摘要：本文基于谐波的产生具体分析了其对电网计量电能表产生的影响危害，提出了基波电能计量方式和带加权系数的谐波有功电能计量方式，并通过比较分析两种计量方式的优缺点和适用范围，以实现最大程度减少谐波对电网计量系统运行的影响。
关键词：谐波；计量电能表；基波电能计量；低通滤波
0 前言
目前电网中使用的计量电能表一般是基于工频正弦波设计的，并未考虑到畸变波形对其准确度的影响。而非线性负荷如电力电子设备的广泛应用给电网注入了大量的谐波，造成了电网电压、电流的畸变，直接影响了电网计量精度，给供电企业带来了经济上的损失。
1 谐波的产生
电网中存在大量的非线性用电设备会向电力系统注入大量的谐波电流，并经过电网阻抗时电压发生畸变形成谐波波形，造成电网谐波污染。电网中存在的谐波波源主要有：（1）发电设备的由于本身存在结构缺陷，发电产生的电源存在不对称性从而产生谐波分量；（2）在电力系统的输变配电环节中的电力变压器设备会因为变压器铁芯饱和问题而产生谐波。当变压器的铁芯越饱和，磁化电流呈尖顶波形的峰值越大，谐波电流就越大；（3）非线性用电负荷，如现代工业中的电镀生产、城市电动车的广泛推广以及各类大容量的电力变流设备和开关设备，为了获得大功率的直流电源而采用的非线性可控硅整流器，这些设备向电网注入了大量的正弦波，从而产生了很多基次谐波。还有各类家用电器尤其是变频装置，工作原理同样要采用整流装置。各类电力设备谐波成分复杂，对电网的影响不可忽视。
2 谐波对计量电能表的影响
2.1谐波对感应式电能计量的影响
感应式电能表价格便宜、结构简单，所以目前仍广泛被应用。感应式电能表的工作原理就是将电流、电压、相位通过电磁感应原理形成电磁力矩，推动表盘中的指针，指针转动的角度反映电能的使用情况，从而完成计量工作。感应式电能表电磁驱动机械结构的计量方式会在磁路饱和时产生含有各次谐波分量的非正弦波形，从而产生附加驱动力矩，进而影响计量精度。感应式电能表是一种全电能计量表，可计量基波电能和部分谐波电能，但不能计量全部谐波电能，工作频率范围很小。当电网存在谐波时，用电用户为线性用户时，感应式电能表计量结果为基波和部分谐波电能，导致用户计量结果偏大。而对于非线性用户，除了本身会消耗部分谐波外，其还向电力系统输送额外的谐波功率，方向与基波功率相反，计量结果却是偏小的。所以，谐波次数和谐波功率对感应式电能表的计量结果误差影响很大。
2.2 谐波对电子式电能计量的影响
电子式电能表目前主要应用在高电压用户，如图1所示，其工作原理主要是将电流电压经转换后送入乘法器运算，然后再通过电压/频率压频变换成脉冲频率，通过对频率信号计数而显示相应的电能。在对高压用户进行电流电压采样时使用的互感器大部分都是采用电磁式，磁通的变化变换器的精度。若互感器存在非线性电流电压时，互感器对各次谐波成分的转换比例不一致，从而导致被测信号发生畸变，谐波次数越大，非线性越大，畸变就越大，误差越大。对线性用户和非线性用户的影响与感应式电能计量表同理。
图1 电子式电能表
3 改善措施
3.1基波电能计量方式
（1）非线性负荷用户。
如上文分析可得，非线性负载用户无论是采用感应式电计量表还是电子式电能计量表，计量结果都小于实际消耗的电能，给计量部门造成经济损失。同时，非线性负荷用户还会向电力系统发出谐波功率，对系统造成很坏的影响。所以，基波电能计量方式不适用于非线性用户。
（2）线性负荷用户。
如上文分析可得，采用感应式电能表计量时会多计入部分谐波电能，而采用电子式电能计量表则会多计算全部谐波电能，对线性负荷用户而言计量结果都是偏大的，但采用基波电能计量方式而可以比较正确的反映其实际电能。但是基波电能计量表的成本比较高，一般只应用在谐波影响比较严重区域的线性用户中。对于一般的低压线性负荷用户而言，可以在电子式电能表中采用增加一个低通滤波电路实现基波电能计量功能。
采用的低通有源滤波器应具备通带平坦性和最大幅值和线性位移的合适截止频率，目前一般使用的有三种：巴特沃斯滤波器、车比雪夫滤波器以及贝赛尔滤波器。本文主要针对巴特沃斯滤波器展开讨论。巴特沃斯滤波器在截止频率范围内通带具有良好的平坦幅度响应。而在大于截止频率范围的信号，幅频响应下降速度非常快。对含有二次谐波以上的频率，使用一阶滤波器的效果不是很理想，而使用二阶滤波器的则可以达到理想的滤波效果，其谐波衰减速度是40db/十倍频。图2为二阶巴特沃斯滤波器。
图2 二阶巴特沃斯滤波器
在电子式电能计量表的采用电路（互感器）和乘法器之间加入有源低通滤波器，对电流电压回路进行滤波，只计量基波电能和极少部分的低频谐波电能，电路简单，成本不高，有效的避免了线性用户多计量额外的谐波电能，有效消除了谐波的危害和避免了多交电费的情况。
3.2 带加权系数的谐波有功电能计量方式
带加权系数的谐波有功电能计量方式是一种分别计量基本电能和谐波电能的计量方式，电能计量公式如式（1）所示：
W=W1-ChposΣWhpos + ChoppΣWhopp 式（1）
式中：W1为基波电能，Chpos为正向谐波电能加权系数（0＜Chpos＜1），Whpos 正向谐波电能，Chopp为反向加权系数（＞1），Chopp为方向谐波电能。
这种电能计量方式以减少电网谐波危害为目的，主要是采用经济的手段对计量结果偏大又受到谐波危害的线性用户进行一定的补偿。而对于发出谐波电能的非线性用户进行合理处罚，以实现公平、合理、正确的计量。这种方式能如实的反应基波和谐波电能计量，但目前我国生产的电能表还未具备测量谐波电能的能力，该技术具有复杂性和挑战性，还在研究阶段，建议在受谐波污染严重的大负荷用户中除了采用无功治理的方法，同时考虑带加权系数的谐波有功电能计量方式。
4 结束语
本文分析了电网谐波对感应式电能表和电子式电能表的影响，针对线性用户提出了在电子式电能表基础上增加低通滤波器实现基波电能计量方式的建议，同时提出了带加权系数的谐波有功电能计量方式，以最大程度减少谐波对电网计量系统运行的影响。
参考文献：
[1]孙波.谐波对电力系统的影响分析[J].电子世界，2013，01:63-64.
[2]孙绍光.电网谐波对电能计量装置准确度的影响 [J].电子技术与软件工程，2015（23）：241-241.
论文作者:吴培星
论文发表刊物:《防护工程》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/4
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