论文部分内容阅读
【摘要】当前，随着我国社会经济建设的高歌推进，国内生、产生活正常进行所需用的电量越来越多，在这种情况下，我国电力系统的非线性负荷呈现出日益提升趋势，引起电网的电压、电流畸变情况多发，使得“电网谐波污染”日渐加重，在给电能表造成影响的同时，对电能计量的准确性带来误差。在这种情况下，探讨电力谐波引起电能计量误差的原因，研究消除影响的相关对策，成为电力领域亟待解决的问题，具有重要现实意义。
【关键词】电力谐波；电能计量；原因分析；对策研究
0.引言
与电力基波不同，电力谐波体现为一种正弦波分量，具有一定的周期性特征，其频率为50赫兹基波频率的整数倍，但幅值却相对电力基波较小，其两者在功功率方向上相反[1]。在谐波大量注入电网情况下，一方面会给电网中电压和电流带来影响，致使电能整体质量下降；另一方面，整个电力系统中的仪器仪表等重要设备也会受到不同程度的影响，给电量计量精确程度造成误差，电能表不再能准确计量基波和谐波的真实总电能。随着电弧型设备、整流和变频装置、民用电器的不断增多，谐波污染也越来越重，细小电能计量偏差综合起来将是不容忽视的惊人数据。因此，笔者结合自身相关工作经验，浅议谐波对电能计量的影响原因，并对相关应对措施进行了简要探讨，以期为我国电力事业的高效发展提供一定的理论支持。
1.谐波对电能计量的影响分析
1.1 谐波对感应式电能计量表的影响
在一般情况下，如果工频变化较窄，则通常选用感应式电能表。在使用感应式电能表测量计量电能的过程中，最准确的计量结果存在于电压及电流的正弦波时期[1]。感应式电能计量表的工作原理为：交变磁通—涡流—驱动力矩—圆盘计数。其中，交变磁通主要受到连接线路中的电流以及电压作用，并通过感应电表中驱动元件的接收而显示出来；交变磁通产生之后，穿过感应式电能计量表的圆盘时产生涡流；驱动力矩是在交变磁通和涡流共同存在的情况下，两者相互作用而产生的力矩；该力矩推动感应式电能表的圆盘，作用于电表计数装置，开始对电能进行记录。
然而，当被测电网中存在谐波时，感应式电能表既有的计量准确性丧失。因为在这种情况下，谐波与基波叠加，导致电网中的电流与电压波形发原有常态被破坏，引起生畸变情况发生。从某种程度上看，在谐波情况下，感应式电能表在电能计量时所呈现的误差为负值，该误差与感应式电能表的误差存在正相关联系，频率越高，其误差就会越大。这种电力谐波、基波共同作用下的畸变波形对电能表的影响可以从它的频率特性曲线来说明，如图1。
在感应式电能表中，铁芯实其驱动元件的重要组构部分，且铁芯的导磁率呈非线性特性，这就引起了交变磁通的非线性变化。在无谐波情况下，电网中电压和电流的频率相同，同频效应情况下产生平均功率，此时电能表的计量是准确的；然而，当谐波产生后，与基波发生作用，形成的畸变波形通过感应式电能计量表的电磁元件后，由于磁通与波形不存在联动同幅度变化联系，这就引起驱动力矩和平均功率的线性关系平衡被打破，从而导致了一个附加误差值的存在，并且在一般情况下，这个误差随着频率的增大而增大。
1.2 谐波对电子式电能计量表的影响
电子式电能计量表具有使用简便、精准度高和可扩展的功能等众多优势，在企业、工厂中使用甚广。当前市场上常见的电子式电能计量表一般由主两大单元建构：测量单元与数据处理单元，电子式电能计量表的工作运行原理和结构组成看大体可做四主要部分研究，基本情况如图2展示。
如图2所示，电子式电能表主要由输入极、乘法器、v/f转换器以及发频记数四大部分构成。输入极主要指电压和电流互感器，其主额弱点信号；乘法器再将输入级传来的模拟信号变换为乘积，进而输出到v/f转换器；模拟信号通过v/f转换器后由模拟量转换成的脉冲数字量；这一数字量最终输入到记录电路和驱动电路，至此，电子式电能表对功率的测量完成。
从具体运行环境来看，电子式电能表与感应式电能表并不存在明显性差异，当电子式电能计量表所在的电路中发生电压和电流畸变情况时，该类电表也会随之产生测量失准情况。此外，这种误差同样会因波形畸变的程度而加深，不过从整体角度分析看，电子式电能计量表因波形畸变而产生的误差值均不大，在实际操作中基本可以忽略不计[2]。但是，该类电表在工作运行中，要测量电能就必须先将信号经输入极将电网电流和电压等比转换为弱点信号，在这一过程中，谐波与基波作用产生的电流、电压畸变必然对互感器产生影响，谐波发生次数越多，互感器受到的影响越大，误差的逐步累积使电子式电能计量表所反映出来的测量结日趋失准。
