关于电能计量系统中谐波背景下的计量误差探讨

关于电能计量系统中谐波背景下的计量误差探讨

蔡永智

广东电网有限责任公司电力科学研究院广东省广州市510080

摘要：电能计量设备是用来显示或者反映国家供电企业对用户输送电能的仪器，通过电能计量系统可以如实地反映出消费者消费了多少电能，也是用电消费者进行结算的依据和凭证。在电力技术不断进步的背景下，电能负荷量与电能容量不断地上升，从而使电网中出现了谐波，谐波对电力系统造成了不利影响，可能降低系统的平稳性。

关键词：电能计量；谐波；电能表

1、产生谐波的原因

产生谐波主要是因为电力系统中非线性负载所引起的，比如逆变器、变频器等一些变流设备，具体表现在三方面：

（1）发电原因。电站发电机中的三相绕组并不能完全对称，在制作的过程中也不能满足这个要求，而且绕过铁心均匀也是比较困难的，这对发电机的电源质量有很大影响，谐波也就此产生。

（2）输配电系统的原因。在这个系统中，变压器很容易产生谐波，它的铁心呈现饱和的状态，而且磁化曲线还是非线性的，变压器在工作的时候磁密就在曲线的饱和段上，影响着变压器的正常运行，这导致了电压器的磁化电流出现了尖项波形，奇次谐波就在其中产生。通过实践证明，如果变压器铁心的饱和度高的话，线性就越偏离工作的点位，也就非常容易有更大谐波电流产生；相反，就不会有很大的谐波产生。

（3）用电的原因。晶闸管被广泛用在电气设备中，在用电的过程中，电气设备很容易引发谐波产生，尤其是晶闸管材质的整流设备。现在社会中，有很多电力设备都引用了晶闸管，常见的有电源的开关、电动车、所有的充电设备等，这些都是非常容易产生谐波的，影响着电网的正常运行。在单相整流的电路装置与感性负载相连接的时候，就会有奇次谐波电流产生，最高的时候谐波要占据基波三层左右，比例非常大；而与容性负荷相连接的时候，会有奇次谐波电压产生，它还会根据电容值增加的频率有所增加；此外，还有一种最大容量的谐波源，是通过整流装置所产生的，占据了基波的四层左右。

2、谐波下电能计量系统的误差分析

电能计量系统的计量误差即整个计量装置的误差，包括电能表、电压互感器、TA的误差。对电能计量系统误差分析需从这三方面进行整体分析。

2.1电子式电能表的谐波计量误差

电能表总体可分为两类。一类为机电式电能表，它由测量部件和电子部件构成，由于这种类型的电能表的波形信号发生装置采用脉冲信号发生的方式，因此也被称为感应式脉冲电能表。另一类为电子式电能表（也称为固态式多功能电能表或静止式多功能电能表），这种电能表完全采用大规模集成芯片构成的电子电路实现。

2.2CVT谐波测量误差的分析

在谐波条件下，补偿电抗器、中间变压器及阻尼器都可能工作在饱和区内，需要考虑其非线性特性，在模型中需要反映出这3个元件的非线性。补偿电抗器采用双线圈耦合的结构，中间变压器采用三绕组变压器，阻尼器采用谐振型阻尼器。谐波条件下CVT各部分的杂散和耦合电容的影响不容忽视，它们会在一定程度上影响CVT的频率响应特性。国内110KV（甚至35KV）及以上的发电厂升压站和变电站母线、出线上均将逐步采用CVT。CVT在基波电压测量以及系统保护和自动装置的基波信号变换中能完全满足系统的要求。但当被测电压频率发生变化或含有谐波时，CVT中由电容分压器等值电容和补偿电抗器电感组成的LC串联谐振回路的额定工作点将发生偏离，导致测量误差的增加。因而对于存在谐波的系统，CVT将不能正确反映实际情况，在进行系统谐波测量时，通过ＣＶＴ变换装置得到的二次侧信号存在较大的误差。

高电压等级的电压、电流先经过互感器转换，然后输入电能表中，由电能表计算出功率值。由文中分析可知，电能计量系统的每个组成部分都会产生误差。

4、谐波对电能计量的误差影响

（1）电磁感应电能表。这种电能表主要是依据基波设计出来的。除了基波以外，在还存在高次谐波电流和电压的时候，电能表内部的电压线阻抗会发生变化，还有旋转圆盘也会有所变化，这就会使电压和电流的磁通都有所变化，而且连带着电磁转盘驱动也会受到影响，有一定变化，这一系列的变化就引起了电能表计量出现误差。此外，基波和谐波存在的形式是相互叠加的，波形畸变的情况下，由于电流和电压都是非线性铁心，磁通是不能跟随波形变化而发生线性变化的。我们可以从电路的理论知识上得知，相同频率情况下的电流和电压在相互作用的时候，才能够产生平均功率，否则是不能的。当畸变的电流电压通过了电能表内部的电磁元件后，波形是不会引发磁通也有所变化的，这也就使电磁转矩和平均功率不能形成正比，也就是说这种电能表中有谐波存在的时候，正弦电流电压不能和在不同频率中产生的电磁转矩相互叠加，也不能力量有谐波产生的电能，出现计量误差是一定的。

（2）全电子电能表。在这种电能表计算数值的时候，CPU能将不同频率情况下产生的正弦规律电流电压的数值进行分别计算，并从中选取一部分数值进行采样计量，这种计算方法能将谐波和负载基波总平均功率消耗的电量和数值进行记录。在基波受到谐波电流影响的情况下，它会与负载电流呈现相反的方向，谐波经过负载电流流向电网的时候，这种电能表能记录下谐波的有功电能和基波的有功电能的耗电数值，但是记录下的用电能量要小于基波电能在负载时消耗的电能，这也是全电子电能表的致命缺陷。除了这些，使这种电能表有误差产生的因素还有很多，频率、温度等一些外界条件都在其中，还有电能的计量方法和电压电路分散的交换组件等，这些都和高次谐波同时存在，对电能计量有很大影响。

5、结语

为了做好基于谐波背景下的电能计量系统的计量误差分析工作，需要对现行的电能计量系统进行深入的研究，采用客观、全面的研究方法，秉承严谨的分析精神，如此方能最大程度地保障计量误差分析工作的质量。

参考文献

[1]陈来娣.电能表计量在谐波背景下的误差分析[J].科技研究,2014.

[2]罗松涛.谐波背景下电子式电能表计量误差量化分析.郑州大学，2012（5）