论文部分内容阅读
摘要：各式各样的电子設备在得到广泛应用的同时，由于电力电子元件自身的非线性因素在电力系统中产生了大量的谐波。这不仅给供电系统造成了污染，还会对相关电力设备构成危害；产生谐波的非线性用户将其吸收的部分基波电能转化成谐波电能会增加电力输送损耗，加大电力营运成本。因此，文章研究了谐波对电能计量的影响，并采取有效措施来减少这一不利影响，提高电能计量的准确性。
关键词：谐波；电能计量；影响；对策
众所周知，电力作为国民经济发展和人民生产生活的重要能源，在当今社会中有着非常重要的地位。而电能的计量问题直接关系到发电、输电、用电三方的切身利益，并且电能计量可以牵扯到许多大型工程的造价以及其他方面的预算。然而，各冶金行业、大型起重机、大型牵引等设备中的一些电力电子元件带来的谐波问题严重影响了电力系统的稳定与安全，甚至能够给周边电网的正常运行带来危害。随着电力电子技术在各大领域的广泛应用，非线性负载越来越多，大量谐波流入电网系统导致电压、电流波发生畸变，极大地影响了电能计量的精准。谐波问题俨然已经成为电网的一大公害，为此，本文将针对谐波对电能计量的影响展开分析，并给出一些合理化的建议。
1 谐波产生的原因
谐波是存在于电力系统中的一个具有周期性电气量的正弦波分量，它的频率通常是基波频率的整数倍。电网中谐波来源于非线性负载；如整流器、变频器等电力变流装置，电弧炉一类非线性负载以及其他含有磁饱和特性的设备等。
谐波通常来源于以下三大方面：
（1）发电产生谐波：由于发电机的三相绕组无法实现绝对的对称，铁心没有绝对均匀，从而造成发电电源质量不够高，形成谐波；
（2）输配电系统产生谐波：由于输电系统中变压器的铁心饱和，其工作时磁密在磁化曲线的近饱和段；导致变压器磁化电流呈现尖项波形（含有奇次谐波）；
（3）用电环节产生谐波：用电环节中的谐波主要由电气设备产生，尤其是晶闸管整流设备；比如电力机车、充电设备、电源开关等给整个电网带来了大量的谐波，同时这也是谐波的主要来源。
2 谐波对电能计量的影响
谐波对电能计量准确性的影响是根据其在电网中含量大小来决定的，一般来说，谐波含量符合国际标准时这种影响相对较小，超出标准就会产生很大影响。谐波对电能计量的影响事实上是通过影响电能表的测量精度来实现的。常见电能表分为感应式电能表和电子式电能表。
（1）谐波对感应式电能表的影响
传统电磁感应式电能表是根据基波设计制造的。当出现高次谐波分量电压与电流时，电能表中电压线圈的阻抗就会发生变化，进而引起工作电压与电流的磁通发生变化，导致电磁转盘的驱动力改变，给电能计量带来误差；与此同时，谐波和基波能够发生相互叠加致使波形发生畸变，而线圈中的铁心属于非线性元件，其磁通不能随波形变化而呈现线性变化。发生畸变的电压与电流在通过电能表中的电磁元件时，磁通无法随波形变化而做出相应变化，使得电磁转矩不与平均功率成比例，也就是电能表无法实现不同频率的正弦电压与电流产生的电磁转矩的叠加，不能计量谐波的有功功率，这也造成电能计量误差。谐波带来的实际影响是多方面的：由于其引起的电能计量误差使得线性负载的用户无辜吸收谐波功率而多交电费；而非线性负载用户却发出谐波功率而又少交电费；供电部门受谐波影响表现为电力系统吸收非线性用户发出的谐波功率，将其转化为输送过程中的损耗，不仅少收取了用户的电费，而且增大了线路损耗，给电力部门带来巨大经济损失。
（2）谐波对电子式电能表的影响
