谐波对电能计量的影响

摘要： 本文从电力谐波对电网的危害及其对电力企业经营效益的影响入手，通过电力谐波对普通电子式电能表和感应式电能表电能计量的对比，分析了电力谐波对电能计量的影响，推广电力谐波电能计量的必要性，并提出改造对策和展望。 关键词：谐波 电能计量 中图分类号：tm933.4

随着非线性电力负荷的日益增多，特别是大功率交直流换流设备、电弧炉、感应炉等非线性负荷的大量应用，由于这些非线性负荷产生的大量谐波电流，使电网供电电压和电能计量处电流的正弦波形发生了严重的畸变，造成电能计量不准确。另一方面，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，而且产生谐波的非线性用户将其吸收的一部分基波电能转化为谐波电能，并反送给电网，造成供电企业线损增加，电力营运企业非经营性成本增加。为此有必要研究在谐波影响下的电能计量，使电能计量管理更加合理，保障电力营运企业的经营效益。 一、谐波的来源

所谓谐波，就是由用户的设备所产生的频率在100hz及以上所形成的功率。产生谐波的设备主要有铁磁饱和型、电子开关型和电弧型三类。铁磁饱和型主要是各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，铁芯饱和会呈现非线性功率；电子开关型主要是各种交直流设备，如整流器、逆变器、双向晶闸管和可控开关设备等，它们普遍用于

冶金、化工、电气化铁路、计算机等；电弧型主要是各种炼钢炉、电焊机和弧焊机等设备。 二、谐波的危害

谐波对电网的污染主要会影响电力系统的稳定运行、继电保护的误动作、增加电网线损，缩短电气设备寿命、降低发电、输电及用电设备的效率、引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振而使谐波放大、对邻近的通信系统产生干扰等。 1.电压的变化范围过大

电网供电不足，供电部门采取降压供电，或地处偏远地带，损耗过多，导致电压偏低。电网用电太少，导致电压偏高。

电压低负载不能正常工作，电压太高，负载使用寿命缩短，或将负载烧毁。

2.波形失真（或称谐波waveform distortion）

普遍的波形失真指标准电源波形的多种谐波。电网谐波产生的原因是整流器、ups电源、电子调速装备、荧光灯系统、计算机、微波炉、节能灯、调光器等电力电子设备和电器设备中开关电源的使用或二次电源本身自身产生。 谐波对公用电网的危害主要包括：

1）使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输变电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时，会引起线路过热甚至发生火灾；

2）影响各种电气设备的正常工作，除了引起附加损耗外，还可

使电机产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏； 3）会引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起严重事故；

4）会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确；

5）会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 6）产生突波（或称电涌power surges）

指在瞬间内（数毫秒间）输出电压有效值高于额定值110%，持续时间达一个或数个周期。是破坏精密电子设备的主要元凶。除受到雷击产生外另外主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机开机时，电网因突然卸载而产生的高压。 电涌对敏感电子电器设备的影响有以下类型：

破坏电压击穿半导体器件，破坏元器件金属化表层等；干扰数据处理程序出错

接收、传输数据的错误和失败等；使得电气零部件提前老化、电器寿命大大缩短.

电涌会毁坏哪些电气设备：

含有微处理器的电气设备极易受到电涌的毁坏，这包括计算机及辅助设备、程序控制器、plc、传真机、电话机、留言机等；程控交换机、广播电视发送机、影视设备、微波中继设备；家电行业的

产品包括电视机、音响、微波炉、录象机、洗衣机、烘干机、电冰箱等。调查数据表明：在保修期出现问题的电气设备中，有63%是由于电涌造成的。 三、谐波功率的潮流方向

为了便于说明谐波的潮流方向。图1给出了简化电网中的谐波有功潮流分布图，该图包括了基波p1功率源、谐波源pg用户以及非谐波源用户的基波与谐波功率潮流方向。谐波源用户和非谐波源用户不但消耗掉发电机发出的基波功率，发电机、谐波源用户和非谐波源用户同时分别消耗掉谐波源用户产生的谐波功率pg。谐波源用户和非谐波源用户各自消耗掉多少谐波功率，是有各自负载阻抗决定的。

