电力工程中电能计量谐波问题及影响
潘星宁
（广东电网有限责任公司清远供电局511500）
摘要：电费回收率和线路损耗率是考核供电企业的重要指标，而这两者都以电能计量作为基础和依据，因此研究电力谐波对电能计量的影响及解决措施具有重要的意义。
关键词：电力工程；电能计量；电力谐波
一、谐波产生的原因及测量方法
1．谐波产生的原因。电力系统中谐波的产生主要来自于以下三个方面：一是发电源质量不高产生谐波。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他的一些原因，发电源多少会产生一些谐波，但一般来说很少。二是输配电系统产生谐波，输配电系统中主要是电力变压器产生谐波。由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大。三是用电设备产生的谐波，主要是晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。统计表明，由整流装置产生的谐波占所有谐波近40%，这是最大的谐波源。
2．谐波测量方法。谐波测量是解决谐波问题的关键，它是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。通过对谐波的测量，可以实时地监测电网中谐波的含量及其潮流方向，借此分析谐波的流向，计量正反向谐波电量、各次谐波的含有率、谐波电压电流幅值、相位等参数，为电力部门制定相应的谐波治理政策提供必要的依据。
由于谐波具有非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量。目前电力谐波测量的主要方法有以下几种：采用模拟带通或带阻滤波器测量；基于傅立叶变换的谐波测量；基于瞬时无功功率的谐波测量；基于神经网络的谐波测量；利用小波方法的谐波测量。这些方法各有优缺点，其中基于傅立叶变换的频域分析是谐波测量当今应用最多也是最广泛的一种方法。
图1电磁式电能表的误差频率特性曲线
二、谐波对电能计量的影响
1．谐波对电磁式电能表的影响。传统的电磁式电能表是利用处在交变磁场金属中的感应电流与有关磁场形变力的原理制成，由于这类电能表是按照工频正弦波设计制造的，只能保证在工频范围很窄的频带内具有最佳的工作性能，当电力系统中的波形发生畸变，感应式电能表不可避免地会产生计量误差。
根据图1得出：电磁式电能表的电能计量误差频率特性曲线呈迅速下降趋势；计量误差随频率的增高而增大；谐波频率为20倍频(1000Hz)左右时，误差超过了-90%；不同功率因数下的误差值有一定的差异。
从计量原理上对电磁式电能表进行分析，得出电磁式电能表在谐波条件下计量的电能一般不能正确反映用户实际使用的电能，具体如下：：
(1)当用户为线性用户时，谐波与基波潮流方向一致，电能表计量的是基波电能和部分谐波电能，计量值大于基波电能。线性用户不但受到谐波损害，而且还要多交电费。
(2)当用户为非线性用户（即谐波源）时，用户除自身消耗部分谐波外，还向电网输送谐波分量，向电网输送的这部分谐波潮流与基波潮流方向相反，电能表计量的电能是基波电能和扣除这部分谐波电能，计量值小于基波电能值。非线性用户虽然污染了电网，反倒少交了电费。所以随着电网谐波的增多，人们对电能质量的要求越来越高，电磁式电能表逐步会被淘汰。
2．谐波对电子式电能表的影响。
目前，电子式电能表在城市电网中已经得到普遍使用，我国的电子式电能表主要采用模拟式分割乘法器实现测量电功率和电能。随着电力系统谐波含量的不断增加，电子式电能表在谐波下的计量不可避免地出现误差。
根据图2可得出：电子式电能表具有更宽的频率响应。电子式电能表的计量误差也是随着谐波频次的升高而增加，但电子式电能表计量误差比电磁式电能表计量误差小得多，20倍频谐波的频率特性误差值不超过4%。
图2电子式电能表的误差频率特性曲线
通过对电子式电能表进行误差分析得出：电子式电能表由于频带较宽，对基波电能和谐波电能都能较准确计量，但值得注意的是它把谐波功率和基波功率同等对待，这样计量误差会增大。它的电能计量模型为：F=E1+∑Eh。
3.谐波对数字式电能表的影响。
数字式电能表是在电子式电能表的基础上提出的，它是使用数字乘法器，采用A/D转换器将电压和电流进行数字化相乘，可以达到很高的测量准确度。数字式电能表通常在一定周期内对电压、电流信号进行采样处理，当系统频率波动时，采样周期很难达到与实际的信号频率同步，就会出现频谱泄漏和栅栏效应，使电能计算出现误差。以下介绍几种减小采样误差的方法：
(1)先测频后采样。先通过测量信号波形相继过零点间的时间宽度来计算频率，再根据得到的频率确定采样周期进行采样和谐波分析。
(2)测频和采样同时进行。由于电力系统中的频率是经常波动的，所以采样时间间隔应该随着系统频的波动而变化，这就是频率跟踪算法。最初是同步采样跟踪系统频率的变化，采样频率不再是恒定不变的，当系统频率发生变化时，采样频率fs自动在中心采样频率fso上下波动，通过动态调整采样周期Ts来实现fs／f1=N为不变整数，以保证采样频率与信号频率同步。
(3)先采样后测频。这是在传统FFT算法的基础上提出的，是针对解决FFT算法在非同步采样时存在较大误差问题提出的方法，而且这两种算法可以明显提高测量精度。
①基于修正采样序列的FFT算法：主要是用于当采样频率与系统频率不同步时，进行谐波分析。当采样不同步时，首先对原始采样序列做泰勒级数展开，忽略高阶系数，得到新序列，从而对信号采样序列进行一次修正，得到基本满足整周期采样的采样序列。然后再应用FFT进行谐波分析，计算出各次谐波的幅值和相角，最后得到基波功率和基波电能。
②基于插值同步化的FFT算法：它是从非同步采样数据的同步化角度寻求解决频谱泄漏问题的方法。该同步化方法的思想是在截取M个非同步采样点的基础上构造整周期的N个理想同步采样点，即通过在时域上采用插值方法得到近似理想同步采样点序列。
由于目前各种数据采样技术和算法已经发展得比较成熟，因此，数字式电能表可以在谐波存在的条件下，比较好地对电能进行计量。
三、计量方式的选择
目前，小区一般都是集中抄表，大工业、普通工业等大用户使用多功能电子式电能表，普通居民用户、非工商业及其它排灌等大用户使用感应式电能表。电能计量按照国家发改委的规定，对用户按类型分类实行不同的电价，采取电能表只反映基波功率而完全不反映谐波功率的方式。这样，对电力部门和线性负载用户来说，虽然受了谐波的影响，但在付费上却避免了因谐波功率而引起的额外损失；对非线性负载用户来说，虽然全部承担了基波电能的费用，但远远不能补偿电力系统因其产生的谐波而受到的损失，这种计量方式在电能计量上较容易实施。
但是，能反映实际电能并不等于就是理想的计量方式，特别是随着用户对电能质量要求的不断提高和非线性负载的大量使用，由丁谐波的存在而导致对用户利益的损害和对电力系统非经营成本的增加问题日益尖锐，这使得我们必须实施并推广一种全新的计量方式。
四、结束语
电能计量是电网经济核算的依据，其精度关系到电力供需双方的经济效益。而电力谐波的存在，使得电能计量失准，这给供用电双方都带来影响。随着电力电子技术的发展，电网中的谐波污染越来越严重电能表是否准确、真实地反映非线性用户的用电量还是一个正在探讨的问题。
参考文献：
[1]杜定勇，论述电力工程中电能计量谐波问题及影响分析；经营管理者，2011-11-05
