谐波对电能计量的影响分析
Ｉ 一皇王研霾…………………………．
谮波对电能计量的髹响分析
宁海供电局王庆娟
【摘要】介绍了谐波产生的原因及其对感应式电能表和电子式电能表的影响，从感应武电能表和电子式电能表频率响应曲线入手，分析了由于谐波的存在而引起的电能计
量仪表误差的变化情况，并提出了提高测量精度的策略和建议。
【关键词】谐波；电能计量；感应武电能表；误差
１引言
随着电力电子技术在各工业部门和用电
设备中的广泛应用，现代工业生产设备中使用
的交直流换流设备、电子调压设备、电弧炉、
感应炉以及家用的照明和加热设备，都会产生
大量的谐波电流而注入电网，这将使得电力系
统中的电压和电流波形发生严重的畸变，使电
能质量下降，对输电设备、测量仪器、通讯设
备、计量仪表等都将产生不同程度的影响 ］。
２．电能表的计量原理
２．１感应式电能表结构及工作原理
电能表由电磁元件（包括电压元件和电流
元件），转动元件，制动元件，计度元件，轴
承等构成。
（１）驱动装置由电压电磁铁、电流电磁铁
和装于轴上的铝质圆盘构成。用来产生驱动力
矩，驱动力矩正比于被测电路消耗的功率：
Ｍ：ｋｌＰ （１）
（２）转动元件由铝质转盘和竖转轴用合金
压铸在一起组成。
（３）制动装置由永久磁铁与圆型铝盘构
成，大小正比于铝盘的转速：
Ｍ６＝Ｋ２ｎ （２）
当转动力矩 与制动力矩 相等的时候
铝盘将以匀速转动，此转速Ｎ正比于电路的功
率：
Ｎ： ：ｋＰ ｋ，
（４）计数装置是一个十进制的机械式计数
器，用来记录铝盘转数。
ｔｔ ｔｔ Ｎ＝ｌ诎＝ｋ＼Ｐｄｌ：ｋＥ
ｆ２ ，２ Ｅ：ＬＮ：ＣＮ （５） ｋ Ｃ称为电能表常数。铝盘转数乘以常数Ｃ就
是被测电路消耗的电能。
２．２电子式电能表工作原理
电子式电能表的结构主要包括：输入部
分、乘法器、积分部分、输出部分。电子式电
能表工作原理是通过电压采样和电流采样，将
电压信号和电流信号送入乘法器得到功率，然
后通过积分电路，也就是进行Ｖ／Ｆ压频变换，
得到对应的频率，通过对频率信号计数得到被
测电路消耗的电能值送至输出。
３．谐波对电能计量准确性的影响
电能计量装置是针对工频正弦波电压设计
的，由于谐波的存在使得电能计量装置偏离约
定的计量环境状态，产生误差。谐波是一个周
期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的
整数倍，从理论上讲任何周期性波形都可以将
它分解为傅里叶级数来进行分析，也就是进行
频域分析，因此电能计量装置的频率特性是研
究基波变形对电能计量影响的重要依据。
３．１感应式电能表的频率特性
一４２一 电｛产ｔ！ｔＨｔｌｔ 根据已经建立的感应式电能表频率特性
模型，采用ＭＡＴＬＡＢ 数学工具软件模拟仿真，
将数据直接进行图形化处理，可以直观方便地
展示输入、输出之间的关系。通过程序绘制图
形，可以得到感应式电能表的误差频率特性曲
线。
（１）感应式电能表的计量误差频率特性曲
线呈迅速下降趋势，即感应式电能表在计量高
频电能误差时，会出现负误差；
（２）计量误差随频率的增高而增大；当频
率为１０００Ｈｚ左右时，误差超过了一９０％；
（３）不同功率因数下的误差值有一定的差
异。
３．２电子式电能表的误差频率特性
电子式电能表的误差频率特性曲线从参考
资料上可以见得 Ｊ。随着频率升高，误差值增
大，整个曲线近似为一个二次曲线。和感应式
电能表相同，电子式电能表计量误差随着谐波
频次的升高而增加，但总体来看，电子式电能
表计量误差比感应式电能表计量误差小得多，
２０次谐波频率特性误差值不超过４％。
３．３感应式电能表和电子式电能表的误差
频率特性比较
通过两者的频率特性可以看出：感应式电
能表随着高次谐波的增加，误差频率特性曲线
衰减很严重，而电子式电能表的误差频率曲线
则相对平坦，这说明电子式电能表具有较宽的
频率响应特性。
以上分析可以得出：感应式电能表有迅速
下降的误差频率特性，使得感应式电能表只能
计量谐波的一部分。若以 表示基波电能，ｗｎ
表示谐波电能，Ｗ表示电能表所计量的电能，
则感应式电能表反映电能值近似可表示为：
Ｗ Ｗｚ＋∑Ｋ （６）
其中：Ｋ 为谐波电能系数，表征谐波被计
量的程度，显然Ｋ １，且随谐波频率次数增加
而减少。
电子式电能表误差频率特性曲线变化较为
平缓，即电子式电能表计量基波电能和几乎全
部谐波电能。因此电子式电能表计量可近似表
示为：
Ｗ＝Ｗ。＋∑ （７）
在以全能量为计量标准的计量中，电子式
电能表的计量误差接近于零，但是以基波为计
量标准的计量中，电子式电能表的计量误差将
比感应式电能表的计量误差大。
４．谐波对电能计量合理性的影响
４．１谐波作用下的计量方式
按照对谐波的反应能力，电能表有三种计
量方式：
（１）反映基波功率和有限的一些谐波功
率；如感应式电能表；根据实验研究，感应式
电能表其近似模型为：
（８） 式中 一基波电能
一谐波电能
一特性系数，由于感应式电能表有下降 的频率特性，故有Ｋ ＜１
（２）反映基波和谐波功率：如宽频带的电
子式电能表；根据研究结果表明，电子式电能
表是宽频带计量仪表，因此电子式电能表近似
模型可表示为：
Ｗ＝ ＋ （９）
（３）只能反映基波功率，不能反映谐波功
率；目前这种电能表还未在商业上推广应用。
＝ （１Ｏ）
４．２两种电能计量标准及计量误差分析
如上所述，两种计量方式分别为：
（１）计量全能量，可表示为：
（１１） 式中Ｈ 一全能量。
（２）计量基波电能，即 。
１）若以全能量作为计量的标准，感应式电
能表的误差为：
％： ×１ｏｏ％ （１２）
２）当以基波电能作为计量标准时，感应式
电能表的误差为：
％：—ｗ－—ｗ，×１００％ （１３）
当谐波功率为正时：
１００％ ０ （１４） ％ 竺Ｌ～× ＞ … ｔ 即谐波功率与基波功率方向相同时，谐波
功率由系统注入用户，用户电能表计量电能大
于基波电能。
当谐波功率为负时，则：
∑Ｋ
％＝————ｘ１００％＜０ （１５）
即当谐波功率与基波功率方向相反时，谐
波功率由用户注入系统，用户的计量电能比实
际吸收的基波电能少。
３）对于电子式电能表，以全能量作为标
准，误差为：
％： ×１００％ （１６） ，， ４）若以基波为计量标准，则：
１００％ （１７）％＝ 一× ｔ ７Ｊ
谐波功率为正，误差为正：谐波功率为
负，误差为负。
综合前面的分析结果，不论以哪种计量标
准计量电能，由于电网中谐波的存在，都会带
