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【摘 要】随着社会经济建设的不断发展，每年用电量都稳步增加，电能表计量在当前电力工作中也显得越来越重要，如电能表产生误差将会造成很大损失和影响，因此，电力工作者应该重视电能表计量误差。本文结合电能表产生计量误差实例，分析了计量误差的主要影响因素，并提出了消除误差影响的建议。
【关键词】电能表；计量误差；谐波
伴随着电力事业的不断发展，电能计量已经成为电力营销系统中一个重要环节，电能计量的准确与否，直接关系到供用电双方的经济利益。因此，为了提高电能计量设备的准确度与可靠性，就要减少电能计量的故障发生和误差。然而，误差是电能表运行质量的主要表现形式，它受现场安装质量、运行的环境等条件制约，本文将主要通过分析误差出现的主要原因从而提出切实可行的解决方法，提高电能计量的准确度和可靠性。
1.情况描述
一只机械式电能表，室内检定时误差表现正常，但安装到现场后，现场检定该机械式电能表出现误差，误差为+1.236%，查询该电能表的室内首检误差值为+0.314%。而拆回送实验室室进行再次检定时，误差值又为+0.321%。更换为电子式电能表后，此种情况没有出现，现场与室内检定的误差值波动很小。
2.理论分析
2.1 原因定性
电能表的室内检定和现场检定都是将被检表与标准表在相同的外部条件下进行对比，得出两者之间的相对误差。而相同的外部条件主要包括检定环境和输入的电气参量。所以既然误差是一个相对值，它必定包括因自身结构原因产生的固有误差和因外部条件影响产生的附加误差。室内检定的外部条件近乎于理想状态，它基本没有附加误差，所得到误差值可以认为就是电能表的固有误差；但安装于现场的电能表运行于非理想状态，所以应考虑附加误差的影响，这就是我们分析问题的思路。
无论是JJG307-2006《机电式交流电能表》，还是JJG596-1999《电子式电能表检定规程》，都对检定过程中的电气影响量做出了明确的规定，如1.0级安装式机械表电流电压的波形失真度不大于3%，而电子表不大于2%。这在室内检定的实验室里是一个可以轻松达到的目标。但安装到现场后则是另外一种情况，电流电压的波形受负荷性质、接线方式、电压等级等诸多因素的制约，实际波形都或多或少地存在一定程度的失真。
2.2 谐波简介
从理论上来说，电力系统中不可能有完全意义上的“标准”正弦波形，但如果按波形失真（系统中称为“畸变”）对系统运行产生的影响而言，可将电力系统中负载分为“线性”和“非线性”两种。如果波形畸变度较低、对系统的影响较小，即为“线性负荷”，比较典型的如电动机；反之为“非线性负荷”。冶炼性质的负荷因具有电解槽、中频炉等整流设备，它的主要作用是对波形进行截断、换流等处理，将交流转换为直流，其电流、电压波形当然会发生畸变，偏离标准的正弦波形，所以它是系统中典型的“非线性负荷”。而根据傅立叶分解，非正弦波可以分解为基波（频率为系统中f=50Hz的基本频率）及一系列的高次波叠加，系统中将f≠50Hz的波统一定义为谐波。所以，谐波是一种数学分析模型，非正弦波对系统运行的影响，即为此非正弦波经傅立叶分解得到的基波和谐波分别对系统影响的叠加，这个结论也适应于电能计量的分析。由于“非线性负荷”的存在是系统产生谐波的基本原因，所以“非线性负荷”也称为系统中的“谐波源”。
3.误差影响因素
3.1 谐波下机械表的误差表现
机械式电能表的工作原理是：由内部的电流、电压等电感式线圈组成驱动元件，通电后产生工作磁通，进而在转盘中感应出驱动电流，驱动表盘转动，所以它是一种以电磁感应为基础的电磁式仪表。也正因为主要部件为电感式线圈，实际运行中，频率对它工作效率和工作质量的影响非常显著。电磁式线圈都是以f=50Hz为基础设计的（即正常工作的前提是波形没有畸变，只有基波），所以只有在波形畸变系数小，谐波含量低的情况下才基本可以保证正常运行；但随着频率的上升，或者谐波含量增加，线圈中发热、磁滞等附加的损耗也会逐步增加，工作磁通占总磁通的比例会逐渐减小；而当频率高到一定的值时，各类损耗将占据了总磁通的绝大部分，实际的工作磁通与之相比已微不足道。以下是机械式电能表典型的误差—频率关系图。
