谐波背景下电能计量系统的计量误差分析

谐波背景下电能计量系统的计量误差分析

杨雨风

国网内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司 内蒙古通辽 028000 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、产生谐波的原因

1.1发电原因

电站发电机中的三相绕组并不能完全对称，在制作的过程中也不能满足这个要求，而且绕过铁心均匀也是比较困难的，这对发电机的电源质量有很大影响，谐波也就此产生。

1.2输配电系统的原因

在这个系统中，变压器很容易产生谐波，它的铁心呈现饱和的状态，而且磁化曲线还是非线性的，变压器在工作的时候磁密就在曲线的饱和段上，影响着变压器的正常运行，这导致了电压器的磁化电流出现了尖项波形，奇次谐波就在其中产生。通过实践证明，如果变压器铁心的饱和度高的话，线性就越偏离工作的点位，也就非常容易有更大谐波电流产生；相反，就不会有很大的谐波产生。

1.3用电的原因

现在社会中，有很多电力设备都引用了晶闸管，常见的有电源的开关、电动车、所有的充电设备等，这些都是非常容易产生谐波的，影响着电网的正常运行。在单相整流的电路装置与感性负载相连接的时候，就会有奇次谐波电流产生，最高的时候谐波要占据基波三层左右，比例非常大；而与容性负荷相连接的时候，会有奇次谐波电压产生，它还会根据电容值增加的频率有所增加；此外，还有一种最大容量的谐波源，是通过整流装置所产生的，占据了基波的四层左右，

二、谐波下电能计量系统存在的误差

2.1CVT谐波存在的误差

仿真参数进行设置，电压源的有效值为1~1.5kV，相位为0°。幅值的误差的仿真结果和相角的误差的仿真结果均存在一定差异。CVT基波电压进行测量，准确度非常高，然而谐波电压进行测量的幅度值的误差应在96%左右。谐波的情况，CVT会存在较大的相位偏差。由此可见，CVT不适宜在谐波的条件下进行测量。①TA谐波的误差仿真分析。仿真获得次谐波的情况，功率因数显示为1，负载率达到98%以上，TA仿真的时候，需将电流源合理的进行设置，为1kA即可，相位保持为0。综上所述，谐波前提下，计量的精度较高，因为TA计量的精度非常高，所以其在TA测量的误差与很小的范围，TA适合于在谐波条件下进行测量；②电能方面的剂量系统存在的剂量误差。高压电能的计量系统，一般多应用于110kV系统，通过在不同条件下，电能计量的误差也存在很大差异。

2.2CVT谐波测量的误差

在谐波环境中，CVT谐波测量产生的误差能够补偿中间变压设备、电抗设备以及阻尼设备，应当对CVT谐波测量的误差进行研究，主要分析其具有的一些性质。目前，国内变电站母线以及升压站都通过了CVT，但是有学者指出，CVT并不适合用于谐波测量工作，或者说谐波无法被用来测量谐波。相关国际电工标准规定，在用CVT开展对绕组的测量工作时，需保证绕组既定频率处于98~101%之间。在测电压频率上下波动且存在谐波的状况下，补偿电抗设备电感以及电容分压设备的等值电容共同构成了CVT，在此背景下，LC串联谐振的回路会发生相应的偏离，进而导致测量工作存在较大的误差。综上所述，谐波协同CVT难以真实有效地反应真实的电能状况。在谐波测量工作中，测量人员为了获得二次测信号而选择使用CVT装置，这就为计量误差的产生提供了条件。

三、谐波存在时电能计量的有效方法

针对上述问题，电力工作人员应该充分重视起来，结合谐波原理以及谐波产生的基本要素，对谐波的危害进行约束，从而提升计量的准确性。从目前来看，谐波存在时，电能计量的有效措施，包括以下几种：

3.1应用全电子式智能电能表

全电子式智能电能表在计量中存在的误差，主要是由点积算法引起的，因此，对电能表进行更新，需要从计算算法开始。应该对电力系统中各次谐波的含量进行检测，针对谐波类型提出相应的解决方案。当前应用的全电子式电能表，在计量方法上相当复杂，必须由专业的技术人员进行操作，而且生产成本相对较高，因此一般都是在大中型工业企业中被广泛应用，可以有效降低谐波对于电能计量的影响。全电子式智能电能表的计量方法如下：在实际计量中，需要对带加权系数、谐波电能以及基波电能等进行分别计量。

W=C1W1-CfinWfin+Cfout|Wfout|

其中，W1、Wfin、Wfout分别代表负载所消耗的基波电能、吸收的谐波电能以及产生的谐波电能；而C1、Cfin、Cfout则代表相应的加强系数。一般情况下，将C1设置为1，则当Cfout大于1时，则应该对发出谐波电能的非线性负载用户进行惩罚；当Cfout在0-1的范围内时，则对线性负载用户进行相应的补偿。这种计量方法，能够有效避免因电能计量误差而引发的收费不公现象，同时可以利用经济手段，督促用户采取相应的措施，减少注入电网的谐波量。

3.2采用频域电能计量方法

在实际应用中，首先，应该对离散化的电流和电压信号序列进行相应的加窗处理，以降低频谱泄露，避免其可能对谐波分析造成的影响；其次，对加窗后的谐波电流电压序列进行离散傅里叶变换；然后，结合FFT计算方法，对频域参数进行相应的估量和计算，以获取电流和电压信号中存在的谐波分量频率偏差、相位及幅值等；最后，由FFT算法得到加窗后的电流电压频域参数，结合相应的公式，对各次谐波无功电能及有功电能进行计算。

3.3仿真实验

通过相应的仿真实验，可以得到谐波存在时的电能计量误差数据，同时通过三角自卷积窗方式，实现对于基波电能的准确计量，以保证电能计量的可靠性和准确性。

四、降低误差的措施

4.1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。

4.2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。

4.3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。

结语：

综上，电力工作人员应该充分重视起来，采取合理有效的措施，对计量方式进行改进和创新，实现基波电能和谐波电能的分别计算，从而保证电能计量的准确性，保证我国电力行业的持续稳定健康发展。

参考文献：

[1]查利冬.谐波存在时的电能计量误差与改进技术分析[J].江西建材.2018（22）

[2]袁丁，邓洁.谐波存在时的改进电能计量方法及应用[J].科技与企业.2018（24）