而形成了谐波电流，导致电压失真，供电系统需要供应更多、更大的电力能量。
1.2谐波的不良影响
谐波一旦产生就会带来多方面的危害，例如：引发电力系统中电压变形、电线受热偏离可承受范围，造成短路以及线路故障等问题，一些重要的电气设备，例如：变压器、配电设备被烧毁；加剧供电系统的电能损耗，一些重要电气元件运行失灵、误动作，甚至引发大型火灾。最重要也是最关键的危害体现为对电能计量精准性的不良影响，非线性负载谐波电力用户通常电能计量较正常值小，容易少缴电费，相反，正常用电的用户则可能会无故增加电能计量值，导致电费的无故增加，容易引发用户同供电企业的矛盾和纠纷。
2非线性负荷中电能表的计量性能
2.1电磁感应式电能表的计量性能
电磁感应式电能表是通过电流和电压两个电磁线圈产生不同相位的交变磁场，涡流与磁场驱动铝盘转动，使计数器计数。电磁感应式电能表只能计量工频频率的交流电能部分，对于电能所含直流分量则使铁芯饱和，使铝盘制动，影响计量。电磁感应式电能表对高次谐波电能同样不能准确计量，由于高频电量会使铁芯产生高频磁通，继而影响到工频磁通。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆同时，由于铝盘含有感性成分，高频电量会使阻抗角变大，磁路磁阻增加，线圈磁通减少，导致铝盘驱动力矩减小，使电能计量失准。因受感应式电能表的原理特性和结构特点的限制，其计量的频率范围较窄，只在50Hz的正弦电压和电流下才具备较好的计量性能。若电压和电流的波形偏离正弦波时，则电能表的计量准确度将大幅下降。
2.2电子式电能表的计量性能
电子式电能表是利用电能专用计量芯片及其外设电路构建而成，其原理是通过电压电流采样电路将交流电信号采集电能专用计量芯片，计量芯片则完成差分放大、A/D转换、乘法运算、P/F转换等工作，最后将电能计量数据输送CPU，以供显示和存储。电子式电能表具有较宽的频率响应[7]，根据计量需求，电子式电能表可分成基波电能表和多功能电能表。电子式多功能电能表对谐波功率和基波功率具有相同的响应特性，能同时计量基波功率和谐波功率。在电能计量过程中，分别采样电压和电流的瞬时值并作积分运算，所计量的电能是基波电能和谐波电能的代数和。由此可知，电子式多功能电能表属于全电能计量方式。对于非线性负荷，会向电网回送与基波功率方向相反的谐波分量，电子式多功能电能表所计量的是总电能量，即基波电能量扣除谐波电能量，其值小于基波电能量。电子式基波电能表只用于计量工频有功电能量，其采集的电压电流信号通过相位校正和高通滤波，基本可过滤掉直流分量和谐波分量，将经过处理的正弦信号通过乘法器运算，得到计量的有功电能量。通过计量的工作原理可知，电子式有功电能表在计量工作中，不计量直流功率分量和谐波功率分量。因此此类电能表能够除去直流分量和谐波分量所消耗的功率，只计量非线性负荷的有功功率，能够准确计量负荷实际消耗的有功电功率。
3非线性负荷中计量方式研究
根据现行通用的电能表计量方式，电能表能够准确有效地计量总电能量，当用电系统中存在非线性负荷时，不仅会吸收基波功率与谐波功率，而且会反向用电系统注入一部分谐波功率。此时用户实际消耗电能量就会与电能表所计量的总电量不相符合，非线性负荷用户的一部分用电消耗会分摊给线性负荷用户，出现用电计费不合理现象。文中对电能表在非线性负荷中的计量性能的研究，通过比较分析，感应式电能表和电子式多功能电能表在计量非线性负荷时，均达不到准确计量实际用电情况的效果。如果能够同时分别计量基波电能及谐波电能，既可以准确计量非线性负荷的实际有功用电，又可以计量反向注入电网的谐波电能，因此采用电子式基波电能表和谐波电能表组合计量非线性负荷用电的方式，能够更为科学合理地计量非线性负荷用户的实际用电情况。通过以上计量方式，可以促使非线性负荷用户积极采取措施抑制谐波，提高电力系统供电质量，减少系统内其他用户设备受到危害。
4用于非线性负荷下的电能表选型建议
从电能计量出发，考虑到目前国内外还没有谐波电能计量的相关标准和溯源，用于非线性负荷场合的电能表选型需要考虑如下几个方面：
1）电能表应具有全波电能计量和基波、谐波电能计量两种计量模式，可同时全波电能计量和基波、谐波电能计量；
2）电能表应能计量2—21次谐波分量在内的正反向谐波电能；
3）电能表应具备总波形畸变率、谐波含有率、谐波超限等实时监测功能；
4）在检测和验收电能表时，应增加高次谐波影响试验、平顶波和尖顶波影响试验。
结语
针对非线性负荷的用电特点，文中分析了电能表在非线性负荷中的计量性能，结合非线性负荷的特点，分析比较得出对于非线性负荷用户应当采用基波电能和谐波电能综合计量的电能计量方式，能更为精细、科学和公平地计量非线性负荷用户的实际用电情况。此方式对于非线性负荷的电能计量较为合理科学，对进一步解决非线性负荷对电能计量影响，研究新计量方式或新电费计算方式都有一定的参考价值。
参考文献
[1]黄玉春.电力谐波对电能计量影响的分析与探讨[J].电力系统保护与控制，2013（10）.
[2]黄洪，沈明炎，等.无功电能计量的测量方法研究[J].计量与测试技术，2016（12）.
论文作者:沈家栋
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/18
标签：谐波论文; 电能论文; 负荷论文; 电能表论文; 基波论文; 电流论文; 功率论文; 《防护工程》2018年第26期论文;