電能計量的影響及防范

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隨諧波對電能計量結果的影響分析

筆者通過對包括大型鋼鐵廠、軋鋼廠及電力機車牽引變電站等在內的各種諧波污染較為嚴重的用戶進行實地調研和收集資料。根據現場調研的資料，建立非線性負荷的數學模型，并根據現場測試數據和觀測點的實際情況，在實時數字仿真系統（RTDS）上進行現場模擬實驗，模擬觀測點的實際諧波情況，經放大器將實際使用的感應式電能表和電子式電能表接入模擬系統進行電能計量，分析計量誤差，驗證相關的理論分析結果。在完成上述研究和試驗后，根據理論分析、仿真實驗和RTDS模擬實驗的結果，得出如下結論：第一，研究諧波對電能表計量影響的重要依據是電能表的頻率特性，因此，電能表的頻率特性曲線的穩定與否，在很大程度上決定它在諧波功率下對電能計量誤差影響的大小。[3]研究感應式電能表在諧波下的運行情況時發現感應式電能表接入電路后，電能表的頻率一旦發生變化，電能計量結果就會出現誤差。在相關實驗分析的基礎上，發現以上問題主要是由如下幾方面的原因所造成的：一是電能表的頻率發生改變時，非純電阻的轉盤就會產生感抗分量，這樣就會引起轉盤的阻抗角和等效阻抗的改變，從而最終致使電能表的轉速發生改變，以至于電能計量結果產生誤差；二是電能表頻率的改變會引發電流線圈磁通量的改變，而電流線圈磁通量的變化會導致電流線圈驅動力矩的變化，從而也最終導致電能表轉速的改變，進而產生電能計量誤差；三是隨著頻率的改變，電壓線圈磁通量也會發生相應的變化，從而使驅動力矩發生改變，電能表誤差也就會產生。第二，研究感應式電能表在諧波下的運行情況時發現當檢測信號的電流產生畸變時，隨檢測信號電流畸變程度的不同，電子式電能表在電能計量中會產生不同程度的測量誤差，但這些誤差相對較小，一般可以忽略不計；[4]當電流和電壓兩個信號的波形都偏離正弦波形而出現畸變時，對具有計量諧波功率功能的基于數字乘法器和時分割乘法器所構成的電子式電能表的測量結果而言，其測量誤差在其允許的精度范圍內。第三、兩種電能表誤差頻率特性的比較。實驗結果表明：隨著高次諧波的改變，感應式電能表誤差頻率特性曲線會發生明顯的變化，而且二者呈正相關的變化關系。而電子式電能表的誤差頻率曲線則隨著高次諧波的變化所發生的改變不明顯，即電子式電能表在電能計量中對諧波的影響具有較寬的頻率響應，而感應式電能表則達不到。

防范措施

從實驗的分析結果來看，采用計量基波的計量方式下電子式電能表的計量誤差和感應式電能表的計量誤差都比較大，[5]綜合各種因素，在計量基波的計量方式的基礎上提出了一種帶加權系數的、對基波電能及諧波電能分別計量的改進的電能計量方式，該計量方式能有效防范諧波對電能計量結果的影響。具體的計量公式如下：WCWCWCWFinFinFoutFout=−+11公式中，CFin為負載（線性或非線性兩種）吸收的諧波電能，CFout為負載產生的諧波電能，C1為基波電能。WFin、WFout、W1則分別為以上三個參數相應的加權系數。為了能有效防范諧波對電能計量結果的影響，以上三個參數相應的加權系數的設計應滿足以下條件：設W1為1；當0<WFin<1時等式右端第二項取負，是對線性負載被迫吸收諧波電能所給予的相應補償；當WFout＞1時，是對發出諧波電能的非線性負載用戶所進行的懲罰，有效保證電能計量結果的合理性?；谏鲜鲇嬃抗?，可以在電能計量結果的計算上有效避免線性負載因計量諧波電能造成的額外損失，而對于非線性負載，也不會因為計量負諧波而產生較大的電能計量誤差，而且基于該計量公式可以有效地通過經濟手段采取相應的補償和懲罰，從而迫使用戶采取措施減小注入電網的諧波量，從根源上避免諧波對電能計量結果的影響。從對上述計量公式的分析來看，有效防范諧波對電能計量結果影響的改進辦法就是對基波能量和諧波能量分別進行計量。然而，在實際的操作中，由于對諧波能量和基波能量分別計量的成本較高，因此，本文所提出的這種新的電能計量方式不適用于一般用戶，比較適合于諧波污染較嚴重的供電系統，如大中型電力用戶等。雖然這種新的電能計量方式的原理相對復雜，而且實際操作所花費的成本較高，但從理論上看，設計具體的計量方法時要突破所設計的方法是否可能測量或便于測量的束縛，首先要考慮它是否具有科學的根據，要力求使計量方法準確合理。相信隨著電子技術的不斷發展，本文提出的這種新的計量方式會越來越得到廣泛的應用。

本文研究諧波對電能計量的影響，得出在諧波情況下現有電能計量是否準確、合理的結論后，對目前電能計量中存在的問題提出合理的改進措施，將解決諧波對電能計量的影響，使電能計量的準確性問題，為發、供、用電三方的經濟利益及交易的公平性提供技術依據，有利于電力市場化。同時文中所提出的有效防范諧波對電能計量結果影響的改進的電能計量方式將為諧波條件下電能計量的合理性提供技術依據，實現對產生諧波的用戶進行懲罰，有利于改善電網的環境污染，具有很好的市場應用前景。

本文作者：何珊珊工作單位：冀北電力有限公司唐山供電公司營銷部綜合室