谐波背景下电能计量系统的误差分析

谐波背景下电能计量系统的误差分析

马宝玲 ，田海涛 国网西宁供电公司（青海，西宁） 810003

摘要：在电力系统运行中，谐波的产生是不可避免的，且其会对电能采集、计量结果产生影响，导致误差问题的产生。电能表是电力系统电能计量基本设备，对于供电、用电双方而言，电能计量结果是经济结算的重要依据，因此加强电能计量系统误差控制具有重要意义。

关键词：谐波；电能计量；误差

1 谐波概述

谐波概念。电力系统中非线性负荷的运用越来越多，难免产生大量的谐波，以致于系统电压、电流波形产生严重畸变。畸变的电压、电流的存在，也将直接导致电能质量下降，给电能剂量带来诸多影响。广义上交流电网有效分量是工频单一频率，由此与工频频率不同成分均可称为谐波，可分为分数谐波、间谐波、次谐波等。谐波产生原因有正弦电压加压于非线性负载(非线性负载指UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等)、基波电流发生畸变。

谐波危害。若不考虑外部影响，电网中的供电电压频率和幅值均为固定不变的。根据我国工程的相关资料显示，当电力系统中出现高次谐波时，即使当前系统为稳定状态且负载均衡，也会因中线中有电流带入造成运行故障。谐波的出现对于电力系统的负面影响主要体现在:对电网环境的破坏。电流、电压等参数的突然变化会引发电力设备局部发热等问题，也对电力系统的使用周期造成影响，不利于系统的安全运行;不利于电力设备的安全运行。谐波的出现会引发电击谐振等现象，影响电力设备的精确性，不利于仪器的精准测量，电力数据误差大也会造成系统管理混乱；影响周边区域内通信线路的稳定运行。突出表现为通信质量下降，甚至引发通信设备故障、损坏，同时也不利于生物的生存。

2 谐波对电能计量的误差影响

电能表是电能计量基本设备，在电力系统中运用广泛。电能计量表主要基于两大原理:一是感应式，主要是根据工频正弦波设计，基本不考虑谐波影响;二是电子式，通过滤波计量基波功率。谐波对电能计量的误差影响具体分析如下。

2.1 感应式电能表

感应型电能表测量功率，主要是以电流、电压在表计线圈中的正弦交变磁场为依据，转动的铝盘可感应不同相位空间涡流，并由此带动计数器走度。传统感应型电能表是基于工频正弦波条件下进行准确度检验，在计量中并未考虑直流、谐波等因素。然而在实际运行中，电能表所处电力系统不可能只有工频正弦波，支流分量可能导致电能表内电磁线圈铁芯饱和，线圈磁场产生畸变造成铝盘转动力矩受到制动，计数失准;铁芯中，高次谐波会产生高频磁通，直接干扰基波产生的工作磁通，以致于铝盘高频微颤，计量误差增大。

感应式电能仪表整体结构简单、性能稳定、安全性高、成本低，同时其使用便捷、使用年限较长，性价比较高，是电力公司中较为普遍的电能计度仪表类型。该设备在频率略窄的频带中应用效果最佳，但随着电力系统运行环境的日益复杂，外部的负面影响因素增多，供电网内波形畸变出现频率提高，造成电能仪表的测量精度降低，因电能计量误差大造成了电力公司巨大的经济损失，甚至损害了用户的利益。

2.2 电子式电能表

电子式电能表基本结构中乘法器是关键器件，常见的为模拟乘法器和数字乘法器两种，数字乘法器可继续分为:硬件乘法器。由移位寄存器、加法器组成，通过时序控制，根据乘法(0或者1)决定累加和右移，运算速度较快，需要额外的硬件电路;软件乘法器。通过A/D转换器转换电流、电压数据，利用乘法指令实现数字量相乘，运算速度相对较慢，可使用CPU自带的乘法器、加法器，有利于节约硬件成本。

