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摘要：在当前的工业部门和用电设备中，电力电子技术得到了广泛的应用，导致电力系统中的非线性负载的比重增大，电网的谐波污染程度增加，电流和电压发生严重畸变，较大的影响了电能质量，同时也对电能计量带来了较大的负面影响。本文针对谐波对电能计量的影响进行研究，从谐波在电网中流动的理论和电能计量标准出发，分别探讨了谐波对感应式电能表和电子式电能表的影响，最后给出了提高测量精度的相关策略。
关键词：电网谐波；电能计量；影响
引言
近年来，各行业以及家用电器、电铁牵引中许多非线性负荷日渐增多，特别是一些大功率整流设备和电弧炉的大量应用，导致电网中产生大量的高次谐波电流，进而引起电压波形发生较大的畸变。电能计量数据是发电企业、供电企业、电力用户之间进行贸易结算的依据，它的准确与否直接影响到三者的利益以及交易的合理性，因此研究电网谐波对电能计量的影响是很有必要的。
1谐波产生原因分析
对于谐波源而言，通常会发出几种特定频率的谐波，其谐波功率净值为正值。谐波电流源是主要的谐波源，因为当端电压是正弦波形，其电流也不一定是正弦波。由于基波在和电源相连是会反馈谐波电流到电力系统中，其本身的基波功率不会完全消耗，并返回到电源系统中。电力变流设备和非线性负荷在使用的过程中都会产生谐波，主要原因可以总结如以下三点：
1.1电弧型设备
电弧型设备主要有电弧炉、感应熔炼炉等，电弧炉的原理主要是利用电极与金属炉料之间的电弧放电所产生的热量达到给金属炉料加热的炼钢装置，在实际生产中各电极很难与高低不平的金属炉料同时均衡接触，使得三相电极产生的电弧不稳定和三相间的负载不平衡，从而产生了谐波电流，谐波电流通过变压器而注入电网，给电力实施造成一定的影响。
1.2整流和变频装置
作为当前应用比较广泛的晶闸管整流装置，其在工作是通过移相控制从电网中吸收缺角的正弦波，同时在电网中留下含有大量谐波的另一部分正弦波，给电网造成污染。而目前晶闸管整流技术被广泛的应用于电气化铁道、电力机车、铝电解槽和开关电源等设备和设施中，使得大量的高次谐波注入电网，给电力系统造成严重影响。
1.3民用电器
随着人们生活水平的日益提高，各种各样的家用电器诸如电视机、电脑、调光灯具、录像机以及调温炊具等都在家庭中广泛使用，而这些家用电器上使用的调压整流元件会直接产生奇次谐波，虽然家用电器功率都不大，由于数量巨大综合起来就会是个不容忽略的数据。
2谐波对电能计量的影响
2.1谐波对电能计量方式的影响
传统电能计量工作中主要以全能量计量为标准，由于传统电力系统的规模较小且相关技术不到位，产生的谐波电流量小，不足以影响到电能计量工作的准确性。因此传统模式中采取全能量计量方式即可满足电网计量方面的需求。然而，当今电力行业迅猛发展，电力技术日益更新，并且广泛应用于电力、工业领域之中，电力系统的复杂性导致谐波产生几率和幅度增大，从而对于电力系统各设备及线路造成了极大的隐患和影响，因此现阶段电能计量过程中必须考虑到谐波的影响。传统电能计量时包含了基波和谐波二者消耗的总电能，因此在当前复杂电网条件下局限性很大：（1）线性负荷时，供电基波非正弦波形，计量的电能表读数为谐波和基波电能总和，导致计量示数过大，用户承担费用增加，同时谐波会影响相关电力设备的正常运行。（2）非线性负荷时，谐波的产生会导致部分电能回流至电网中，造成电能表计量示数的减小，这样不仅使用户应交费用减少，影响电力企业的经济效益，而且电能的回流会对电网造成持续损害，影响电网寿命。（3）当负载电源畸变情况发生时，会同时引发上述两种情况，进一步影响电影能计量，危害电网。综上所述，谐波的存在对于电能计量方式的影响很大，无论是损害用户利益还是影响电力企业效益，都会影响电力行业的进步。因此必须改进全能量电能计量方式，充分考虑到谐波对其造成的不良影响，从技术和管理双层面上进行调整，保证电能计量的准确性。
2.2谐波对电能计量装置的影响
2.2.1感应式电能表