来一定的计量误差。
４．３当前电能计量方式的不足
传统的全能量计量方式是计量基波电能和
谐波电能的代数和，针对实际电力系统，在电 …………………………．皇王研霾．． Ｉ
１ ＯｋＶ配电系统继电保护设计初探
保定供电公司杨超
【摘要】本文主要结合笔者多年的实际工作经验，首先阐述７１０ｋＶ￣电系统继电保护的必要性，介绍了１０ｋＹｉ￣Ｌ电系统继电保护常见几点问题，并且就如何解决这些问题
进行探究分析，提出了几点改进措施，在一定程度上促进了我国１０ｋＶ￣电系统继电保护事业的发展，给广大同仁在今后的工作中提供借鉴意义和参考价值。
【关键词】１０ｋＶ配电系统；继电保护；问题；措施
随着社会经济的发展，电力供配的技术标
准也起来越高。且配电系统供配电一体，运行
方式众多，设备类型复杂，给继电保护带来一
定难度。本文主要结合笔者多年的工作经验，
对１０ｋＶ配电系统继电保护几种常见问题进行了
阐述，并针对几种常见的问题，提出了改进策
略，供广大同仁参考借鉴。
１．１ ０ｋＶ配电系统继电保护重要性
随着经济的发展，电网规模的不断扩展，
１０ｋＶ配电系统覆盖的范围越来越大，系统中所
涉及的电力设备也越来越多，越来越密集和精
密，系统运行环境也越来越复杂，发生的故障
的可能性增大，一旦发生故障，就会严重影响
到整个配电系统的正常运行。为了确保１０ｋＶ配
电系统的正常稳定运行，我们一定要正确设置
继电保护装置，继电保护装置是否正常运行直
接影响到整个１０ｋＶ配电系统的正常运行，是整
个系统不可或缺的重要部分。因此，做好１０ｋＶ
配电系统的继电保护工作，掌握继电保护要
领，在当今１０ｋｇ配电系统维护工作中显得尤为
重要。
２．ｔ０ｋｖ配电系统继电保护常见问题
２．１励磁涌流的影响问题
在１０ｋ￣配电系统保护中，电流速断保护是
较为主要的保护之一，它是依据电路在最大负载
运行模式下，按照线路末端三相短路电流来进行
整定的，鉴于其灵敏度大于ｌ＿２，则我们通常取
比较小的动作电流值。尤其是在输电线路较长，
配电变压器较多，系统具有比较大的阻抗时，动
作电流取更小的值。所以，也就是说在整定电流
时，没有将列配电变压器在投运时产生的励磁涌
流考虑进来，没有考虑其对无时限电流速断保护
的影响。换句话说，这时的励磁涌流初始值远远
大于无时限电流速断保护值，这就造成一些变电
所的１０ｋＹ输出线在检修后，能正常运行时，当合 上开关时会出现保护动作跳闸或者是在系统运行
过程中出现多次跳闸。
２．２变、配电所保护受电流互感器饱和的
影响
随着电网系统规模不断扩大，１０ｋＶ系统
的短路电流也会随着变大。如果变、配电所出
口处发生了短路故障，其短路电流通常非常
大，甚至有点比电流互感器一次侧额定电流都
要大，达到好几百倍。当出现稳态短路时，电
流互感器变比误差是由一次短路电流误差决定
的，一次短路电流误差越大，电流互感器变比
误差就越大，导致灵敏度较低的电流速断保护
器可能会出现拒绝动作的现象。在１０ｋＶ配电系
统出现短路时，因为电流互感器饱和，二次侧
的电流就会很小甚至为０，这就造成定时限电
流速断保护装置拒绝动作。如果在变电所１０ｋＶ
出线发生短路故障，那么就需要靠母联断路器
或者主变压器后备保护来进行切除，消除故
障。如果不能及时排除故障，则会由于故障时
间太长，使故障扩大范围，祸及整个变电输电
系统。如果在配电所出线处发生过流保护拒绝
动作，那么将整个配电所停电，造成国家和人
民的经济财产损失。
３ １０ｋｖ配电系统继电保护问题改进措施
３．１防止涌流引起误动的策略
励磁涌流大小是随着时间变化而衰减的，
起初的励磁涌流值都比较大，对于小型的变压器 而言，经过七至十个工频周波之后，。涌流大小几
乎衰减到可以忽略不计的范围内。我们可以抓住
涌流这个特征来防止涌流过大，我们可以对电流
速断保护增加一定的时间延时，可以有效地避免
励磁涌流引起的误动作。这种策略的最大的优点
在于其不用对保护装置进行改造，尽管这种方法
会在一定程度上增加故障时间，但是对于１０ｋＶ配
电系统来说，这些影响是微乎其微的。为了有效 保证系统可以避开励磁涌流的影响，在保护装置
的回路中也要加入延时时间。一般情况下，我们
在无时限电流速断保护以及其加速回路中加入
０．１－０．５ｓ的延时时限。
３．２电流互感器饱和的避免措施
针对电流互感器饱和这一问题，我们可以
从以下两个方面着手进行有效地避免
（１）我们应该选择合适的电流互感器变
比，不宜过小。一般对于１０ｋＹ配电系统选用电
流互感器变比最好大于３００／５。
（２）对于电流互感器的二次负载要尽量减
少。尽量使继电保护装置和计量装置分开使用
独立的电流互感器；尽量使用较短的电流互感
谐波对电力计量的影响及解决措施
谐波对电力计量的影响及解决措施
摘要：随着我国综合实力的不断增强，电力在我国的现代化建设过程中发挥着越来越重要的作用，保证电力工作实现长远平稳的发展是所有电力工作者的最大心愿，因此各电力公司采取相应的措施来保证电力体系的更加完善。谐波会对电力计量产生重大的影响，占据着十分重要的位置，随着科学技术的不断改进，电力计量的方法与设备也愈加规范、科学。本文基于实践工作的经验，对谐波给电力计量带来的影响和解决措施进行了有效的分析和思考，并提出了相应的问题与解决方措施。通过与各位进行分享，希望能够给广大的电力工作者提供一些帮助和指导，以此来促进我国电力事业的完善和发展。
关键词：电力谐波；电能计量；电能表
引言：在现代社会中，电能与我们的生活息息相关，小到家庭、大到国家，都离不开电这种能源。为了准确衡量出发电企业与用供电企业之间交换的电量情况，以及供电企业与用户之间的消费电能量的少，需要在安装准确的电能计量装置。然而在电能计量方面，由于受多种因素的影响，使得计量结果不够准确，直接影响了发电和供电企业以及用户之间的经济利益，其中谐波对电力计量的影响十分突出，因此探究谐波对电力计量的影响就具有十分重要的现实意义，需要相关的电力工作者保持必要的关注[1]。
1、谐波产生的原因
在当前的情况下，电力系统中产生谐波的原因可以概括为以下三个方面，分别是：
1.1发电源质量不高产生的谐波
现如今的阶段，基于制造工艺所带来的限制，使得发电机三相绕组的绝对对称是很难做到的，在这种情况下，就会在某种程度上导致谐波的产生。
1.2在输配电系统中也会产生一定量的谐波