可见，因随着频率的增加，驱动表盘转动的工作磁通所占总量磁通的份额在逐步减少，这同时意味着所计电能量的减少，所以机械式电能表的误差会向负方向偏移，频率越高，负值越大，而当f=1000Hz时，表盘几乎完全停转了（相当于误差为负无穷大）。
3.2 系统中的谐波的方向
了解到谐波对机械式电能表误差影响的原则后，现场分析时，有一个条件必须首先考虑，那就是谐波与基波之间的方向问题。很明显，如果谐波与基波的方向相同，比如都是由电网流向客户，谐波与基波均驱动表盘正向转动，那么由于频率越高机械表工作磁通的比例越小，它能够计量的电量也越少，所计量的总电量当然会小于理论上基波与谐波的叠加值；反之，如果两者方向相反，基波驱动表盘正转，谐波则驱动表盘反转，那么所计量的总电量会大于理论上基波与谐波的叠加值。实际上，正因为非线性负载的存在，系统中才产生了谐波，所以我们从“谐波源”这个概念上看即可知谐波是从客户注入系统的，与基波的方向相反，以下是该用户现场系统功率潮流分布图，考虑到电气分析的实际特点，各项均以功率表示。可见，谐波功率不仅反向注入系统，还通过并接回路转入线性负载，也就是说，非线性负载不仅会影响自身的计量，还会通过系统影响其它线性负载的计量。
3.3 谐波对检定标准器的影响
被检表与标准表在畸变波形下的不同表现，就是上例中误差波动的主要原因。当前使用的标准表为电子式结构，其工作原理与机械表有本质的不同，它没有对频率敏感的感应线圈，内部主要由采样器、乘法器、转换器、计数器、单片机等组成。电流电压经过采样转换后进入乘法器，完成电流与电压的瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的电压值（对于模拟型）或数字量（对于数字型），电压值通过U/F或数字量通过D/f转换，得到与输入功率成正比的脉冲。这样，采样的准确度是决定标准表准确度的最重要指标。工程上对采样的要求主要依据奈奎斯特（Nyquist）采样定理（“采样角频率ωs应≥2倍被采样信号的最高角频率ωmax，采样才能保证精度”），只要标准表有足够高的采样速率，谐波对其误差就基本没有影响。系统中冶炼负荷产生的谐波主要集中于3、5、7、9次，11次及以上的谐波含量极低，影响可忽略不计。这样，按照奈奎斯特采样定理，标准表的采样速率只要大于20倍50Hz的基波频率，即可保证准确测试，实际上通用的标准表的采样速率可轻易达到32倍或64倍基波频率，所以谐波对标准表的影响非常小，标准表对谐波是不敏感的，理论上其在标准波形下的误差就是畸变波形下的误差。
3.4 误差波动的分析
有以上的分析做基础，机械表现场误差波动的原因就比较好理解了：因为系统中的波形中含有频率高于50Hz的谐波，机械表在谐波下误差会向负方向偏移，但要注意，系统中实际的谐波流向与基波是相反的，所以，虽然机械表在谐波下误差会向负方向偏移，但与基波共同作用下的整体误差会向正方向偏移；而标准表因自身的机构，谐波与基波下的误差基本没有变化。误差检定实际为两者的对比，所以畸变波形下机械表的误差将向正方向偏移，这就是现场检定比室内检定得到的误差大的原因。同样的道理，电子表与标准表的结构及工作原理相同，差别仅仅在准确度及元件的选取，所以安装于现场的电子表误差与室内检定误差基本没有变化。
4.结束语
综上所述，在实际电能计量系统中，为了减少误差，不但要对电能表等计量器具进行重点的考核，还要分析出解决谐波影响电能表计量的措施，加强用户谐波的治理，更要对各个设备进行必要的检测。只有这样，才能保证整个计量系统计量准确，从而减少资源的浪费或是电源的流失。
参考文献：
[1] 陈红莉.影响电能表计量产生误差的分析[J].城市建设理论研究，2011（24）.
