谐波背景下电能计量系统的计量误差研究

谐波背景下电能计量系统的计量误差研究

张玉敏

国网河南省电力公司杞县供电公司河南开封475200

摘要：近年来，我国的电能已经得到了全面的普及，电能的应用也达到了一个前所未有的程度，但在这样的前提下，我国的电能计量系统却存在着一定的计量误差，计量误差的存在影响了人们对电能的使用，谐波作为引起计量误差的主要原因之一，我们有必要对谐波背景下电能计量系统的计量误差进行研究。基于这样的现状，本文从谐波的概念出发，分析了谐波产生的原因，探讨了谐波对电能计量系统的影响，找出了相应的改进措施，希望对电能计量系统的改进有一定的帮助。

关键词：谐波背景；电能计量系统；计量误差；研究

一、引言

电能的出现改变了人们的生活和生产方式，电能也已经成为了人们必不可少的生活必需品之一。我国电能的收费是借助电能计量工具对用户消耗的电能进行计量，根据计量的数据和当前的电费情况进行计费的，因而计量的准确性变得愈加重要。在这样的前提下，我国的电能计量系统在计量时存在着由非线性负荷引起的谐波问题，它使得计量的准确率、计量的合理性以及计量的效率低下，本文正是以此为基础展开分析。

二、谐波的概念

谐波(harmonicwave)具有狭义和广义两个概念，从狭义上来说谐波指的是周期性的、非正弦的电量进行傅里叶分解后获得的大于基波频率大于产生的电量。从广义上来说，交流电网产生的有效分量是单一的频率，因而它可以被称为任何不同工频的谐波，而我们所探讨的间谐波、分数谐波以及次谐波均是出于广义谐波的概念。

三、谐波产生的原因

在电能的普及过程中，有关电能的各行各业大都抓住了发展的契机，使得人们对电能的需求（包括质量和数量）越来越高，在这样的前提下，电网中的负荷、电容等使得电网已不能使用的满足需求，进而产生了一些谐波现象。笔者认为，谐波产生的原因主要有以下几个：

1.发电技术不过关

大机器、高能源的使用给我国的电力企业提出给高的发电要求，不仅发电量要充足，发电的质量也要足够高。基于我国电力企业发展速度相对较慢的现状，目前而言，我国大多数三相发电机还不能实现绕组的完全对称，使得发电机在发电的过程中产生的电流不能按要求绕过铁芯，这不单单是影响了发电的质量，偏心的电流还促使了谐波的产生。

2.电能的输送系统不合理

由于我国人口众多，工业发展迅速，使得电能的需求量越来越高，电力系统的运行负担也随之增加。现阶段在电能的输送过程中也极易产生谐波，其源于输电变压器铁芯的饱和。由于技术等方面的原因，铁质的变压器在运行过程中极易产生电生磁现象，长此以往，铁质变压器就会发生磁化，磁化的变压器将会诱发磁化曲线，该曲线不仅会影响电能的输送，还会引发尖项波形想象，最终将产生奇次谐波。

3.电能的使用不合理

我国电能的普及工程量巨大，因而现阶段有些地区的电能使用已不是问题，但电能设备却存在着一定的落后现象，这样的现象也诱发了谐波的产生。一是现阶段大多数的居民都采用含有晶闸管的电力设备，而晶闸管的存在就使得设备在运行时会产生各种各样的谐波；二是单相电流电路与感性荷载的搭配，这将诱发系统出现奇次谐波。

四、谐波对电能计量系统计量误差的影响

对电能计量系统而言，误差的存在将严重影响电力企业的形象，即使误差再小，对于大型用电企业而言，都将造成大额的电费差距。而谐波的存在就导致了计量误差必然存在，笔者认为，谐波对计量误差主要有以下几个方面的影响：

1.谐波对电磁感应线表的影响

就我国目前常用的电磁感应线表而言，它的运行借助的是基波原理，在这样的前提下，电磁感应器运行过程中是不允许出现谐波的。但在实际的电网运行中却经常出现谐波现象，这导致电磁感应线表中的电压线阻抗会忽大忽小，电阻的不稳定就使得流过电磁感应线表的电流以及加在电磁感应线表两端的电压处于一个波动的状态，最终使得电磁感应线表的数据出现误差。