电子式电能表是一种以单片机为核心，并且应用模数转换技术和脉冲技术的电能新型测量仪表。目前研制使用的电子式电能表基本是采用集成运算放大器按时分割原理，计量电网之中的电压与电流的乘积，而后通过V/F转换器把乘积转化成为脉冲，并且进行计数显示。电子式电能表较感应式电能表具有更宽的频率响应。当电网中的电压与电流信号只有一个发生畸变，且另一个仍为正弦波信号时，电子式电能表对电能的计量误差可忽略不计；但当电网中电压与电流均发生畸变时，由于电子式电能表频带更宽，这样将可以准确地计量谐波功率，如此一来，电子式电能表把基波功率和所有的谐波功率一同计入，引起的误差将大大超出感应式电能表的计量误差。因此，二者各有所长，不同情况下的计量误差也是存在较大差异的。
3 谐波影响下提高电能计量准确性的相关建议与对策
谐波对于电能计量准确性的影响主要是指谐波存在的情况下电能表无法实现基波功率与谐波功率的准确记录。下面针对谐波介绍一些方法以达到提高电能计量准确性的目的：
（1）电力相关部门需要提高技术与管理水平，制定严格的非线性负载准入准则，切实控制电网中谐波的含量，唯有谐波含量在允许范围内，才可确保电能计量的精准性。
（2）利用大变频电能表能够实现对线性负载基波功率的准确计量。但这种方法不适应非线性负载用户电能的计量。
（3）在电路中引进高阶低通滤波器过滤掉进入电能表的高次谐波，使得电能表仅仅记录基波功率消耗的电能。对于感应式电能表而言，可以利用单频调谐滤波、高通滤波和双频滤波等方式对线路进行滤波；对于电子式电能表而言，则可以通过加装集成的低通滤波器进行滤波。此方法能够帮助电力部门与线性负载用户避免在付费上因谐波功率而带来的额外损失，实施起来也比较容易。
（4）运用分频技术分别对基波电能和谐波电能进行计量，同时对谐波电能部分收取必要的惩罚性电费，对能够消耗或吸收谐波电能予以一定程度的奖励。
（5）利用宽频带功率电能表与工频基波电能表相互配合，共同发挥作用。这种方法既能够计量基波功率，又能够测量谐波潮流的大小与方向，实现了基波电能和谐波电能的精准计量；而且对非线性负载用户产生的谐波功率可以在经济上予以相应处罚以弥补电力部门的损失。此方法在计费上能够更加合理化，但由于其成本较高，真正实施起来有一定的难度，是未来研究的一个重要方向。
（6）选择性计量电能。把电压、电流信号经数模转换器转变成数字信号，再进行相位校正，通过数字化计算得到总的有功功率：a.若基波功率和谐波功率方向一致，即为线性负荷，此时只计量基波电能；b.若基波功率和谐波功率方向不同，即为非线性负荷，此时计量
基波电能和谐波电能的总和。此法从实际需要出发，将具有很大的推广价值。
4 总结
总而言之，谐波对电能计量的精准度与合理性都有着很大的影响，谐波不仅影响电力设备的正常运行，也让许多用户无辜承担了因谐波产生无功功率而带来的那部分费用。就目前来说，对基波电能和谐波电能区分开来计量是比较合理的计量方式。当然，随着电工电子相关技术水平的不断提高，电能计量的精准在不断提高，谐波带来的电能计量问题势必得到有效解决。
参考文献：
[1] 孙宏伟，于希娟，王大为，高树萍.谐波对电能计量的影响及其仿真分析[J].
电力电子技术，2006，（04）：123-126.
[2] 温和，滕召胜，胡晓光，王永，曾博.谐波存在时的改进电能计量方法及应用[J]
.仪器仪表学报，2011，01：15.
[3] 范威，王惠安.浅析谐波对感应式电能表计量的影响[J].科学与财富，2010，（11）：212-213.
[4] 葛景威，李东.谐波分析实现单一人体网络的泄漏电流测试[J].电子测量技术，2011，（07）：115-119.