四、电力谐波对感应式电能表和电子式多功能电能表计量的影响 如果在发电机、谐波源用户和非谐波源用户各自安装电能计量装置进行计量，则谐波源用户电能计量装置实际计量所消耗的功率为p1- pg；非谐波源用户电能计量装置实际计量所消耗的功率为p1+ pg；发电机的电能计量装置实际计量所消耗功率为p1- pg，这就导致非谐波源用户吸收了对自己没有丝毫用处的、甚至还有危害的谐波电能，同时还要为谐波电能支付电费；相反的，谐波源用户不但消耗基波电能，同时还将部分基波电能转化为谐波电能污染电网，而且还少支付输出谐波电能所产生的电费；当发电机消耗较多的谐波电能时，不仅会降低发电出力，影响经济效益，同时还影响电网的安全运行，这显然是不合理的。为了研究解决这种不合理的电能

计量方式，我们在阜阳电网电气化铁路牵引站电能计量装置上，同时按装了一只三相四线0.2s级电子式电能表和一只三相四线0.5s级电子式多功能电能表（计量基波和谐波）作为研究对象。其测量数据如下：

从上表中我们可以发现，电子式电能表与电子式多功能电能表（基波和谐波）的电能计量是存在差异的，这是因为它们的计量方式不相同所造成的。

我们下面分别对以下两种电能表的测量方式进行分析：现在普遍使用的电能计量表主要有电磁感应式电能表和电子式电能表： 电磁感应式电能表（包括机电一体式感应式电能表）是通过电流和电压电磁感应组件驱动转盘转动，进而驱动计数装置记录电能量。它产生误差的原因很多，与电力谐波相关的体现在两个方面。 其一：感应式电能表是针对非常狭窄频率范围（工频）的正弦电流和电压波形而设计制造的。负载中基波电流电压不变而又含有谐波时，电能表电压线圈和电流线圈的阻抗都会发生变化，会引起电流、电压磁通幅值以及它们间相位角的改变，导致电压工作磁通和对应的电流磁通变化，使驱动力矩、抑制力矩、补偿力矩以及铁芯损耗的大小发生相对变化，从而引起电能计量附加误差。 其二：当存在谐波电压与电流时，由谐波和基波叠加而成的电压与电流波形发生畸变，但由于对应的铁芯导磁率的非线性，磁通并不能相应成线性变化，根据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转矩。畸变的波形通过

电磁组件后，由于磁通不与波形对应变化，导致转矩不与平均功率成正比，从而产生附加误差。

为了说明电子式电能表的测量方式，我们先画出原理框图如图2，测量的功率波形图如图3。为了便于分析，我们假设谐波源用户产生的谐波只有3次谐波，cos=1.0。由于电子式电能表没有滤波功能，p1+p3同时进入数字乘法器m 参与运算。从波形图我们可以看到，有谐波电压和电流产生的功率p3，在一个周期内，有四个区域与基波功率方向是相反的，只有两个区域是与基波功率方向是相同，因此电子式电能表少测量1/3p3功率，当cos=0.5（l）和cos=0.5（c）时，电能表少测量1/6p3功率，同理，5次谐波少测量1/5p5和1/10p5功率；7次谐波少测量1/7p7和1/114p7功率······，电能表不少测量偶次谐波功率，电能表在cos=1.0时少测量的功率p=p3+p5+······；电能表在cos=0.5（l）和cos=0.5（c）时少测量的功率p=1/3p3+1/10p5+······，这些少测量的谐波功率被输入到电力系统了，但是，谐波源用户所消耗的电能被正确记录了。值得注意的是，谐波功率潮流对计量的影响；当谐波与基波潮流一致时， 为正值，电能表计量的电能大于基波电能；当谐波潮流与基波潮流相反，时， 为负值，电能表计量的电能小于负载所消耗的基波电能。

电子式多功能电能表同时反映基波和谐波功率，计量其总和。这种计量方式，谐波源用户不仅向系统中注入谐波功率，危害电力系统及其它用户，而且少支付了相应电费；感应式电能表只反映基波