[2] 陈连君；郝全华；李明.浅析影响电能计量装置准确计量的因素[J].内蒙古电力技术，2006（S3）.
【关键词】电能表；计量误差；谐波
伴随着电力事业的不断发展，电能计量已经成为电力营销系统中一个重要环节，电能计量的准确与否，直接关系到供用电双方的经济利益。因此，为了提高电能计量设备的准确度与可靠性，就要减少电能计量的故障发生和误差。然而，误差是电能表运行质量的主要表现形式，它受现场安装质量、运行的环境等条件制约，本文将主要通过分析误差出现的主要原因从而提出切实可行的解决方法，提高电能计量的准确度和可靠性。
1.情况描述
一只机械式电能表，室内检定时误差表现正常，但安装到现场后，现场检定该机械式电能表出现误差，误差为+1.236%，查询该电能表的室内首检误差值为+0.314%。而拆回送实验室室进行再次检定时，误差值又为+0.321%。更换为电子式电能表后，此种情况没有出现，现场与室内检定的误差值波动很小。
2.理论分析
2.1 原因定性
电能表的室内检定和现场检定都是将被检表与标准表在相同的外部条件下进行对比，得出两者之间的相对误差。而相同的外部条件主要包括检定环境和输入的电气参量。所以既然误差是一个相对值，它必定包括因自身结构原因产生的固有误差和因外部条件影响产生的附加误差。室内检定的外部条件近乎于理想状态，它基本没有附加误差，所得到误差值可以认为就是电能表的固有误差；但安装于现场的电能表运行于非理想状态，所以应考虑附加误差的影响，这就是我们分析问题的思路。
无论是JJG307-2006《机电式交流电能表》，还是JJG596-1999《电子式电能表检定规程》，都对检定过程中的电气影响量做出了明确的规定，如1.0级安装式机械表电流电压的波形失真度不大于3%，而电子表不大于2%。这在室内检定的实验室里是一个可以轻松达到的目标。但安装到现场后则是另外一种情况，电流电压的波形受负荷性质、接线方式、电压等级等诸多因素的制约，实际波形都或多或少地存在一定程度的失真。
2.2 谐波简介
从理论上来说，电力系统中不可能有完全意义上的“标准”正弦波形，但如果按波形失真（系统中称为“畸变”）对系统运行产生的影响而言，可将电力系统中负载分为“线性”和“非线性”两种。如果波形畸变度较低、对系统的影响较小，即为“线性负荷”，比较典型的如电动机；反之为“非线性负荷”。冶炼性质的负荷因具有电解槽、中频炉等整流设备，它的主要作用是对波形进行截断、换流等处理，将交流转换为直流，其电流、电压波形当然会发生畸变，偏离标准的正弦波形，所以它是系统中典型的“非线性负荷”。而根据傅立叶分解，非正弦波可以分解为基波（频率为系统中f=50Hz的基本频率）及一系列的高次波叠加，系统中将f≠50Hz的波统一定义为谐波。所以，谐波是一种数学分析模型，非正弦波对系统运行的影响，即为此非正弦波经傅立叶分解得到的基波和谐波分别对系统影响的叠加，这个结论也适应于电能计量的分析。由于“非线性负荷”的存在是系统产生谐波的基本原因，所以“非线性负荷”也称为系统中的“谐波源”。
3.误差影响因素
3.1 谐波下机械表的误差表现
机械式电能表的工作原理是：由内部的电流、电压等电感式线圈组成驱动元件，通电后产生工作磁通，进而在转盘中感应出驱动电流，驱动表盘转动，所以它是一种以电磁感应为基础的电磁式仪表。也正因为主要部件为电感式线圈，实际运行中，频率对它工作效率和工作质量的影响非常显著。电磁式线圈都是以f=50Hz为基础设计的（即正常工作的前提是波形没有畸变，只有基波），所以只有在波形畸变系数小，谐波含量低的情况下才基本可以保证正常运行；但随着频率的上升，或者谐波含量增加，线圈中发热、磁滞等附加的损耗也会逐步增加，工作磁通占总磁通的比例会逐渐减小；而当频率高到一定的值时，各类损耗将占据了总磁通的绝大部分，实际的工作磁通与之相比已微不足道。以下是机械式电能表典型的误差—频率关系图。