目前技术条件下电子式电能表得到了普遍运用，电压、电流分别施加于采样元件上，两大参数同步采样并同时输入乘法器。在实际运行中，负载电压、电流均在滤波处理后方输入采样元件，乘法器计算的是工频正弦电压、电流信号。由此，传统电子式电能表未考虑谐波分量所致的误差。

现阶段我国电能计量中主要采用电子式电能表，与传统的感应式电能表相比，由于电能表内未设置转盘，以微电子电路为基础，电能计量更加精确、可靠。下文主要围绕电子式电能表对误差自动检测与修正展开分析，谐波未消除的情况下电能计量无法达理想状态。基于此，改善谐波对于表计精确度的影响具有必要性:其一，这是供电企业遵循市场经济规律的必要措施;其二，实现电力费用的科学管理，合理保护客户利益。

3 谐波背景下电能计量系统的误差控制建议

基于谐波背景下，必须精确分析出计量装置安装处的谐波并进行实时计算，主要采用误差自动检测方法，通过不断提高误差检测准确率获得良好的误差控制效果。本文针对此提出一种电能计量装置运行误差自动检测方法，具体分析如下。

3.1 误差自动检测方法

针对谐波来源设监测点，获取电能计量装置运行误差数据。为提高电能计量系统运行误差检测精确性，采用小波变换法进行数据分析。小波基函数ψa，b计算公式如下:

式中a为连续小波变换尺度，a值越大则对应频率越高;t为平移参数;b为初始值。a、t限定在一定离散点上取值，离散小波变换函数计算公式

，式中j、k为a、t所限定的离散点。通过上述两个公式可得函数f(t)的离散小波变换Cj，k计算公式: 。基于上述过程完成数据小波变换，实现监测点谐波状况、谐波影响下电能计量装置运行误差检测样本的高质量数据采集。

误差数据自动处理。将获取误差数据经由GPRS网络输入处理中心，获取误差自动监测结果;监测结果传输至显示器/客户端，供相关人员查看。

3.2 仿真实验

本文以某谐波条件下电能计量装置运行情况为实验环境，采用MATLAB仿真平台模拟，具体测试环境如下:谐波输出。输出装置为滤波电感滤除逆变器，电感值(mH)5、50、100;变压器。容量(MVA)250/250/60，电压组合(kV)525/230/35，短路阻抗(高-中14.51%、高-低53.32%、中-低33.59%)，负载损耗(高-中345.58kW、高-低76.13kW、中-低72.32kW)，空载损耗65.02kW，空载电流0.036%;电机。额定工作电压220V，额定工作频率50Hz，电机参数为Simulink设定的默认值，通断占空比55%。

数据准备。随机选取10个样本测试运行状况，其检测效率与检测准确率具体测试结果分别为:91%、93%;94%、90%;87%、87%;90%、80%;89%、85%;95%、93%;91%、83%;85%、80%;93%、95%;87%、84%。

结果分析:与传统自动检测方法相比，本实验中采取的误差检测方法精确度高于80%，且检测时间相对较短，可实际运用中操作性较强，具有较大的推广运用价值;完成误差检测后可采取误差补偿控制方法完成误差修正，提高电能表计量准确性。基于谐波背景下，电能计量系统误差修正方法主要有判决反馈修正方法、自适应动态修正方法、随机补偿修正方法，结合滤波、信号调制方法有效控制计量误差。

综上，基于含谐波背景下如何有效提高电能计量的精确性已成为一个关键性问题，其直接关系到发电厂、供电企业、电力用户等多方利益。我国主要电能计量装置可分为感应式、电子式两种，尤以后者的运用越加广泛，电能计量精确性相对较高。为有效控制谐波所致的计量误差，在电子式电能表设置时应配备误差自动检测系统，实现谐波误差的实时采集与分析，并选用合适的误差补偿控制方法进行误差修正，切实提高电能表计量精确性，为电力系统可持续发展保驾护航。

参考文献

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