电能数据采集用户终端谐波分析及计量改进方法

电能数据采集用户终端谐波分析及计量改进方法

董鹏,戴冰

国网内蒙古东部电力有限公司供电服务监管与支持中心 内蒙古通辽市28000

摘要：社会生产与生活中电费的收取是在电力系统采集到的电能计量信息基础上进行，因此，电力系统中电能的计量与采集准确与否至关重要。在电学领域，谐波是指电流/电压中基波频率整数部分。在电能计量过程中，如果电信号非工频（50Hz），则被视为谐波。电网中一旦产生谐波，会破坏正弦电压的常规波形，导致电能异常损耗并可能进一步引发输送电系统故障。在输送电中，如果谐波超过本线路总电压的30%，则会破坏负载平衡，发生集肤效应。此时，如果不及时采取措施，就会对中性线施加电流，从而发生严重电力事故，如发电机跳闸、大面积停电等。在智能电表使用过程中，如果要有效应对谐波危害，须首先做好谐波计量和分析工作。

关键词：电能数据采集；用户终端；谐波分析；计量改进

1. 谐波

在电能质量受到的多种干扰因素中，谐波影响是最为普遍的。当前，电力系统的非线性负荷正在快速增长，非线性负荷产生的谐波使电网谐波含量不断提高，导致电压、电流的波形发生畸变，进而使电网的电能质量出现问题，相关电气设备的正常运行受到影响。电力系统中能产生非线性负荷的设备称为谐波源。谐波按照来源的不同可分为电网侧谐波和用户侧谐波。电网侧谐波一般为低频谐波，通常是４０次以下的谐波，会对供电系统产生危害，导致电网供电效率下降、电容发热甚至烧毁等严重后果。用户侧谐波一般为高频谐波，通常是４０次以上的谐波，会损害用电设备，使其出现死机、效率低下、耗电增大、寿命下降等问题。

2. 谐波下电能计量系统的误差分析

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。目前，电子式多功能电能表逐渐成为市场的主流，得到了越来越广泛的应用。因此本文只对电子式电能表进行分析。电子式电能表可分为模拟乘法器型电能表和数字式电能表。

①模拟乘法器型电能表

模拟乘法器型电能表主要由以下几个部分构成：输入部分、乘法器、电压／频率转换器、输出部分等。结构示意图如图１所示。

图1模拟乘法器型电能表结构

模拟乘法器型电能表的工作原理可概括为：首先，将输入的电压信号Ｕ和电流信号Ｉ成比例地变换成能被乘法器接收的信号，由乘法器得到一段时间内的平均功率，然后，将平均功率信号转化为频率脉冲信号，再通过对频率信号计数的方法得到该段时间内的电量。

电子式电能表内部的乘法器是把输入的电压、电流信号按照一定的比例转换为功率的器件。模拟乘法器类型比较多，按原理主要有时分割乘法器、霍尔乘法器等。目前，国内电子式电能表内部使用的乘法器主要为时分割乘法器。模拟乘法器型电能表的误差主要来自于模拟乘法器。

②数字式电能表

数字式电能表的误差主要来自于数字乘法器。数字乘法器主要由采样保持和模拟／数字（Ａ／Ｄ）转换两部分构成，因此主要分析这两部分的工作原理和谐波条件下所引入的误差，得到数字式电能表计量误差。

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。本文中，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。根据ＣＶＴ结构，将变压器二次侧折算到一次测，可建立谐波等效电路如图2所示。

图2ＣＶＴ的谐波等效电路

3. 谐波治理技术的现状与发展

3.1静止无功补偿器（SVC）

由于感性负载会消耗无功功率，导致线路压降的增加。我国针对不同设备制定了功率因数的要求。无功功率补偿技术应运而生，其发展主要分为三代。第一代主要利用固定式或机械开关投切的电容器或电抗器。目前，第一代使用较少，基本退出应用。第二代的无功补偿装置，一般称为静止无功补偿器，主要使用电力电子开关实现对电抗器的快速控制。第三代无功补偿装置采用电力电子器件IGBT功率管来搭建整流和逆变电路，组成动态无功发生电源。

3.2无源滤波器（PPF）

无源滤波器由各种电子器件组合而成，并且串联在基波源电路中。滤波器振动次数与谐波次数相同。该次谐波大部分注入滤波设备中，从而提高系统的功率因数。LC电路作为无源滤波器的主要滤波装置。无源滤波器不仅滤去谐波还会滤去部分基波，而且出现过载时容易被烧毁。

3.3有源滤波器（APF）

有源滤波器可以补偿各次谐波，可控性高，响应速度快，并且抑制闪变，补偿无功。有源滤波器分为并联型和串联型两种。其中，谐波电流问题主要由并联型有源滤波器解决，谐波电压问题主要由串联型有源滤波器解决。两种滤波器工作原理基本相同。并联型有源滤波器首先检测负载电流大小，进而计算得到谐波电流，然后发出与负载电流大小相等、方向相反的电流，相互抵消，进而减小电网侧谐波电流。

4. 电能计量模式合理性探讨

4.1基波计量模式

采用基波电能表，只计量用户所消耗的基波功率。因此，电能计量系统中ＣＶＴ对谐波的测量误差不会对此种计量模式造成影响。

4.2全波计量模式

采用频率响应较宽的电子式电能表计量基波与谐波，理论上能将用户所消耗的基波功率、吸收或发出的谐波功率全部计入用于电费计算。国内现行计量模式为这种模式，本文对电能计量系统计量误差的分析也是基于此种模式。

4.3基波、谐波单独计量模式

分别使用基波表和谐波表测量用户所消耗的基波功率和谐波功率。要求电能表能准确计量谐波功率。

这３种计量模式没有绝对的合理性，对于不同负荷类型，其合理性各异。就算都为线性用户，不同负荷类型相对合理的电能计量方式也不同。如对于发热性负荷，基波和谐波有功功率均将被利用，此时采用全波计量是合理的。对于放电机类用户来说，其所做的功只与从电网吸收的基波电能成正比，不会由于吸收了谐波电能而多做功，而且，设备反而会受谐波损害，此时对线性用户而言仅计量基本电能是相对合理的。

结 语：

目前，能精确计量基波功率与谐波功率的电能表已广泛应用，但电能计量系统对谐波的计量精度仍较低，原因在于电压互感器的计量精度低。从整体出发，并结合目前电能计量装置整体性能，采用基波计量是目前较为合适的，一方面，能一定程度反映非线性负荷所造成的谐波污染，另一方面，现有电能计量系统并不能精确测量谐波。更为合理的电能计量模式需要依靠更为精确的电能计量系统，能判定谐波产生来源，分析用户类型、实际利用的基波电能与谐波电能、产生的谐波电能，完善责任分担理论，来制定相应的收费政策。

参考文献：

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[2]王林莽．无功补偿装置谐波治理技术在配网线路上的应用[J]．科技创新与应用，2018(19):179-180,182.