[5] 王世刚.电力系统中谐波分析和抑制手段[J].中国高新技术企业，2011，（19）：124-125.
[6] 彭勇.电能质量等级划分方法的研究[D].保定：华北电力大学，2012.
关键词：谐波；电能计量；影响；对策
众所周知，电力作为国民经济发展和人民生产生活的重要能源，在当今社会中有着非常重要的地位。而电能的计量问题直接关系到发电、输电、用电三方的切身利益，并且电能计量可以牵扯到许多大型工程的造价以及其他方面的预算。然而，各冶金行业、大型起重机、大型牵引等设备中的一些电力电子元件带来的谐波问题严重影响了电力系统的稳定与安全，甚至能够给周边电网的正常运行带来危害。随着电力电子技术在各大领域的广泛应用，非线性负载越来越多，大量谐波流入电网系统导致电压、电流波发生畸变，极大地影响了电能计量的精准。谐波问题俨然已经成为电网的一大公害，为此，本文将针对谐波对电能计量的影响展开分析，并给出一些合理化的建议。
1 谐波产生的原因
谐波是存在于电力系统中的一个具有周期性电气量的正弦波分量，它的频率通常是基波频率的整数倍。电网中谐波来源于非线性负载；如整流器、变频器等电力变流装置，电弧炉一类非线性负载以及其他含有磁饱和特性的设备等。
谐波通常来源于以下三大方面：
（1）发电产生谐波：由于发电机的三相绕组无法实现绝对的对称，铁心没有绝对均匀，从而造成发电电源质量不够高，形成谐波；
（2）输配电系统产生谐波：由于输电系统中变压器的铁心饱和，其工作时磁密在磁化曲线的近饱和段；导致变压器磁化电流呈现尖项波形（含有奇次谐波）；
（3）用电环节产生谐波：用电环节中的谐波主要由电气设备产生，尤其是晶闸管整流设备；比如电力机车、充电设备、电源开关等给整个电网带来了大量的谐波，同时这也是谐波的主要来源。
2 谐波对电能计量的影响
谐波对电能计量准确性的影响是根据其在电网中含量大小来决定的，一般来说，谐波含量符合国际标准时这种影响相对较小，超出标准就会产生很大影响。谐波对电能计量的影响事实上是通过影响电能表的测量精度来实现的。常见电能表分为感应式电能表和电子式电能表。
（1）谐波对感应式电能表的影响
传统电磁感应式电能表是根据基波设计制造的。当出现高次谐波分量电压与电流时，电能表中电压线圈的阻抗就会发生变化，进而引起工作电压与电流的磁通发生变化，导致电磁转盘的驱动力改变，给电能计量带来误差；与此同时，谐波和基波能够发生相互叠加致使波形发生畸变，而线圈中的铁心属于非线性元件，其磁通不能随波形变化而呈现线性变化。发生畸变的电压与电流在通过电能表中的电磁元件时，磁通无法随波形变化而做出相应变化，使得电磁转矩不与平均功率成比例，也就是电能表无法实现不同频率的正弦电压与电流产生的电磁转矩的叠加，不能计量谐波的有功功率，这也造成电能计量误差。谐波带来的实际影响是多方面的：由于其引起的电能计量误差使得线性负载的用户无辜吸收谐波功率而多交电费；而非线性负载用户却发出谐波功率而又少交电费；供电部门受谐波影响表现为电力系统吸收非线性用户发出的谐波功率，将其转化为输送过程中的损耗，不仅少收取了用户的电费，而且增大了线路损耗，给电力部门带来巨大经济损失。
（2）谐波对电子式电能表的影响
