谐波背景下电能计量系统的计量误差分析

计德威

摘要：作为电力系统运营管理中的一个重要组成部分，电能计量工作关系着电费的收取，影响着电力资源的使用，其准确性直接影响着电力企业和电力用户的切身利益，必须得到足够的重视。本文结合谐波产生的原因，就谐波背景下电能计量系统计量误差进行了分析和研究，并就电能计量模式的合理性提出了几点建议。

关键词：谐波；电能计量系统；计量误差

前言：

工业化进程的加快不仅带动了社会经济的高速发展，也使得社会对于电能的需求不断增大，电力行业迅速成为国民经济发展中的支柱产业。对于电力企业而言，做好电能计量工作非常重要，而谐波的存在会对电能计量工作的准确性造成一定影响，需要电力企业重视起来，做好计量误差的分析和应对。

1 谐波产生的原因

在电力系统中，谐波产生的原因是多方面的，一是电源端谐波，在当前的技术条件下，想要实现发电机三相绕组的绝对对称极其困难，铁芯的绝对均匀也是一种奢望，加上其他因素的影响，电源端会产生部分谐波；二是输配电过程谐波，这也是电网谐波的主要来源，分析原因，主要是在对变压器等设备进行设计的过程中，不仅需要考虑合理性和实用性，还需要关注成本，在这种情况下，如果铁芯磁化曲线处于非线性饱和态，则在运行过程中产生的磁化电流会引发奇次谐波，谐波比例可能超过变压器额定电流的0.5%；三是电力设备谐波，例如，整流晶闸管在开关电源、充电装置和机电控制等方面有着广泛的应用，而其在运行过程中会产生大量谐波，相关统计数据显示，整流设备引发的谐波占据了电网谐波总量的40%左右；变频设备的控制非常方便，可以有效减少能源的浪费，但是其本身相位控制的形式导致谐波成分较为复杂，对于电网的影响同样不容忽视；冰箱、洗衣机等家用电器中含有绕组，受不平衡电流变化的影响，同样会导致电源波形的改变，引发谐波问题[1]。

2 谐波背景下的电能计量系统计量误差

谐波对于电能计量系统的影响主要体现在电能表计量误差方面，考虑在智能电网飞速发展带动下，传统机械式电能表和电磁感应电能表逐渐被电子式智能电表淘汰，这里仅针对电子式电能表进行分析和讨论。

2.1电能表误差

2.1.1模拟乘法器电能表

这种电能表包括了输入部分、输出部分、乘法器以及电压/频率转换器等，在运行过程中，转换器会将输入的电压电流信号转换为能够被乘法器接收的信号，乘法器结合信号得到平均功率，然后将之转化为频率脉冲信号，通过对信号的计数实现电能计量。模拟乘法器是电能表误差的主要来源，如果输入的乘法器中的信号含有高次谐波，则依照其计量原理分析，输入信号不再是简单的直流信号，在同等时间间隔下，输入高次谐波的变化较基波更大，如在这种情况下，电能表计量结果会出现原理性误差（见图1）。

2.1.2数字式电能表

数字式电能表的计量误差多数情况下来源于数字乘法器，包括了采样保持部分和A/D转换部分，这里假定输入量为h次同频率谐波，则存在

公式中，b表示A/D转换器位数，Ns表示一个周期的采样点数。结合公式分析，A/D转换器的位数越高，则量化误差越小，相对误差也越小。

2.2计量系统误差

一般情况下，电能计量系统包括了电能表、计量二次回路、CVT和TA等，对于高压线路的电压和电流，需要首先经过互感器转换，然后才会输入到电能表中，计算相应的功率值。事实上，在电能计量系统中，每一个组成部分都可能会产生误差，其误差构成如图2所示。

这里的误差包括了相位误差和幅值误差，如果处于单次谐波条件下，电能表本身并不会出现相位偏移问题，但是CVT和TA会导致电压与电流的相位偏移，从而导致计量误差的增大。而在多次谐波条件下，电能计量系统的计量误差会变得更加復杂。

在基波与谐波背景下，开展电能计量系统的计量误差分析，如果能够切实保证电能表与TA的计量精度，则CVT谐波计量误差会直接决定谐波计量误差，而在谐波背景下，由于无法实现CVT的准确测量，可以通过提升电压互感器计量精度的方式来保证计量结果准确可靠[2]。

3 电能计量模式合理性研究

针对谐波背景下的电能计量误差问题，当前我国已经形成了相关规范，不过在规范中虽然提到了谐波对于电能计量准确性的影响，却并没有将谐波电能的计量纳入其中。从目前来看，常见的电能计量模式有三种：一是基波计量模式，配合基波电能表，仅对用户消耗的基波功率进行计量，因此不会受到CVT对谐波测量误差的影响；二是全波计量模式，配合频率响应较宽的电子式电能表实现对于基波和谐波的同时计量，因此在理论上，会将用户小号的基波功率以及发出或者吸收的谐波功率全部计算到电费中，这也是我国当前采用的电能计量模式；三是单独计量模式，即采用基波表计量用户的基波功率，采用谐波表计量用户的谐波功率，在这种情况下，要求电能表必须能够对谐波功率进行准确计量。

这三种计量模式并不存在绝对的合理性或者准确性，主要是面对的负荷类型不同，产生的效果也存在较大差异。不过伴随着技术的发展，电能表已经能够实现对基波功率和谐波功率的精确计量，而对于电能计量系统而言，对于谐波的计量精度相对较大，导致这种情况的主要原因是互感器本身的计量精度有待提高。因此，想要保证电能计量模式的合理性，需要提升电能计量系统的精确性，准确判断谐波来源，对用户类型、基波电能以及谐波电能等进行合理区分[3]。

4 结语

总而言之，谐波的存在不仅会影响电力设备的正常运行，也会导致用户电费的增加，因此，电力企业应该重视起来，做好谐波影响下电能计量系统计量误差的分析，采取切实有效的措施和方法，降低谐波影响，维护好电力企业和电力用户双方的利益。

参考文献：

[1]赵伟，孙卫明，彭宏亮，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，2015，39（12）：121-125，15.

[2]潘超，宁星，郑华金.基于谐波背景下的电能计量系统的计量误差分析[J].建材与装饰，2016，（46）：202-203.

[3]王鸣阳.分析谐波背景下电能计量系统的计量误差[J].智能城市，2017，（2）：42.endprint