2.提高计量精确性和合理性的对策
2.1电能计量硬件改进
从电表运行环境来看，基波与谐波共存，完全脱离谐波的影响不太现实。由于电能表在工作运行中，只准确反映基波功率，一旦谐波电力谐波产生时普通电表无能为力，所以需研发和采用基波电能表。在硬件上采用高阶低通滤波器阻止高次谐波进入电能表，以基波、谐波频率研究为基础，合理设置截止频率，通过这种方式最大化保留基波、过滤谐波，进而捕捉理想滤波特性。因为硬件改进比较容易实施，从当前市场上现有基波电表来看，国内基波电表一般通过硬件实现。
2.2电能计量软件改进
剔除谐波，保留基波也可从电能计量软件改进着手，在软件上采用相关频谱分析算法，分别计算出谐波和基波的有功电能，通过区分算法反映谐波流向，提升计量精准性，但此法实施困难且所需成本较高。在计量软件改进方面，快速傅立叶（FFT）算法[3]比较常见，此外Hanning加权插值FFT算法等理论上也能达成软件改进目的[4]。
2.3 谐波管理方面
首先，建立健全相关部门的谐波管理体系，严格开展谐波测试、谐波分析、谐波管理技术等方面的探讨和学习。其次，以国家相关谐波标准为基础，相关电力部门以及用户提升电力谐波认知，密切关注电网公共连接点等部位的电流和电压质量。再有，必须加强对非线性负载设计、审查和统计工作，定期进行严密、规范的谐波检测仪器、仪表校验作业，并加强有效技术的科研。
3.结束语
近年来，我国电力谐波的监管和治理工作取得一定的成效，对电力资源的公平分配、持续发展起到积极促进作用。但经济的发展，谐波污染的加剧仍是无法回避的社会现实，分析谐波产生机理，探讨更加科学電能计量方式是行业使命，是时代责任。由于笔者个人水平有限，希望更多业内同行参与探讨，公共致力于我国电力事业的稳定健康发展。
【参考文献】
[1]林龙凤.谐波对电能计量影响的分析方法及对策[J].供用电.2009（02）.61-63.
[2]高铭翔.谐波对电能计量影响的分析及对策[J].中国高新技术企业.2012（05）：107-108.
[3]陈慧民.谐波对电能计量影响的分析[N].工业技术.2012（17）：124.
[4]罗亚桥.谐波对电能计量的影响分析[J].电力自动化设备.2010（05）：130-132.
【关键词】电力谐波；电能计量；原因分析；对策研究
0.引言
与电力基波不同，电力谐波体现为一种正弦波分量，具有一定的周期性特征，其频率为50赫兹基波频率的整数倍，但幅值却相对电力基波较小，其两者在功功率方向上相反[1]。在谐波大量注入电网情况下，一方面会给电网中电压和电流带来影响，致使电能整体质量下降；另一方面，整个电力系统中的仪器仪表等重要设备也会受到不同程度的影响，给电量计量精确程度造成误差，电能表不再能准确计量基波和谐波的真实总电能。随着电弧型设备、整流和变频装置、民用电器的不断增多，谐波污染也越来越重，细小电能计量偏差综合起来将是不容忽视的惊人数据。因此，笔者结合自身相关工作经验，浅议谐波对电能计量的影响原因，并对相关应对措施进行了简要探讨，以期为我国电力事业的高效发展提供一定的理论支持。
1.谐波对电能计量的影响分析
1.1 谐波对感应式电能计量表的影响
在一般情况下，如果工频变化较窄，则通常选用感应式电能表。在使用感应式电能表测量计量电能的过程中，最准确的计量结果存在于电压及电流的正弦波时期[1]。感应式电能计量表的工作原理为：交变磁通—涡流—驱动力矩—圆盘计数。其中，交变磁通主要受到连接线路中的电流以及电压作用，并通过感应电表中驱动元件的接收而显示出来；交变磁通产生之后，穿过感应式电能计量表的圆盘时产生涡流；驱动力矩是在交变磁通和涡流共同存在的情况下，两者相互作用而产生的力矩；该力矩推动感应式电能表的圆盘，作用于电表计数装置，开始对电能进行记录。
然而，当被测电网中存在谐波时，感应式电能表既有的计量准确性丧失。因为在这种情况下，谐波与基波叠加，导致电网中的电流与电压波形发原有常态被破坏，引起生畸变情况发生。从某种程度上看，在谐波情况下，感应式电能表在电能计量时所呈现的误差为负值，该误差与感应式电能表的误差存在正相关联系，频率越高，其误差就会越大。这种电力谐波、基波共同作用下的畸变波形对电能表的影响可以从它的频率特性曲线来说明，如图1。