由于磁化曲线的非线性，变压器铁心的饱和以及在设计变压器时过度重视经济效益，大多数工作磁密都在磁化曲线的近饱和段上，使得磁化电流的波形成尖顶形，产生奇次谐波，并且随着铁心的饱和程度的提升，变压器工作点离线性越来越远，因此产生的谐波电流也就越来越大。
电能计量中谐波对计量结果的影响及防范
总第２７０期 电力技术探讨 ＤＯＩ编码：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００７—００７９．２０１３．０１１．０９８ 电能计量中谐波对计量结果的影响及防范 锕珊珊 摘要：电能计量是电力系统收费的依据，而电网中谐波的存在，使电能计量结果的合理性与准确性受到较大的影响，进而直接影响 发、供、用电三方的经济利益及交易的公平性。针对这一实际问题，采用理论分析和仿真实验相结合的方法，探究谐波对电能计量结果 的影响，并在此基础上提出具体的防范措施，以期能更好地促进当前电力系统的安全、合理、有效运行。 关键词：电能计量；谐波；电能表 作者简介：何珊珊（１９８０－－），女，河北乐亭人，冀北电力有限公司唐山供电公司营销部综合室，工程师。（河北唐山０６３０００） 中图分类号：ＴＭ６０ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—００７９（２０１３）儿一０１９５—０２ 随着电力系统非线性用电负荷的Ｅｔ益增多，电力系统中的谐 波不断增加。电力系统谐波不仅对供电系统造成污染，对电力 设备构成危害，而且对电能计量结果产生较大的影响。电能表 作为电能计量的重要基本量具，电能计量结果的精度在很大程 度上是由电能表的计量准确度所决定的。由于谐波的存在使电 能表产生误差，造成电能表读数与实际所用负荷数不符，影响电 能的正确计量。其中，感应式电能表由于其计量原理的限制，对 于谐波条件下的电能计量有较大的计量误差，而电子式电能表 在谐波情况下也产生一定的计量误差。Ⅲ而且在谐波下，两种电 能表都存在计量准确性和合理性相互矛盾的问题。为此有必要 系统深入地研究在谐波影响下的电能计量方式和原理，对目前 电能计量中存在的问题提出合理的改进措施，以确保电能计量 准确，保障电力系统用户的利益和营运企业的经营效益。 一、谐波对电能计量影响的研究概述 １．谐波对电能计量影响的国内外研究概况 目前，国内外学者关于谐波对电能计量的影响进行了研究， 也取得一些成果，但缺乏系统和深入的理论研究和试验研究。由 于感应式电能表较电子式电能表出现得早，基于感应式电能表 相关的谐波对电能计量影响的研究成果相对较多，对电子式电 能表受谐波影响的研究尚不够深入也不够系统。嘲即便有了针对 感应式电能表的一些相关研究成果，但这些研究多是探讨谐波 对感应式电能表影响的研究，而且这些研究所基于的实验还不 够精确，不少研究成果从理论上推导出的感应式电能表的频率 响应模型也不够精确。在基于电子式电能表的相关研究基础上， 由于不同的电子式电能表计量方式也不同，即使在相同条件下， 所获得的结论也不尽相同，究竟哪种电能计量方法正确，尚有待 进一步进行研究。此外，谐波潮流在电网中流动而引起的谐波网 损特性问题，还需要进一步研究。只有搞清谐波网损的特性，才 能为谐波网损的准确计量奠定科学的理论基础。 ２．本文的研究方法 本文从理论上研究电力系统非线性负荷的基本特性和数学 模型，掌握各种非线性负荷产生的谐波特性；根据感应式电能 表和电子式电能表的基本结构和基本工作原理，研究系统供电 电源波形无畸变和畸变条件下，非线性负荷产生谐波或吸收谐 波的分布和谐波潮流；结合实际电力系统模型（线性负荷与非 线性负荷混合系统），计算谐波潮流的分布，并利用ＭＡＴＬＡＢ进 行仿真实验；选择谐波污染较为严重的有代表意义的观测点， 利用自行研制的配电网综合测量箱进行谐波测试和电能计量， 获取实际测试数据；在实时数字仿真系统（ＲＴＤＳ）上建立实际 电力系统模型，模型输出可控谐波电压和电流，经放大器输出接 人感应式电能表和电子式电能表，对不同谐波条件下的电能进 行计量，获取计量误差，与理论结果进行比较；根据理论研究、 仿真实验以及实时数字仿真系统（ＲＴＤＳ）模拟试验的结果，提 出结论性意见或改进方案。 二、谐波对电能计量结果的影响分析 笔者通过对包括大型钢铁 轧钢厂及电力机车牵引变电 站等在内的各种谐波污染较为严重的用户进行实地调研和收 集资料。根据现场调研的资料，建立非线性负荷的数学模型， 并根据现场测试数据和观测点的实际情况，在实时数字仿真 系统（ＲＴＤＳ）上进行现场模拟实验，模拟观测点的实际谐波情 况，经放大器将实际使用的感应式电能表和电子式电能表接 入模拟系统进行电能计量，分析计量误差，验证相关的理论 分析结果。在完成上述研究和试验后，根据理论分析、仿真实 验和ＲＴＤＳ模拟实验的结果，得出如下结论： 第一，研究谐波对电能表计量影响的重要依据是电能表 的频率特性，因此，电能表的频率特性曲线的稳定与否，在很 大程度上决定它在谐波功率下对电能计量误差影响的大小。 研究感应式电能表在谐波下的运行情况时发现感应式电能 表接人电路后，电能表的频率一旦发生变化，电能计量结果就 会出现误差。在相关实验分析的基础上，发现以上问题主要是 由如下几方面的原因所造成的：一是电能表的频率发生改变 时，非纯电阻的转盘就会产生感抗分量，这样就会引起转盘的 阻抗角和等效阻抗的改变，从而最终致使电能表的转速发生 改变，以至于电能计量结果产生误差；二是电能表频率的改变 会引发电流线圈磁通量的改变，而电流线圈磁通量的变化会导 致电流线圈驱动力矩的变化，从而也最终导致电能表转速的 改变，进而产生电能计量误差；三是随着频率的改变，电压线 圈磁通量也会发生相应的变化，从而使驱动力矩发生改变，电 能表误差也就会产生。 第二，研究感应式电能表在谐波下的运行情况时发现当检
谐波对电能计量的影响
●■●＿ －…．＾＾…＾Ｉ：＾ 研究与探索 ■豳 ｌ曩Ｕ＾ｌ＾， ｒ Ｉ １，－－１，■
防止电气设备污闪在线监测系统的研究
呼和浩特供电局宗奇君
近年来随着电力工业的不断发 面放电机理的研究尚未形成统一的看 灭；但当泄漏电流大时，因为这些局部
展，我国基本进入大电网、大电厂、大 法，但众多学者普遍认为污闪沿面放 小间隙中存在大量游离气体，电弧在
机组、高电压输出、高度自动控制的新 电不是一种单纯的空气间隙的击穿放 过零熄灭后仍将继续燃烧，在一定条
时代。装机容量越来越大、网架结构越 电，除非固体绝缘本身内部失效，污闪 件下就造成固体绝缘沿表面闪络。