功率，不反映谐波功率，无法计量谐波源用户注入电网的谐波电能，同时在多费率计量、无功电能计量和最大需量计算等功能方面，感应式电能表无法实现多表合一。虽然大电网的谐波增加的功率损耗在无谐振条件下只有很小的相对值，但却有很可观的绝对值。线性用户和非线性用户的计量误差受谐波潮流影响，电子式电能表与感应式电能表差异在于：在谐波功率存在情况下，感应式电能表所计量的电能值比电子式电能表更接近基波电能；电子式多功能电能表计量值约等于基波与各谐波的电能之和，即对线性用户和非线性用户的计量中，在基波电能基础上，分别更“准确”地增加或减去了谐波电能。

五、谐波电能计量的必要性

1、电力企业走向市场，必将更进一步注重经济效益的核算。电力谐波使电能质量降低的同时，经济上对电力企业也产生一定的影响，主要体现在几个方面：

目前，对于非线性负荷，由于适用多费率电价，采用电子式电能表计量相当普遍，这种计量方法少计电能量约为负载产生谐波的电能，用户产生的谐波越多，需交电费越少。

造成供电线路、变压器等电网元件基波负载容量下降的同时，导致电能损耗上升；

在高供低量计量方式中，谐波源用户，对应的变损相应增大，按照现有变损计算模式，用户因谐波导致的额外变损未能反应在电费上。

2、虽然大电网的谐波增加的功率损耗在无谐振条件下只有很小的相对值，但却有很可观的绝对值。作为经济贸易结算依据的电能计量装置更应体现公平合理，由于谐波的影响，目前采用的电子式电能表和感应式电能表计量用户消耗电能，这两种计量方式都不尽合理。

3、谐波电能表成为电能计量发展的趋势，对基波电能及谐波电能分别计量，不仅可以实现合理的收费，还可计量出谐波源用户“污染”电网的谐波电能，在线监测谐波功率，依据相关法规和双方合同，谐波电能计量可作为用户分担谐波治理成本或享受经济补偿的依据，并因此达到电能质量科学管理的目的。 六、电力谐波电能计量的改进和展望

为计量基波电能，可选用基波电能表，这种表在电流电压输入回路与ad转换间装有低通滤波器，只反映基波电能。用宽频带的电子表测得的电能减去基波电能，若结果为正值，表明该负荷为线性负荷，吸收谐波电能；若结果为负值，表明该负荷为非线性负荷，向电网注入谐波电能。计量dsp+管理mcu，将dsp高速数字处理信号功能和高档mcu完备的管理功能相结合。其工作原理如下：16位a/d转换器对各相电压、电流进行采样由dsp高速数字信号处理器对采样信号进行处理，完成对各种电参数的精密积算及测量及电能累积、谐波分析、基波、谐波/全波电能等计算工作。通过总线将各参变量传递给功能管理mcu，由功能管理mcu结合各功能模块电路组成整个计量及管理系统。

目前，有不少电能计量产品，同时具备多费率有/无功电能计量、在线测量有无功功率、电压电流谐波（显示全波、基波、谐波、视在功率；显示基波、谐波的电压、电流有效值）含量、数据远程传送等功能，可以满足现行的电费计算模式，计量准确度和价格同普通电能表有可比性，可实现基波和谐波电能分别计量，组成整个计量及管理系统。 结束语

本文对谐波的来源与危害、谐波潮流方向、电力谐波对感应式电能表和电子式电能表计量差异进行了比较及分析，认为采用分别计量基波电能和谐波电能的计量方式是比较合理的。按照电力成本合理分摊的电价体系，对吸收谐波电能的客户在电力价格或用电量上适当给予谐波分量补偿；对向电网注入谐波电能的客户要给予电力成本合理分担，按谐波分量的比例对其用电价格进行调整，是非常有必要的。但是，由于国家目前尚无此方面的技术和商业营运规则，因此，重视和研究电网电能质量评估以及电网商业营运规则，显得特别重要。 [参考文献]

[1] 林胜华 基于电力谐波的电能计量探讨 《福建建筑》2007年第9期

[2] 路文强 谐波与电能计量 《工业计量》2012年增刊2