可见，因随着频率的增加，驱动表盘转动的工作磁通所占总量磁通的份额在逐步减少，这同时意味着所计电能量的减少，所以机械式电能表的误差会向负方向偏移，频率越高，负值越大，而当f=1000Hz时，表盘几乎完全停转了（相当于误差为负无穷大）。
3.2 系统中的谐波的方向
了解到谐波对机械式电能表误差影响的原则后，现场分析时，有一个条件必须首先考虑，那就是谐波与基波之间的方向问题。很明显，如果谐波与基波的方向相同，比如都是由电网流向客户，谐波与基波均驱动表盘正向转动，那么由于频率越高机械表工作磁通的比例越小，它能够计量的电量也越少，所计量的总电量当然会小于理论上基波与谐波的叠加值；反之，如果两者方向相反，基波驱动表盘正转，谐波则驱动表盘反转，那么所计量的总电量会大于理论上基波与谐波的叠加值。实际上，正因为非线性负载的存在，系统中才产生了谐波，所以我们从“谐波源”这个概念上看即可知谐波是从客户注入系统的，与基波的方向相反，以下是该用户现场系统功率潮流分布图，考虑到电气分析的实际特点，各项均以功率表示。可见，谐波功率不仅反向注入系统，还通过并接回路转入线性负载，也就是说，非线性负载不仅会影响自身的计量，还会通过系统影响其它线性负载的计量。
3.3 谐波对检定标准器的影响
被检表与标准表在畸变波形下的不同表现，就是上例中误差波动的主要原因。当前使用的标准表为电子式结构，其工作原理与机械表有本质的不同，它没有对频率敏感的感应线圈，内部主要由采样器、乘法器、转换器、计数器、单片机等组成。电流电压经过采样转换后进入乘法器，完成电流与电压的瞬时值相乘，输出一个与一段时间内的平均功率成正比的电压值（对于模拟型）或数字量（对于数字型），电压值通过U/F或数字量通过D/f转换，得到与输入功率成正比的脉冲。这样，采样的准确度是决定标准表准确度的最重要指标。工程上对采样的要求主要依据奈奎斯特（Nyquist）采样定理（“采样角频率ωs应≥2倍被采样信号的最高角频率ωmax，采样才能保证精度”），只要标准表有足够高的采样速率，谐波对其误差就基本没有影响。系统中冶炼负荷产生的谐波主要集中于3、5、7、9次，11次及以上的谐波含量极低，影响可忽略不计。这样，按照奈奎斯特采样定理，标准表的采样速率只要大于20倍50Hz的基波频率，即可保证准确测试，实际上通用的标准表的采样速率可轻易达到32倍或64倍基波频率，所以谐波对标准表的影响非常小，标准表对谐波是不敏感的，理论上其在标准波形下的误差就是畸变波形下的误差。
3.4 误差波动的分析
有以上的分析做基础，机械表现场误差波动的原因就比较好理解了：因为系统中的波形中含有频率高于50Hz的谐波，机械表在谐波下误差会向负方向偏移，但要注意，系统中实际的谐波流向与基波是相反的，所以，虽然机械表在谐波下误差会向负方向偏移，但与基波共同作用下的整体误差会向正方向偏移；而标准表因自身的机构，谐波与基波下的误差基本没有变化。误差检定实际为两者的对比，所以畸变波形下机械表的误差将向正方向偏移，这就是现场检定比室内检定得到的误差大的原因。同样的道理，电子表与标准表的结构及工作原理相同，差别仅仅在准确度及元件的选取，所以安装于现场的电子表误差与室内检定误差基本没有变化。
4.结束语
综上所述，在实际电能计量系统中，为了减少误差，不但要对电能表等计量器具进行重点的考核，还要分析出解决谐波影响电能表计量的措施，加强用户谐波的治理，更要对各个设备进行必要的检测。只有这样，才能保证整个计量系统计量准确，从而减少资源的浪费或是电源的流失。
参考文献：
[1] 陈红莉.影响电能表计量产生误差的分析[J].城市建设理论研究，2011（24）.
[2] 陈连君；郝全华；李明.浅析影响电能计量装置准确计量的因素[J].内蒙古电力技术，2006（S3）.