来越复杂，这种形势下，如何保证电网 前外绝缘性能的变化主要是其本身的 二、影响污闪的因素
安全、可靠运行成为电力系统面临的 热效应等所引起的。它常是一种与电、 通过长期观察分析影响污闪的因
一项重大课题。长期的电网运行情况 热、化学因素有关的复杂的污秽表面 素有：
表明，考虑到运行环境因素等的影响， 气体电离以及伴随着局部电弧产生与 １．污物中含有ＮａＣ１等一价盐常 输电线路和变电站电气设备外绝缘要 发展的热动力平衡过程。当固体绝缘 对应较低的污闪电压，而含硫酸钙等
求在长期运行电压、大气过电压及各 表面有污层时，如污层干燥则泄漏电 成分常对应较高的污闪电压。污闪物
种内部过电压下都能够可靠运行。但 流一般都不大，以微安计；当污层受潮 中所含硫酸钙的比例越高，相应的污
是实际运行过程中，电气设备由于本 时污层中的可溶性盐、酸或碱类溶于 闪电压也较高。
身绝缘能力的下降经常造成电力事 水称为电解质，在瓷件表面形成一层 ２．绝缘子的污闪电压随污秽度的
故。而造成电气设备绝缘能力下降的 很薄的导电液薄膜，将使瓷件表面电 增大而逐渐降低，降低率则随污秽度 原因是多种多样的，如沉积在外绝缘 阻大大下降，泄漏电流大大增大，导电 的增加而减小，积污量越大，污闪电压 表面的污秽层受潮从而使设备绝缘能 性的污层泄漏电流可达数百毫安。泄 会减小。此外，绝缘子污染不均匀时将
谐波对电能表计量误差影响的分析
◇科技论坛◇ 科技嚣向导 ２０１３年３６期 谐波对电能表计量误差影响的分析 姚嵘李吉婷 （上海市电力公司浦东供电公司 中国上海２００１２２） 【摘要】文章将对电能表的工作原理与误差特性加以阐述，分析谐波对电能计量表的影响，说明谐波电能的出现，谐波对不同计量袁的影 响以及计量模式对电能表计量的影响．最后对电能计量方式进行分析与研究。 【关键词】谐波；电能表；计量误差 Ｏ．前言 电网经济核算的关键性依据．就是电能计量．其精确与否将直接 影响电力供求双方的经济利益 而作为电能计量的基础量具与关键部 分。电能表计量的准确与否。将决定着电能计量的精准度。近年来，一 些大容量的电力整流换流设备被广泛运用到电力系统中．导致供电系 统内出现了很多的谐波电流．并且其中的非线性负荷可以将回馈谐波 功率带给系统。进而影响到电能计量的科学性、精确性。因此，加强谐 波对电能表计量的进一步分析与研究，具有极为深远的意义。 １．电能表工作原理 １．１感应式电能表的工作原理 假使交变磁通从转盘绕过。出现感应电流。而在电流磁通、电压磁 通和装盘之间形成感应式的电流互相作用．同时在转盘中形成驱动力 矩。其计算公式为： ＭＱ＝Ｋ￣Ｉｑｂｒｓｉｎ￣ 其中，Ｋ表示的是系数， 表示电流磁通， 表示电压磁通， 代 表电流磁通超前电压磁通的相位角。为了确保转盘可以维持相对平稳 的转速，进而以此来准确表现负载的功率。将一个永久性的磁铁安装 在转盘中，能够使转盘形成制动力矩Ｍ ，而其计算公式表现为： ＭＴ＝Ｋ￣ｒＺｎｈＴ 其中，好Ｔ代表力臂，ｎ表示转盘转速，ｄ）Ｔ贯穿转盘的制动磁通， ＫＴ代表制动力。 １．２电子式电能表的工作原理 电子式电能表的工作原理可以利用下列公式表示： ｔ｛棼（ 其中，ｗ表示消耗的电能．△ｔ表示采样时间的问隔，ｋ代表采样 的序数，ｎ为采样的次数。上述公式说明：把电流乘以电压之后，再相 加，之后再乘以平均电能。如果在一个周期以内，ｎ较大，那么其得到 的电能就更加精准。。 ２．电能表的误差特性 ２．１感应式电能表 （１）电压特性：如果添加在电压线圈两端的电压出现了改变，那么 电能表将出现电压附加误差，被称之为电压误差。 （２）温度特性：通常将标准温度设定在２０℃。假使电能表所在位置 的温度不同于标准温度，将会出现附件误差，也就是温度误差。 （３）频率特性：如果电能表的额定频率和电网频率不一样，那么转 变引发电压和电流工作的磁通幅值与两者问的相位角差．就导致电能 表出现频率误差【１】。 ２．２电子式电能表 电子式电能表的误差基本上是由于表内分压器亦或者是电压互 感器、表内分流器亦或者是电流互感器等所引发的自。以下将对模拟乘 法器所导致的误差加以说明。即：（１）输入电压特性：通过运算放大器 及其它电路，最终实现了模拟乘法器，因此，伴随着输入电压的改变， 有非线性改变特点。具体见下图１。 占 ０－４．／———一 ｌ ／ Ｉ Ｉ ． 一∞ｗ 图１ 模拟乘法器误差输入电压特性 （２）温度特性：其所使用的技术为大规模集成电路技术，这致使温 度特性较好．温度的改变范围在一４０—８５℃以内．可以基本忽视误差的 变化。 ３．谐波对电能计量表的影响 ３．１谐波电能的产生 电能系统自身所含有的能．就能形成谐波，电流的非线性元件有 电抗器组、变压器的空载电流等等。但是，电力系统谐波电能的出现， 更为重要源头是各类非线性的负荷用户，例如电气拖动装置、整流装 置以及电弧炉等等 另外．各个家用电器或者是低压电气装置所形成 的谐波电流．同样可以从低压侧转到高压侧中。 ３．２谐波对不同计量表的影响 电能表计量受畸变波形影响的关键就在于电能表的频率特性。其 中．电能表频率响应曲线情况．将直接反应电能表计量谐波功率的精 准性。在电力系统内接上感应式电能表，将会出现以下情况：（１）不一 样的功率因数，其误差值之间也存在差别；（２）伴随着频率的提升，计 量误差也将变大．如果频率约为１０００Ｈｚ，那么计量误差将高于９０％： （３）该电能表的电能计量误差频率特性曲线呈现降低的态势．也就是该 电能表在对高频电能加以计量的过程中．将可能发生误差 与上述感应式电能表一致．对电子式电能表计量影响的关键就在 频率的特性曲线 通过研究发现．在被监测电流与电压的信号中出现 谐波时．电子式电能表在进行计量时会发生一定的误差，然而，该误差 的范畴是在规定范畴以内的 ３．３计量模式对电能表计量的影响 电力系统内．线性负荷不仅可以将基波功率吸收掉．同时还可将 谐波功率吸收掉：非线性的负荷可以将基波功率予以吸收．且将谐波 功率散发出去。因此．在对非线性负荷、线性负荷两者的电能消耗量进 行计量的过程中．因为两者对谐波的表现不一样．进而导致最后的计 量结果和实际状况不一致 因为计量谐波的功率影响．导致在谐波的 作用下的电子式与感应式电能表功率计量缺乏精准性．进而致使部分 受到谐波影响的线性负荷用户必须交更多的费用．而非线性负荷用户 只需交较少的费用．导致不公平缴费 ４．合理电能计量方式的探讨 ４．１现行电能计量的方式 现今电能计量的方式主要有三种．分别是： （１）基波电能表仅对用户消耗的基波功率加以计算。 （２）电子式电能表计量，该方式的频晌相对比较宽。 （３）利用谐波表、基波表，分别对用户的谐波功率与基波功率进行 计量的方式。 ４．２电能计量方式的改进 为了对用户所发出或吸收的谐波进行精准的计量．可以将谐波的 识别技术引进到电能表当中．提高电能表计量的准确性。在计量方式 的选择上．可以选取上述中的第三种方式，对用户的谐波功率、基波功 率进行分开计算．这样就能实现计量结果公平、公正的目的。 ５．结束语 伴随着国内电力币场的不断改进．对电能表计量的要求也越来越 高。对电能表的精准计量进行研究．已经是当前的一大趋势，尽量降低 误差，以便确保电力供求双方的利益不受损害。 【参考文献】 ［１］陈慧民．谐波对电能计量影响的分析【Ｊ］．中国新技术新产品，２０１２，（１７）：１２４ １２４ ［２］梁小芳．影响电能表产生计量误差的因素探讨［Ｊ］．科学时代，２０１３，（４）：３３０．
