摘要：比较了基波电能计量装置的特点及使用范围，分析了谐波对感应型电能计量装置的影响，介绍了畸变电能信号的计量方法。
关键词：电能计量;谐波;畸变信号
引言
随着电力工业科技水平的不断进步，电能表作为电力系统各个环节经济结算和能量管理的重要工具，其结构和性能也得到了不断优化，且伴随着新型用户(如电动汽车负荷、地铁负荷等)的出现，电能计量的随机性和非线性逐渐增强。同时，如今配电端智能电网的建设使得用电需求侧管理也越来越受到重视，这就要求电能计量装置有更高的准确性和更强的适应性。当前，各类电能表在计量适应范围上仍存在着很大差别，且难以实现对谐波及畸变信号的准确计量，故应从基波电能计量装置的特点人手，对谐波对电能计量装置的影响及畸变电能信号计量方法进行综合分析，以提高电能计量的准确性。
1、基波电能计量装置比较
用于对基波电能进行计量的电能计量装置主要有感应型电表、电子式电表、机电型电表及智能电表。
感应型电表主要由驱动部件、转动部件、制动部件、调整部件、防潜动部件及底座等组成。其结构简单、造价较低，便于大规模批量生产和维修，但由于其原理较为简单、抗干扰性较差，因此准确度较低，所适用的频率范围也较窄，不利于电能计量装置的统一自动化管理。
在电力工业自动化的大背景下，电子式电表应运而生，其与感应型电表不同，不再利用机械运动测量机构，而是利用电子乘法器对电功率进行测量。其主要构件包括乘法器、频率变换器、输入级、显示器及控制回路等。电子式电表计量精度高、适用范围广，但对谐波及计量环境等因素非常敏感，且价格昂贵，不适宜批量生产。
机电型电表介于感应型电表和电子式电表之间，综合利用感应型电表的机械测量机构和电子式电表的数据处理机构。机电型电表能解决自动抄表的问题，但由于测量机构的限制，其准确率和适用范围仍有限。
2、谐波对感应型电能计量装置的影响分析
随着电力系统中非线性负荷的增多，电网中谐波分量也逐渐增加，致使系统的电压、电流波形都发生了很大的畸变，对电能计量造成巨大影响。同时，由于当前电网中仍大量应用感应型电表，这种电能计量装置只考虑了电能基波分量的影响，没有考虑高次谐波分量的作用，因此随着谐波分量的增加，计量误差也会逐渐增大。
2.1频率响应特性分析
当电力系统中的频率与额定频率有偏差时，就会导致电气量发生变化，并促使感应型电表的力矩发生变化，引起计量误差。在谐波功率下电表频率曲线与其计量准确性相关，通常随着频率的增大，感应型电表的计量误差也会增大，其主要原因有:(1)随着频率增大，感应型电表等效阻抗增大;(2)随着频率增大，电流回路的工作磁通将增大，导致感应型电表误差为负值;(3)感应型电表的补偿力矩与频率有关，频率升高，补偿力矩减小，此时感应型电表的误差也为负值。
2.2误差定量分析
由于感应型电表自身无法避免的缺陷，其在对含有谐波的电能进行计量时将会出现不可避免的误差，因此需利用全新的方法来解决该问题。笔者认为，可采用基于虚拟仪器技术的电子式计量装置来对感应型电表的电能计量结果进行计算和误差分析，其能利用傅里叶算法有效计量各次谐波分量。该装置的试验原理图如图1所示。
在图1中，JCD4060是谐波源，其输出畸变率不同的电压和电流值，同时还输出高次谐波，在输出回路中利用电能质量分析仪及虚拟装置可对电能计量结果进行计算和误差分析。单次谐波下感应型电表的计量误差如表1所示，频率不同、功率方向不同的高次谐波下感应型电表的计量误差如表2所示。
3、畸变电能信号计量方法分析
对于畸变电能信号，应采用功率分解的方法进行计量，即通过功率分解来准确计量各个频率的潮流及其分布。当前主要采用以下3种方法实现对非稳态畸变电能信号的计量:
3.1FFT法
FFT法是一种基于频率点对信号进行分解的方法。当谐波的成分变化较大时，由于电流及功率的频谱非常窄，因此可以采用F丌法对频域量进行分解测量。FFT法的计算量较大，有可能无法满足实时测量的要求，且进行傅里叶变换时高频信号的频谱反应不灵敏，只能用于分析频谱特征基本相同的信号，而无法适用于多尺度信号突变过程及过渡过程的分析，且无法对信号的局域性进行分析。
3.2小波变换法
小波变换法的特点是多分辨率，同时还具有对信号局部特征进行分析的能力，对不同成分的频率，其能够利用逐渐变小的采样步长，对信号的任何细节进行聚焦，这样即可完成对瞬时性暂态信号的准确计量。小波变换法的缺点是其分频特性对小波基数依赖过高，而利用当前的小波函数是无法实现对谐波准确测量的，且小波算法的实时性较差，利用现有技术进行实际应用较为困难。
3.3小波变换与傅里叶变换结合的方法
利用傅里叶变换与小波变换相结合的方法，可以实现对电网中电能畸变信号的检测。其具体步骤如下:首先要利用小波变换法实现对非稳态谐波突变量及间断点的测量，然后应从最原始的信号中除去相关的细节分量，最后利用傅里叶变换来对稳态过程进行分析。该方法的优点是可以实现频率相近次数谐波的分离，这样就提高了谐波分析和检测的精度，可以同时实现对谐波、信号闪变及间谐波的测量，应用效果较好。
4、结语
随着电力工业技术的不断发展进步，我国电能计量装置的准确性也在逐步提高，电能计量装置的系统化、集成化、网络化及多功能化将是计量技术发展的必然趋势。相信随着科技水平的进一步发展，未来的电能计量装置一定会实现对谐波和畸变电能信号的准确计量。
参考文献
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[2]周厚奎，张昱，金心宇.基于傅里叶和小波变换的电网谐波分析[J1.电力系统及其自动化学报，2005(6):59462
论文作者:侯俊宁,王卓
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/3
标签：电能论文; 谐波论文; 电表论文; 感应论文; 畸变论文; 信号论文; 频率论文; 《电力设备》2019年第2期论文;