在感应式电能表中，铁芯实其驱动元件的重要组构部分，且铁芯的导磁率呈非线性特性，这就引起了交变磁通的非线性变化。在无谐波情况下，电网中电压和电流的频率相同，同频效应情况下产生平均功率，此时电能表的计量是准确的；然而，当谐波产生后，与基波发生作用，形成的畸变波形通过感应式电能计量表的电磁元件后，由于磁通与波形不存在联动同幅度变化联系，这就引起驱动力矩和平均功率的线性关系平衡被打破，从而导致了一个附加误差值的存在，并且在一般情况下，这个误差随着频率的增大而增大。
1.2 谐波对电子式电能计量表的影响
电子式电能计量表具有使用简便、精准度高和可扩展的功能等众多优势，在企业、工厂中使用甚广。当前市场上常见的电子式电能计量表一般由主两大单元建构：测量单元与数据处理单元，电子式电能计量表的工作运行原理和结构组成看大体可做四主要部分研究，基本情况如图2展示。
如图2所示，电子式电能表主要由输入极、乘法器、v/f转换器以及发频记数四大部分构成。输入极主要指电压和电流互感器，其主额弱点信号；乘法器再将输入级传来的模拟信号变换为乘积，进而输出到v/f转换器；模拟信号通过v/f转换器后由模拟量转换成的脉冲数字量；这一数字量最终输入到记录电路和驱动电路，至此，电子式电能表对功率的测量完成。
从具体运行环境来看，电子式电能表与感应式电能表并不存在明显性差异，当电子式电能计量表所在的电路中发生电压和电流畸变情况时，该类电表也会随之产生测量失准情况。此外，这种误差同样会因波形畸变的程度而加深，不过从整体角度分析看，电子式电能计量表因波形畸变而产生的误差值均不大，在实际操作中基本可以忽略不计[2]。但是，该类电表在工作运行中，要测量电能就必须先将信号经输入极将电网电流和电压等比转换为弱点信号，在这一过程中，谐波与基波作用产生的电流、电压畸变必然对互感器产生影响，谐波发生次数越多，互感器受到的影响越大，误差的逐步累积使电子式电能计量表所反映出来的测量结日趋失准。
2.提高计量精确性和合理性的对策
2.1电能计量硬件改进
从电表运行环境来看，基波与谐波共存，完全脱离谐波的影响不太现实。由于电能表在工作运行中，只准确反映基波功率，一旦谐波电力谐波产生时普通电表无能为力，所以需研发和采用基波电能表。在硬件上采用高阶低通滤波器阻止高次谐波进入电能表，以基波、谐波频率研究为基础，合理设置截止频率，通过这种方式最大化保留基波、过滤谐波，进而捕捉理想滤波特性。因为硬件改进比较容易实施，从当前市场上现有基波电表来看，国内基波电表一般通过硬件实现。
2.2电能计量软件改进
剔除谐波，保留基波也可从电能计量软件改进着手，在软件上采用相关频谱分析算法，分别计算出谐波和基波的有功电能，通过区分算法反映谐波流向，提升计量精准性，但此法实施困难且所需成本较高。在计量软件改进方面，快速傅立叶（FFT）算法[3]比较常见，此外Hanning加权插值FFT算法等理论上也能达成软件改进目的[4]。
2.3 谐波管理方面
首先，建立健全相关部门的谐波管理体系，严格开展谐波测试、谐波分析、谐波管理技术等方面的探讨和学习。其次，以国家相关谐波标准为基础，相关电力部门以及用户提升电力谐波认知，密切关注电网公共连接点等部位的电流和电压质量。再有，必须加强对非线性负载设计、审查和统计工作，定期进行严密、规范的谐波检测仪器、仪表校验作业，并加强有效技术的科研。
3.结束语
近年来，我国电力谐波的监管和治理工作取得一定的成效，对电力资源的公平分配、持续发展起到积极促进作用。但经济的发展，谐波污染的加剧仍是无法回避的社会现实，分析谐波产生机理，探讨更加科学電能计量方式是行业使命，是时代责任。由于笔者个人水平有限，希望更多业内同行参与探讨，公共致力于我国电力事业的稳定健康发展。
【参考文献】
[1]林龙凤.谐波对电能计量影响的分析方法及对策[J].供用电.2009（02）.61-63.
[2]高铭翔.谐波对电能计量影响的分析及对策[J].中国高新技术企业.2012（05）：107-108.
[3]陈慧民.谐波对电能计量影响的分析[N].工业技术.2012（17）：124.
[4]罗亚桥.谐波对电能计量的影响分析[J].电力自动化设备.2010（05）：130-132.