浅析电力系统中谐波对电能计量的影响
Ｄｉａｎｑｌｇｏｎｇｃｈｅｎｇ ｙｕ ｚｉｄｏｎｇｈｕ。！皇兰三堡 皇 Ｉ
浅析电力系统中谐波对电能计量的影响
黄带好
（广东电网公司清远供电局，广东清远５１１５００）
摘要：电力系统中存在的大量谐波对电能计量的准确性产生了严重的影响，通过对电能计量中谐波影响因素的分析，不断提高电能计晕
的准确性。
关键词：电力系统；电能计量；谐波；电能表
电力作为国民经济发展和人民生活的基本能源之一，在国家
建设和发展中发挥了重要作用。电能计量数据直接关系到发电、供
电、用电３方的切身经济利益，而且是多项经济技术指标的一个重
要的计算基础。然而，随着大量的非线性负荷的应用，整个电力系
统无形中引进了大量的谐波，对电能计量的准确性产生了严重的
影响。目前，有关于谐波危害问题已经引起了电力管理部门的重
视。本文试图通过对电能计量中谐波影响因素的分析，不断提高电
能计量的准确性。
１ 谐波功率和谐波源
众所周知，在实际的配电网络中电压和电流波形不是真正意
义上的正弦波形，其都不同程度的存在谐波含量。由于有谐波电流
和谐波电压，当然还有谐波功率。类似于基波的情况，谐波也存在
着有功功率和无功功率，其中有功功率对电力系统正常运行有直
接影响，而无功功率则有助于分析和研究谐波条件和滤波措施。谐
波有功功率产生于各种谐波源。但是，对于任何一个谐波源而言，
它们无法发出各种谐频，一般只发出几个主要谐波频率特征的谐
波功率，在其他谐频上也可以从其他渠道吸收一些谐波功率。谐波
源发出的谐波功率净值通常为正值，主要谐波源是谐波电流源。换
言之，即使他们的端电压是正弦波形，电流也未必是正弦波。当电
源连接到基波就必须要强制反馈谐波电流到电力系统中。因此，用
电时基波功率不完全是为自身消耗，而是转为谐波功率，并被迫返
回到电源系统。用户接入配电系统只需要接受有效率的基波功率，
而谐波功率不仅不是多余的，甚至会导致发电机、电动机、变压器
浅析电能计量——谐波对电能计量的影响
２０１０年第３５期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ０电力与能源０ 科技信息
浅析电能计量 谐波对电能计量的影响 于劲松 （淮安供电公司 江苏淮安２２３２００） 【摘要】结合笔者的工作实践，分析了谐波对电能计量的影响。 【关键词】电能计量；谐波；电流源
１ 谐波功率和谐波源的含义 众所周知．在实际的配电网络中电压和电流波形不是真正意义上 的正弦波形，其都不同程度的存在谐波含量。由于有谐波电流和谐波 电压，当然还有谐波功率。类似于基波的情况，谐波也存在着有功功率 和无功功率，其中有功功率对电力系统正常运行有直接影响，而无功 功率则有助于分析和研究谐波条件和滤波措施。 谐波有功功率产生于各种谐波源。但是，对于任何一个谐波源而 言，它们无法发出各种谐频，一般只发出几个主要谐波频率特征的谐 波功率，在其他谐频上也可以从其他渠道吸收一些谐波功率。谐波源 发出的谐波功率净值通常为正值，主要谐波源是谐波电流源。换言之， 即使他们的端电压是正弦波形，电流也未必是正弦波。当电源连接到 基波就必须要强制反馈谐波电流到电力系统中。因此．用电时基波功 率不完全是为自身消耗，而是转为谐波功率，并被迫返回到电源系统。 用户接人配电系统只需要接受有效率的基波功率，而谐波功率不仅不 是多余的，甚至会导致发电机、电动机、变压器等发热的不利影响。 ２谐波产生的方式 ｋ ’ 【 ｊ ，ｒｎ— ｋ ｌ ｒＡ： ： 图１ 全波整流的交流输入电压、电压波形 在电力电子装置出现以前，变压器是主要的谐波源，它是以３次 谐波为主的奇次谐波，其量值很小，是很有限的谐波源。目前由变压器 所产生的谐波由于量少已退居很次要的地位，而各种电力电子装置已 成为最主要的谐波源，并且还是丰富的多次谐波的组合。电力电子技 术的应用不外乎采用整流二极管作整流器件，把交流电变换成直流 电，因此整流二极管工频整流也就成为电力电子的最基本、最普遍的 电能形态ＡＣ，ＤＣ变换形式。众所周知，像一般的开关电源电子整流器 及变频调速器、直流电力机车、电化学工业整流等装置，都优先采用桥 式整流器和大电容器滤波作为ＡＣ／ＤＣ变换器，由于大容量滤波电容 器的存在，使二极管的导通角变得很小，只在交流电压正弦波的最大 值附近才开始导通，因此造成交流输入电流波形严重畸变，三次谐波 有时可能超过基波以上，呈窄尖峰脉冲（图１），故线路功率因数极低． 通常在０．６以下由非线性整流元件使输入交流线路上的电流ｉｓ不再 是交流正弦波形。利用傅立叶公式对周期畸变波形作频域变换，交流 进线电流ｉｓ可以表示为工频基波分量（ｉ）ｓ（１如图ｌ中虚线所示）和与 频率为工频整数倍的谐波分量（还有次谐波分量）之和。假定电源电压 为纯正弦波，则仅有基波电流才可能传输平均功率，因为它们频率相 同，相位不等于９０。，产生的平均功率不为零。这种情况下这里整流器 的平均输出功率等于电源电压均方根值和进线电流基波均方根值（ｉ） １的乘积，再乘以（ｉ）１滞后于ＵＳ的相位角 １的余弦ｃｏｓ￣ｌ。即： Ｐ＝Ｕ（ｓｉ）ｌｃｏｓ￣ｌ 视在功率为：Ｓ＝ＵＳＩＳ，其中ＵＳ、ＩＳ都是有效值。 功率因数定义为：ＰＦ＝有功功率视在功率＝ｅｓ 从上式可得到：Ｐ 当进线电流ｉｓ畸变严重，则电流比值（ｉ）ｓｌ／Ｉｓ就越小，即使相移功 率因数ＤＰＦ接近于单位１，整流器的功率因数ＰＦ仍然很低。在ＡＣ／ＤＣ 变换电路中，略去谐波电流的二次效应，可以认为输入电压为正弦，输 入电流为非正弦．