电子式电能表是一种以单片机为核心，并且应用模数转换技术和脉冲技术的电能新型测量仪表。目前研制使用的电子式电能表基本是采用集成运算放大器按时分割原理，计量电网之中的电压与电流的乘积，而后通过V/F转换器把乘积转化成为脉冲，并且进行计数显示。电子式电能表较感应式电能表具有更宽的频率响应。当电网中的电压与电流信号只有一个发生畸变，且另一个仍为正弦波信号时，电子式电能表对电能的计量误差可忽略不计；但当电网中电压与电流均发生畸变时，由于电子式电能表频带更宽，这样将可以准确地计量谐波功率，如此一来，电子式电能表把基波功率和所有的谐波功率一同计入，引起的误差将大大超出感应式电能表的计量误差。因此，二者各有所长，不同情况下的计量误差也是存在较大差异的。
3 谐波影响下提高电能计量准确性的相关建议与对策
谐波对于电能计量准确性的影响主要是指谐波存在的情况下电能表无法实现基波功率与谐波功率的准确记录。下面针对谐波介绍一些方法以达到提高电能计量准确性的目的：
（1）电力相关部门需要提高技术与管理水平，制定严格的非线性负载准入准则，切实控制电网中谐波的含量，唯有谐波含量在允许范围内，才可确保电能计量的精准性。
（2）利用大变频电能表能够实现对线性负载基波功率的准确计量。但这种方法不适应非线性负载用户电能的计量。
（3）在电路中引进高阶低通滤波器过滤掉进入电能表的高次谐波，使得电能表仅仅记录基波功率消耗的电能。对于感应式电能表而言，可以利用单频调谐滤波、高通滤波和双频滤波等方式对线路进行滤波；对于电子式电能表而言，则可以通过加装集成的低通滤波器进行滤波。此方法能够帮助电力部门与线性负载用户避免在付费上因谐波功率而带来的额外损失，实施起来也比较容易。
（4）运用分频技术分别对基波电能和谐波电能进行计量，同时对谐波电能部分收取必要的惩罚性电费，对能够消耗或吸收谐波电能予以一定程度的奖励。
（5）利用宽频带功率电能表与工频基波电能表相互配合，共同发挥作用。这种方法既能够计量基波功率，又能够测量谐波潮流的大小与方向，实现了基波电能和谐波电能的精准计量；而且对非线性负载用户产生的谐波功率可以在经济上予以相应处罚以弥补电力部门的损失。此方法在计费上能够更加合理化，但由于其成本较高，真正实施起来有一定的难度，是未来研究的一个重要方向。
（6）选择性计量电能。把电压、电流信号经数模转换器转变成数字信号，再进行相位校正，通过数字化计算得到总的有功功率：a.若基波功率和谐波功率方向一致，即为线性负荷，此时只计量基波电能；b.若基波功率和谐波功率方向不同，即为非线性负荷，此时计量
基波电能和谐波电能的总和。此法从实际需要出发，将具有很大的推广价值。
4 总结
总而言之，谐波对电能计量的精准度与合理性都有着很大的影响，谐波不仅影响电力设备的正常运行，也让许多用户无辜承担了因谐波产生无功功率而带来的那部分费用。就目前来说，对基波电能和谐波电能区分开来计量是比较合理的计量方式。当然，随着电工电子相关技术水平的不断提高，电能计量的精准在不断提高，谐波带来的电能计量问题势必得到有效解决。
参考文献：
[1] 孙宏伟，于希娟，王大为，高树萍.谐波对电能计量的影响及其仿真分析[J].
电力电子技术，2006，（04）：123-126.
[2] 温和，滕召胜，胡晓光，王永，曾博.谐波存在时的改进电能计量方法及应用[J]
.仪器仪表学报，2011，01：15.
[3] 范威，王惠安.浅析谐波对感应式电能表计量的影响[J].科学与财富，2010，（11）：212-213.
[4] 葛景威，李东.谐波分析实现单一人体网络的泄漏电流测试[J].电子测量技术，2011，（07）：115-119.
[5] 王世刚.电力系统中谐波分析和抑制手段[J].中国高新技术企业，2011，（19）：124-125.
[6] 彭勇.电能质量等级划分方法的研究[D].保定：华北电力大学，2012.