在有基波时假如产生了谐波，尽管谐波不能使基波直接变化，但谐波直接叠加在基波之上也使得磁通和波形发生非线性的变化，因而电磁转矩和平均功率的正比关系无法存在。基于这样的情况，借助改进电磁感应线表来降低或避免计量误差是不可取的。

2.谐波对电子电能表的影响

在我国的电网和供电完成普及后，我国大多数家庭和单位使用的大都是全电子式的电能计量表，该表的运行原理是依赖内部的处理器对不同频率的正弦电流和电压进行采样、计算以及分离的。该表在运行过程中根据负载谐波和基波的变化对所使用的电量进行计量。

就目前情况而言，一是电子电能表在利用基波进行采样时，往往受到谐波电流的影响，这就使得基波的运行方向与负载电流相干扰；二是当谐波电流流经电网时，外来的谐波将会影响电子电能表对谐波和基波的计算和分析，这使得我们记录的数值和实际的电能消耗存在一定的误差。同样的，这一误差的消除借助电子电能表的改进也是不可取的。

3.谐波对电能计量系统的影响

电能计量系统由五个部分组成：电能表、TA、LVT、计量二次回路以及电子电能表等。等级高的电压和电流由互感器进行低压装换，输送到电能表的低压值经过转换后计算出相应的功率。

事实上，电能计量系统的各部分都会受谐波的影响进而产生一定的计量误差。误差主要有相位误差和幅值误差两类，为具体说明情况，本文将借助仿真的方法进行一定的分析。

建立实验利用的仿真模型（借助PSCAD/EMTDC搭建），设置电压源有效值为1KV，0相位，用不同频率的谐波对该电源进行干扰。通过对结果的分析发现，LVT基波电压的准确性是满足要求的；但谐波的电压测量值却有着近100%的幅值误差，不仅如此，LTV谐波电压还存在着严重的相位偏差。

五、降低误差的措施

电能计量系统计量误差的存在使得用户对电力企业存在着一定的不满意现象，电力企业的形象也大打折扣，因而现阶段有必要采取必要的措施消除谐波造成的计量误差。

1.发电技术的改进

对于大型的发电机而言，技术的不过关使得三相绕组的对称存在一定的问题，因而我国的发电技术应做出一定的转变以消减谐波对电能计量的影响，笔者认为，主要有以下几个方式：一是加强自我研发，发明饱和性强度高的铁芯，使电流按要求绕过铁芯时更加的容易；二是引进国外的高新技术，通过对国外技术的使用和研究以消除计量误差。

2.电能输送系统的改进

我国面积庞大和人口众多的国情使得电能输送的压力逐渐增加，因此现阶段电能计量系统不仅要可以满足供电需求，还要满足抗干扰需求，尤其是抗谐波的需求。笔者认为，电压输送系统一是要增加变压器的抗磁化能力，如采用磁化中和的形式或者换成其他材质的变压器；二是要加强输电线的自我调节能力，改进输电线的保护层使之尽可能的避免谐波的干扰。

3.用电设备的改进

我国现阶段大多数的用户使用的电能设备都是采用了抗谐波能力较差的晶闸管，这使得谐波的出现几率大大增加。因此国家和电力系统一定要加大投入，以增加用电设备的更换速度；居民也要响应国家的号召，以尽可能的避免谐波对计量误差的影响。

4.电力企业要强对计量误差的管理

一是电力企业要培训技术过关的人才对相关的设备进行及时的检查和修整；二是工作人员要进行必要的走访对实际用电量和电能的计量进行对比和分析，以找出问题出现的原因，进而保证供电的公平性。

六、结束语

人们对电能依赖的增加使得电能准确计量的重要性越来越高，但由于谐波的存在使得电能计量系统存在着较严重的计量误差，本文对误差产生的原因以及消除误差的方式进行了一定分析，希望对维护电力企业和用户的利益有一定的帮助。

参考文献

[1]杨金涛，乐健，汪妮等.谐波背景下电能计量系统的计量误差分析[J].电力系统自动化,2015.

[2]赵伟，彭宏亮，孙卫明等.谐波条件下基于计量误差量化分析的电能计量方案[J].电力系统自动化,2015.

[3]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.