这里电流有效值为： 厂ｉ—— 厂——— ——＿ ｔ＝、／∑（ ）：＝１／（ ） ∑（ ） Ｔ ｎ：１ Ｔ ｎ＝１ 式中，（Ｉｓ）ｎ是第ｎ次谐波电流的有效值。设基波电流滞后输入电 压的角度为 １，则： 限 ： ．ｃ－ｃ． ＵＳＩ￥ 』 式中，Ｋ［ｄ＝（Ｉｓ）／Ｉｓ］是电流波形畸变因子；Ｋ（ｄ＝ｃｏ￣１）是相移因 数，即功率因数为电流波形畸变因子与相移因数之乘积。 在电网中由于供电线路和变压器总要大于用电器的功率消耗，因 此任何线路上的电压畸变总要比电流畸变小得多。凡是电流畸变较 大，总谐波（ＴＨ９）大的负载．那么它的功率因数肯定是很低的。但要注 意记住，反过来就不一定了。有经验的电气专业人员只要测量到用电 器的功率因数接近１时，就可以肯定此电路中的谐波含量很小。功率 因数校正（ＰＦＣ）技术是抑制波形畸变、减小谐波含量和提高线路功率 因数行之有效的方法。ＡＰＦＣ是有源功率因数校正技术，对输出３００ Ｗ 以上的各种电源变换器均需要采用ＡＰＦＣ技术来提高功率因数。 ３谐波对电能计量装置的误差影响 ３．１ 电磁感应式电能表 传统的电磁感应式电能表是按照基波来设计的。当除基波外还有 高次谐波分量电压和电流时。电能表的电压线圈的阻抗和旋转圆盘阻 抗发生变化，导致工作电压磁通和电流磁通发生变化，电磁转盘的驱 动力也发生变化．由此产生了电能表的计量误差。与此同时，由于谐波 和基波的相互叠加的形式存在．波形发生畸变，而电压和电流线圈的 铁心是非线性的，磁通不能随波形的变化相应成线性变化。根据电路 理论可知，只有在相同频率电压和电流相互作用时才产生平均功率。 电能表在畸变的电压和电流通过电磁元件之后．磁通不与波形发生对 应的变化．导致电磁转矩不能与平均功率成正比例，即：电磁感应式电 能表在谐波存在时由于不能将不同频率的正弦电压和电流产生的电 磁转矩叠加．不能计量谐波有功电能，从而产生计量误差。 ３．２全电子式电能表 全电子式电能表在进行数值计算时，ＣＰＵ可以将包含不同频率的 且按照正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样计算。从理论上 分析，这样的计算方法能有效地记录负载基波和谐波的总平均功率耗 用值和电量。然而，受谐波电流的流动方向的影响（与负载电流的方向 相反），当谐波是从负载流向电网时，由于全电子式电能表是将基波有 功电能和谐波有功电能进行代数和，这时记录下来的电能量比负载所 消耗的基波电能还要小，这是该电能表的最大缺点。另外全电子式电 能表产生误差的原因是多方面的．如温度、电压电流、频率等外界条 件，电压电流变换组件的分散性．电能量的计算方法等等。这些方面的 影响在存在高次谐波时均存在着。 ４谐波环境下准确合理的电能计量方法 要对谐波环境下电能进行准确的合理计量．主要出发点在于区分 基波（有用）功率与谐波（无用）功率。采用的方法主要有： ４，１采用频率陡降的电能表（基波电能表），仅能计量基波功率此时， 仅对线性负荷有效，无法对非线性负荷产生的谐波进（下转第２８７页）
谐波对电能计量影响的分析研究
谐波对电能计量影响的分析研究 刘国生’刘颂菊’陈健 吴小丹 １枣庄供电公司 ２７７１ ｏ０ ２东南大学电气工程系 ２１ ００９６ 现代电力系统大容量的非线性负荷向电网注 入了大量的谐波，对系统的安全稳定运行造 成了严重的危害。电能计量是电力系统收费 的重要依据，本文根据现代谐波功率理论， 对谐波影响电能计量的原因进行了分析仿 真，并提出电能计量方式的改进意见。 一．谐波产生的原因 电网谐波的产生主要有以下两方面的 原因： （１）电源部分由于发电质量较差产 生的电能电压有畸变，并在电网中传 播。 （２）非线性负荷的大量使用，例如 炼钢设备、电弧炉、调频器、电气化铁 路，以及家用设备等。 非线性负荷已经成为主要的谐波源， 这些负荷向系统注入谐波电流造成母线电 压畸变，谐波的存在已经使得供电质量下 降，加速绝缘老化，增加附加损耗等，另 外一个重要方面就是对电能计量的影响。 二．谐波功率理论 在母线电压和负荷电流都存在畸变的 情况下，对ＡＢＣ相中的Ａ相来说，假定 电压和电流畸变的表达式如下所示： ＝∑√ ｓｉｎ（ｋ州一ｃ【 ） ／ａ＝∑ ， ｓｉｎ（ｋｗ卜１３ ） （１） 根据有功功率的定义，我们得到Ａ相 负荷谐波条件下的有功功率。（对三相 负荷分析也是类似的） ＇ ． 、 Ｐａ＝ １ ｊ（ｆＪ×， ＝∑Ｕ １ ｃｏｓｄ￣ 一ａ ） （２） ０ Ｉ 这样就为电能计量收费提供了有力的 理论依据，但是需要注意的是谐波的流 动方向，非线性负荷是谐波源，它吸收 发电机基波电能，其中一部分转换成谐波 电能，线性负荷则吸收发电机基波电能和 非线性负荷产生的一部分谐波电能，而目 前的电磁式和电子式电表均不能准确计量 和区分这些电能，首先我们理论上分析一 下。 图ｌ是一个无穷大系统向非线性负荷 和线性负荷供电的示意图，假定电源母 线Ｕｓ电压不畸变，非线性负荷的存在使 得母线Ａ处产生畸变。假定Ｚ 和Ｚ 分别 是非线性负荷和线性负荷，其中电流分 别为Ｉ 和Ｉ Ｍ，由于电流有畸变，分别用 Ｉ，和Ｉ 表示基波和ｈ次谐波。分别考察基 波和谐波有下面的等式（式中电压电流 为向量形式）： ＝（， Ｉ＋，１『Ｉ）×ｚＩ＋，…×ｚ… … Ｌｌ ＋Ｉ ）ｘｚ ＋ｆＭｈｘｚ ｜ｈ：０ ３ １ 对（３）的第一个等式两边乘 （Ｉ 。＋Ｉ 。），并在一个周期内积分得到： ？（， ＋，… ｚ ＋ ，…ｔ， ＋， ，ｚ （４） 上式左边即为电机发出的基波功率， 右式第一项是阻抗Ｚ吸收的基波功率，对 于第二项 『』，Ｉｆ１（ ＋， ）ｚ、， 可以分解为两
试论电力谐波对电能表电能计量的影响及其改进
ｉＩｉＩ技嵇 —— 尘 翻
试论电 渡 电 能 袁电能针量的影响 舆改（苎
