谐波谐波对电能计量影响与对策

【摘 要】文章分析了谐波的产生原因以及谐波对电能计量的影响，分析在输配电和用户用电过程中都会向电网注入谐波功率，影响了电能计量的准确性和合理性，并提出了相应的对策。
【关键词】谐波；电能计量；误差；非线性负荷
引言
近年来，随着智能建筑的迅速发展，智能建筑中大量的电气设备与电子设备等非线性负荷产生的谐波和无功功率，对配电系统造成严重污染，使电能质量下降。不仅给智能建筑中的电气设备、电子设备及楼宇智能化系统带来严重的危害和不良影响，并且对智能建筑配电系统以外的电气与电子设备带来危害。由于谐波的存在使电能表产生误差，影响电能的正确计量。电能的计量精度直接关系到电力供需双方的经济效益和社会效益，确保电能计量的准确、可靠具有十分重要的意义。因此，研究谐波对电能计量的影响以及如何减小电能计量误差，都具有十分重要的现实意义和经济价值。

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发电原因

发动机的三相绕组制作无法做到完全对称，铁心的质地也会存在不均匀的情况，所以在发动机工作时产生谐波。

1.2输配电系统原因

变压器产生的谐波是输配电系统最主要谐波源。变压器磁化曲线呈非线性，在铁心饱和的情况下，变压器的磁化曲线工作在接近饱和段上，使得变压器磁化电流出现尖项波形，同时也出现了奇次谐波。实际经验表明，当铁心饱和度越高，其产生的谐波电流也越大。

1.3用电原因

在电气设备的使用过程中，特别是晶闸管整流元件容易产生谐波。由于在日常生活中，如充电设备、电力机车、电源开关等都会使用到晶闸管整流元件。另外，单相整流电路装置连接到感性负载时会产生奇次谐波电流，其中3次谐波的含量达到基波的30%；在接容性负荷时则产生奇次谐波电压，谐波含量随电容值的增加而增加。

2.谐波对电能计量产生的误差分析

2.1谐波对电能计量准确性的影响

电能计量的准确性取决于是否能够准确计量基波和谐波的总电能。感应式电能表和电子式电能表是电力系统中常用的电能计量表。电能计量表中的感应转盘在谐波的作用下回产生额外的电磁转矩，使得测量产生误差和精度降低。
2.

1.1电磁感应式电能表

在工频变化较窄的情况下，一般采用感应式电能表，当电压和电流为正弦波时期计量最为准确。电磁感应式电流表根据基波原理进行设计，当有高次谐波分量的电压和电流通过时，其旋转圆盘的阻抗会发生变化，同时电压线圈的阻抗亦发生变化，导致电能计量器内部的电流磁通和电压磁通发了变化，使得电磁转盘的在磁通的作用发生变化，产生了电能计量误差。由于基波和谐波在叠加时会产生波形畸变，磁通通过非线性的铁心时，随着波形的变化而产生非线性变化。在电能计量表中产生的畸变电流和电压通过电磁元件后，磁通的波形不会产生对应的变化，电能计量表在计算功率时，其电磁转矩与实际计量所得的功率不相符。
2.

1.2全电子式电能表

全电子式电能计量器主要依靠其内部的CPU来进行计量，CPU对不同频率的正弦电压和电流进行采样和计算，并通过内部设置的程序计算所消耗的电能值。电子式计量表对负载基波和谐波产生的功耗和电量进行了计算，理论上排除了基波和谐波产生的误差。但由于谐波电流的方向会发生变化，并且计量表将基波产生的电能和谐波产生的电能相加，导致谐波流向负载时，计量表记录下的电能比实际基波消化的偏小，从而出现了计量误差。另外，全电子式计量表会收到外界的温度、电压和频率等的影响下也会产生误差。

2.2电能计量方式分析

在谐波作用下，电能计量主要有以下三种方式：（1）电能计量表应准确地反应基波和谐波的综合功率，这种同时计算基波和谐波功率的方式被称为电能全计量方式，也是当前普遍使用的计量方式；（2）电能计量表值计算基波功率，不计算谐波功率，称为基波电能方式；（3）电能计量表分别计算谐波功率和基波功率，称为谐波电能方式。在谐波作用下，采用电能全计量方式会使得电能计量的准确性和合理性产生矛盾。为了解决上述问题，首先必须通过实验的方法，在谐波环境下对电能的计量进行定性分析，并得出其规律。主要采用的方法有：（1）谐波测试方法。其原理较为简单，通过谐波检测仪直接检测谐波对电能计量产生的误差，并进行定量和定性的分析；（2）仿真实验方法。通过利用波形发生器，记录产生的波形信号，在输入到实验用电能表进行分析，从而得到电能表误差的原因。

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

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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

为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。
4.结语
在电能计量过程中，最主要的问题是将基波功率和谐波功率分开，通过分频技术对基波电能和谐波电能进行分别计量，对吸收谐波电能的用户，应与一定的补偿；而对向电网中注入谐波的用户收取一定的惩罚性收费。因此，在实际生产中严格管理好非线性负荷，减少谐波对电能计量产生的误差，使得用户和企业都可以从中受益。
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