现现阶段我国绝大多数地区还是采用感应式电能表进行电能的计量。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆感应式电能表的设计依据为通过计量基波频率来显示电能使用情况，该装置最大的特点在于灵敏度高。但是感应式电能表会受到谐波的影响而降低其计量的准确度。当电网内电流、电压正弦波形发生畸变时，其频率特征会影响电能表的计量精度，当感应式电能表频率响应曲线较陡时，电能计量误差较大。只有当电流和电压波形均为正弦波时，感应式电能表才能在这个狭窄工作频率范围内达到最佳工作状态，一旦畸变现象发生，电能表则无法准确计量，且谐波频率幅度越大，电能计量误差越大。因此，使用感应式电能表时，必须整体提升电能质量，尽量保持正弦电流电压状态并在工作频率附近运行，保证最佳的计量效果。
2.2.2电子式电能表
电电子式电能表以数字功率表为基础，结构方面大致由输入级、分频计数、乘法器和V/f四部分组成，其特点在于该电能表功能齐全，具有较高的准确度且用法简便，必将成为将来电网发展中的主要计量装置。电子式电能表各部分作用相辅相成，融为一体。输入级承担着电压电流转换的功能，其利用电压电流互感器将电网内信号转化为便于计量的小型信号，并将信号传递至乘法器；而乘法器接收信号后，将模拟信号转化为乘积形式，然后输送至V/f部分，经转化电路变为脉冲数字信号，最后进行计数，完成电能的测量。相比感应式电能表，电子式电能表的优势在于频率曲线的稳定和衰减程度较弱，该类电能表对于谐波和基波响应基本相同，加上其宽频带特征，能够精确计量基波电能和谐波电能。但是电子式电能表难以区分开谐波和基波，其进行电能计量时所得结果一般偏大。
3提高计量准确性和合理性的对策
电能计量表误差的研究，首先要建立好一个误差模型，并确定好参数和量化概念，全面分析谐波对电子式电能表和感应式电能表的影响。但限于技术原因，基波消耗的能量和谐波消耗的能量很难进行精度的计算。如果对谐波源用户重新分配电价，则供电公司就受到损失，而对非谐波源用户会造成损失。要准确的对电能进行计量，主要在于区分有用基波功率和无用谐波功率。
3.1提高计量准确性的对策
由于电能计量表只计量了基波功率，故首要问题就是要滤除谐波。滤除谐波可以采用硬件实现方式和软件实现方式，但主要使用的是硬件实现方式。硬件实现是选择合适的截止频率，在通过高阶低通滤波器阻止高次谐波进入电能表，达到消除谐波保留了基波。软件方式，一般使用傅里叶算法来消除谐波保留基波。过滤谐波方式，对于受到谐波影响的电力部门和线性用户来，避免了因谐波产生的额外功率。但对于非线性用户来，谐波产生的电能费用，使得电力系统因谐波的影响而遭受损失。下面讨论分别计量谐波和基波功率的方式，并区分正负功率。该方式采用的智能电表具有一个单片机核心处理单元，利用快速傅里叶算法进行频谱分析，准确的计量基波和谐波功率。其计量是否合理，区分了基波功率和谐波功率，对非线性用户产生的谐波功率有一定的惩罚作用，来弥补电力部门的损失。但其使用较为
困难，且成本高昂。
3.2提供计费合理的对策
了做到电能收费的合理性，在对用户征收基波电能电费时，可以征收附加电费。尤其对于非线性用户，在电网中注入的谐波电能往往不尽相同，必须采取适当的机制，收取一定的惩罚性电费，设用户消耗的总电能为E，负载消耗的电能为E1，则电网中谐波电能损耗为Ek=E-E1，其中Ek>0表示为非线性负载，Ek<0为线性负载。则向用户征收的电费为FH=D1×E1+DH×Ek。其中D1是基波电能电价，DH为非线性用户的惩罚性电价，线性用户DH=0。通过上述计量方式，可以定量和合理地计量非线性和线性用户的电能消耗，解决了谐波对电能计量产生的不合理性。
结束语
近年来，我国在谐波治理和监管工作上制定了一系列规程和标准，取得了一定的成效，但在现场实践中电网中的谐波分量不可避免，这就导致了现场使用的电能表都难以达到完全准确的对电能进行计量，并且随着电网所含谐波次数的升高，其准确度相应下降。因此为了准确的计量电能，电力部门要加大对谐波治理和管理的研究力度，同时还要研究开发更具准确度的电压、电流互感器以及推广使用电子式电能表，以期达到减小电能计量误差、确保电能计量准确可靠的目的，从而推动电能计量的公平、公正性，建立电网经济运行模式和电能供需双方的互惠共赢的关系。
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论文作者:耿梦莹1,霍晓蕊2,朱昊1
论文发表刊物:《电力设备》2017年第19期
论文发表时间:2017/11/27
标签：谐波论文; 电能论文; 基波论文; 电网论文; 电能表论文; 电流论文; 功率论文; 《电力设备》2017年第19期论文;