口邓燕州 李翠敏 江西赣州供电公司 摘 要：分析谐波对电子式电能表和感应式电能表计量的影响，并就提高电能计量测量精度的策略进行研究与探讨。 关键词：谐波；电能计量；影响 电能是国民经济和人民生活的主要能源，对国家的发展起 号的波形响应也不同，相应产生的误差也有差别。同感应式电能 着举足轻重的作用。电能计量数据关系到供电与用电等双方经 表的运行条件相似。也就是当电压、电流两信号波形都偏离正弦 济利益，同时也是许多技术指标计算的重要依据。谐波对于电能 有畸变时，对基于时分割乘法器构成以及基于数字乘法器构成 表电能计量以及电力系统的影响来说，都是深远的。随着谐波所 的和具有计量谐波功率功能的测量误差在其精度范围内。应当 造成的危害日趋严重，世界各国都对谐波问题予以充分的重视。 指出，在测量电能量时，电网电流以及电压都要经测量，并且用 但是，变频调速装置、电弧炉、电网中整流器以及各种电力电子 互感器转换成弱电的信号后才送入电能表，因此测量用的互感 装置都是非线性负荷，当存在正弦电压施加在这些非线性的负 器准确度就会直接影响着测量结果的准确程度。当畸变信号 荷上时，其结果就是电流就变为非正弦波。本文主要对电力谐波 经过互感器时，如果存在测量用互感器存在着一定的非线 对电能表电能计量的影响及其改进措施进行了探讨。 性，那么互感器就会出现各次谐波成分的转换比例不一致 一、电力谐波对电能表电能计量的影响 现象，这种现象的本身就会使被测信号发生变形，其结果 （一）谐波对感应式电能表计量的影响 就是在这种情况下，测量误差就会很大。在实际中我们就会发 电能表频响曲线坦与否，会直接影响到谐波功率下计数误 现，在波形畸变情况下，互感器的波形变换误差会直接随着ｉ谐波 差，这是因为电能表的频率特性是研究波形畸变对电能表计量 次数的增加而出现非线性的增大，而且是偶次谐波的波形变换 影响的重要依据。因此，要能够良好地研究感应式电能表在谐波 误差比奇次谐波更大。 下的行情况，首先必须要考虑其频响特性。 二、提高电能计量测量精度的策略研究 １．谐波功率对感应式电能表计量的影响 目前的研究结果表明，当系统中出现电流以及电压的波形 因某种原因偏离正弦，并且发生畸变时，其结果就是感应式电能 表的测量准确度将下降。这主要是因为感应式电能表要保证其 最佳的工作性能，必须在电压、电流为正弦而且工频靠近在波附 近很窄的频率范围条件下才能发生。 根据电磁感应式电能表的工作原理，只有同频率的电压和 电流产生的磁通相互作用才能产生相应的转矩，而且根据电路 原理，只有同频率的电压和电流相互作用才产生平均功率；与此 同时，由于磁通不与波形对应变化，当畸变的波形通过电磁组件 以后，就会导致转矩不能与平均功率成正比，而结果就会产生附 加误差。这主要是因为在负载上含有谐波时而当基波电压、电流 又不变，那么这样一来就会发现电能表转盘阻抗以及电压线圈 阻抗都会变化，最终就会导致对应的电流磁通变化以及电压工 作磁通和，最终就会影响电能表的计量精度。 通过以上分析，我们发现，从电能计量准确性这个角度来考 虑，当系统中存在谐波功率，或者说电流波形中含有谐波时，电 网中国感应式电能表的计量就会存在较大的误差，最终就不能 够准确地反映流人电能表的总能量。 ２．单一谐波电流对感应式电能表计量的影响 当只有电流波形发生畸变时，这种情况下感应式电能表的 计量也存在着误差，这是由于此时不能构成谐波功率。当电流波 形发生畸变时，电压为正弦波，由于电压磁通中出现与谐波电流 磁通同阶次的分量，磁路的非线性就会产生附加的驱动力矩。同 时当电流畸变率增大时，我们就会发现感应式电能表的误差也 随之增大且偏正。研究其原因，其原因就是电流磁通分路收到电 流谐波磁通的影响，最终就会使基波电流工作磁通增大所致。特 别注意的是：当电流畸变率小于１０％Ｕ￣ｊ，电能表的误差就会在准 确度范围内。 （二）谐波对电子式电能表的影响 目前大量的研究结果表明，随着随畸变程度的不同，当构成 功率的电流信号产生一定的畸变时，电子式电能表出现可以忽 略不计的测量误差。从理论上讲，电子式电能表对不同的被测信 电网中谐波的产生主要是大量非线性用户作为谐波源向电 网注入谐波，以及非线性负载的使用对线性用户和电力系统构 成一定的危害，同时也影响了电能计量的精度。为了更好地提高 电能计量的精度，可采用以下方案：第一种方案是可以使电能表 完全不反映谐波功率，而只准确反映基波功率。第二种方案是区 分功率潮流的方向，并分别计量基波和谐波功率。 （一）用工频基波电能表以及宽频带功率电能表配合一 起使用 这样一来，就会不仅可测量出基波功率值，同时还可测量出 谐波潮流的方向和大小。这样一来，我们就会发现，不仅可以准 确的计量谐波电能和基波电能，而且由于测出了谐波潮流的方 向，这样一来，就可以按用户所产生的谐波功率，对非线性负载 的用户在经济上给与额外的惩罚，以便来以补偿线性用户以及 电力部门的损失。此方案计费合理，但在实施中成本较高，而且 较困难。 （二）采用一些技术来解决，使电能表仅反映基波电能 比如利用高阶低通滤波器滤除掉进入电能表的高次谐波。 对于感应式电能表，可以利用如高通滤波以及单频调谐滤波、双 频滤波等交流滤波线路进行相互交叉滤波；对于电子式电能表， 可以加装一些集成的低通滤波器来进行解决。此方案在电能计 量上合理，也较容易实施。因为对线性负载用户以及电力部门来 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。 综合以 【 两方案，对于一些人、中型非线性用户，可以采取 第一种方案，用惩罚性措施来保证电网的可靠运行及电力部门 的利益。而对一般用户，由于其反送或接受的谐波功率的量很 少，可以采取第二种方案，以降低成本。 参考文献： ［１］赵旭．谐波对电能计量影响的分析及对策研究【７】．太原重 型机械学院学报，２００８，（２３）． ［２］李科．谐波对电能计量影响研究［ｙ】．现代商贸工业，２０１０，（３）． ［３］张皖春．谈电力系统的谐波及其抑制措施【『ｌ＿安徽电气工 程职业技术学院学报，２００８，（３）． ０
谐波对电能计量的影响及其仿真分析
第４０卷第４期
２００６年８月 电力电子技术
Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４０．Ｎｏ．４
Ａｕｇｕｓｔ，２００６
谐波对电能计量的影响及其仿真分析
孙宏伟，于希娟，王大为，高树萍
（北京电力公司试验研究中心，北京１０００７５）
摘要：电能计量是供电企业中极为重要的一环．谐波对电能计量的准确性有着很大的负面影响。本文首先从谐
波环境下电能计量的基本原理出发．分析了谐波对不同类型电能表的计量影响；其次通过对一典型谐波源计量的仿
真比较．验证了非线性用户谐波有功功率与基波有功功率相反．线性用户谐波有功功率与基波有功功率相同的结
果；实测数据的分析结果也说明了这一点。谐波电能也是由基波电能转化而来的，而现行的计量方法是把这部分电
能从电网中吸取的基波电能中全部或部分扣除掉，这是一种不合理的计量制度。文中提出了几点建议，指出应根据
谐波的具体情况采取不同的应对措施，以改善电能的计量准确性。
关键词：谐波；功率因数；电网
中图分类号：ＴＭ７１４．３．ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２００６）０４—０１２３—０４
Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｉｍｐａｃｔ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｓｈｎｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ
ＳＵＮ Ｈｏｎｇ—ｗｅｉ，ＹＵ Ｘｉ－ｊｕａｎ，ＷＡＮＧ Ｄａ—ｗｅｉ，ＧＡＯ Ｓｈｕ—ｐｉｎｇ
（Ｂｅｏ＇ｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｍｐａｎｙ ｏｆ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎ￣ｒ，Ｂｅｏ＇ｉｎｇ １０００７５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒｉｎｇ ｉｎ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ
ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｏｎ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｍｅｔｅｒｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ
三次谐波对电能计量及中性线的影响与治理
ＥＮ重０蛋ＮＧ盈ＣＵ圜Ｎ Ｄ皇ＩＡ鳇Ｎ ＧＯ量ＮＧ主持：朱宁 ＿——－－－＿ ● １ 三次谐波对电能计量及中性线的影响 近年来，电网非线性负载比重快速增加，一方面带 来经济效益，另一方面也给电网造成严重的谐波污 染。特别是建筑物中节能灯、调光灯、ＬＥＤ等非线性负 载，其电子电路都需要用开关电源负责供电，由外部输 入的交流２２０ Ｖ经开关电源转换成合适的直流电源 （５—３６ ｖ）对末端电网影响更甚。因此，在大量使用 ＬＥＤ灯或ＬＥＤ显示屏的场所存在以下问题。 （１）供电电源都是经过单相整流，然后转变成各设 虽髋西腿团 铁芯和绕组组成，安全可靠、使用寿命长，属于免维护 类产品，不会出现谐振和过补现象，达到减少中性线电 流和滤除三次谐波电流的目的。 ３选择适当的电能计量方式 针对电网存在谐波的情况，目前有３种电能计量 方式。 （１）基波计量方式。非线性用户的基波计量至少 有２种方法。第一，非线性负载必须安装滤波器，滤除 谐波后使电能计量仅计量基波有功功率，不计量谐波 ｌ 麟馥罄囊霸睡缫藏 副向与治理 （３６２７００）国网福建石狮市供电公司 庄敬清 陈丽婷 蔡钦钻 陈 立 备所需要的相应直流电源，单相整流产生很大的三次 谐波注入电网，而三次谐波是同相位，在三相四线制或 三相五线制中，三次谐波电流在中性线上叠加，中性线 电流过大，导致中性线发热，温度上升易引起火灾。 （２）由于三次谐波的存在，造成用电计量不准，非 线性负载占比较大的用户，在低压侧设置计量表时，电 能表计量值往往比实际用电少，造成同一配电线路上 的总表计量值和分表误差加大，非线性用户谐波不但 污染电网，还会少交电费。 针对以上问题，有必要采取谐波治理措施，滤除三 次谐波，减少电能计量的误差。 ２三次谐波治理方法分析 （１）采用传统的无源滤波器不适合单相整流电路 类的非线性负荷，因为滤波效果较差，且会产生过大的 容性无功，而非线性负荷不需要这些容性无功，会导致 无功过补，这是电网所不允许的。 （２）采用有源滤波器。有源滤波器检测线路上的 谐波电流，然后发出正好抵消谐波电流的补偿电流。 因此，有源滤波器仅能保证其安装位置的上游谐波电 流很小，对于下游的线路没有任何效果。了解有源滤 波器的特点，就可以知道怎样用有源滤波器解决三次 谐波电流问题，即有源滤波器要安装在出现三次谐波 电流部位的下游。例如：要解决某个配电箱三次谐波 电流的问题，就要安装在这个配电箱的下游线路上。 在实际中，常见到在变压器的下端安装一台有源滤波 器，以解决变压器三次谐波电流的问题。通过以上分 析可知，要解决所有三次谐波电流问题，必须在所有的 分配电盘处安装有源滤波器，会导致成本较高。 （３）采用专用的谐波治理设备。如针ｘ，－ｊ－ＬＥＤ灯、 ＬＥＤ显示屏的谐波治理装置，针对三次谐波专门设计， 是特殊磁路结构的磁性滤波器，由优质硅钢片组成的 ４６农村电工第２６卷２ｏ１８年第５期 功率，这样可以计量用户实际消耗的电能。例如：国网 福建石狮市供电有限公司研制的ＬＥＤ负荷专用谐波 治理装置，既滤除了ＬＥＤ灯产生的三次谐波电流，又 有效解决了电能表计量误差过大问题。第二，可采用 特制的智能电能表，它可用软件、硬件的方法屏蔽掉非 线性负载反送谐波，只计量基波。目前大多数采用硬 件的方法，利用低通滤波器，通过合理的选择转折频 率，获得理想的滤波特性。 （２）全能量计量方式。该方法是计量基波和谐波 的综合功率，是负载（谐波源）基波功率与谐波源向电 网反送的谐波功率代数之和，用户计量值小于负载消 耗的实际基波有功电能量，给供电企业造成经济损失。 （３）谐波电能计量方式。谐波电能计量方式是宽 频带电能表和工频基波电能表有机配合使用，分别计 量基波功率和谐波功率，既可测量基波功率，也可测量 谐波潮流大小与方向。 ４典型ＬＥＤ灯负载电能计量案例 在某超市一、二层均采用ＬＥＤ灯照明，并有一块８ ｉｎ 的ＬＥＤ显示屏，其他负载为空调与一些辅助用电。 ＬＥＤ负荷功率占总用电容量８ｏ％；￣ｉ－。在超市正常经 营时，中性线电流是相线电流２倍左右。同时会造成 电能表误差较大，达到４２％左右。在安装了ＬＥＤ负荷 专用谐波治理装置后，中性线电流大大下降，电能表误 差降至Ｕ了０．５％。 ５结论 若电网谐波电压符合ＧＢ／Ｔ １４５４９－－１９９３《电能质 量公用电网谐波》，谐波功率较小，电能计量仪表误差 可忽略不计。ｘ，－Ｊ－谐波比较严重的用户，不能采用全能 量计量方式，否则会给供电企业造成经济损失，可采用 分别基波电能计量和不同潮流方向谐波电能计量的综 合电能计量方式。 ２