谐波对电子式电能表计量的影响分析研究

王龙森　赵　龙

摘要:文章主要对谐波对电子式电能表计量的影响进行了分析研究,谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备和负荷的非线性特性,即所加的电压和所产生的电流不成线性关系。这些非线性负荷在工作时向电网反馈高次谐波,导致供电系统的电压、电流波形畸变,使电能质量变坏,因此分析电子式电能表的工作原理及谐波对电子式电能表计量的影响具有重要意义。

关键词:谐波;电子式电能表;计量

中图分类号:TM711

文献标识码:A

文章编号:1009-2374(2009)19-0005-02

一、电力系统的谐波问题

(一)谐波的定义

在国际电工标准中定义:“谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍”。由于频率是基波频率的整数倍数,我们也常称谐波为高次谐波,对谐波次数的定义为:“以谐波频率和基波频率之比表达的整数”。习惯上,规定电力系统工频为基波频率。

(二)谐波的产生和主要谐波源

在理想的情况下,优质的电力供应应该提供具有正弦波形的电压,但在实际中供电电压的波形会由于某些原因而偏离正弦波形,即产生谐波。我们所说的供电系统中的谐波是指一些频率为基波频率(在我国取工业用电频率50Hz为基波频率)整数倍的正弦波分量,又称为高次谐波。在供电系统中,谐波产生的根本原因是电力系统中某些设备和负荷的非线性特性,即所加的电压和所产生的电流不成线性关系。这些非线性负荷在工作时向电网反馈高次谐波,导致供电系统的电压、电流波形畸变,使电能质量变坏。电力系统中的非线性设备和负荷都是谐波源,按其非线性特性主要有三大类:(l)电磁饱和型:各种铁芯设备,如电抗器等,其铁磁饱和特性为非线性。(2)电子开关型:主要是各种交直流换流装置(整流器、逆变器)以及双向晶闸管可控开关设备等,它们在冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业中被广泛使用,晶闸管整流装置采用移相控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波,显然在留下部分中含有大量的谐波,经统计,由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%。(3)电弧型:各种炼钢设备,电弧焊机等,如在电弧炉中由于加热原料时三相电极很难同时接触到高低不平的炉料,使得燃烧不稳定,引起三相负荷不平衡,产生谐波电流,经变压器的三角形连接线圈而注入电网。

(三)谐波的危害

谐波对电力系统是有害的,其主要危害包括:(1)增加输、供和用电设备的额外附加损耗,谐波电流频率是基波频率的整数倍,高频电流流过导体时,由于“集肤”效应的作用,使导体对谐波电流的电阻增加,从而增加了设备的损耗,使设备发热严重。(2)影响继电保护和自动装置的动作和可靠性,由于按负序(基波)量整定的保护装置,整定值小、灵敏度高,如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧炉等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸,则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、母线差动保护的负序电压闭锁元件误动,严重影响电力系统安全运行。(3)干扰通信系统工作,电力线路上流过的幅值较大的奇次谐波电流经过磁场祸合,会在临近电力线的通信线路中产生干扰电压,干扰通信系统工作。(4)影响测量表计的准确计量,其实谐波的危害不仅表现在工程上,而且表现在经济上,比如增加电力固定成本;谐波会造成电能计量装置的误差,影响电力公司收入与其他公司的成本。

二、电子式电能表的工作原理

(一)基本原理

电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的,它采用乘法器实现对电功率的测量,乘法器是用来完成两个电量电压、电流相乘运算的器件,是电子式电能表的核心,它的准确度将直接影响着电能表的精度。乘法器主要有模拟乘法器和数字乘法器两大类,根据所采用乘法器的不同,可以将电子式电表进一步划分为两类。

(二)功能组成

基于模拟乘法器的电子式电能表的功能组成包括以下几个方面:(1)输入级:电压信号输入经过精密电阻分压或通过电压互感器变换为与被测电压成正比的低电压,输出至乘法器;电流信号常直接通过分流电阻变换为电压或采用表内互感器将大电流变换为乘法器适用的小电流或再将其变换为电压;为提高表计抗干扰性能从而增加稳定性,各信号输入回路基本上均采用具有较高准确度的电压、电流互感器,使外电路与测量系统在电气上完全隔离。(2)乘法器:乘法器是实现将被测电压、电流相乘,从而转换为功率的器件,是电能表的关键电路。模拟乘法器又分为时分割乘法器、霍尔乘法器、热偶乘法器等。时分割模拟乘法器的制造技术比较成熟且工艺性好,原理较为先进,具有更好的线性度,其最突出的优点是具有较高的准确度级别,可以达0.01级,主要缺点是带宽较窄,仅为数百赫兹。(3)U/f转换器:不同的乘法器后面应跟不同的U/f转换器,模拟乘法器输出的有功功率送给电压频率U/f变换(或电流频率I/f变换)电路,从而产生频率正比于有功功率的电能脉冲,U/f(或I/f)转换器在极低频时误差较大,为了获得线性好而且稳定的频率信号,通常是把电压变换为较高的频率信号,然后分频为低频信号。(4)输出部分:输出部分即显示部分。显示器显示电能表所测量的电能,显示器有字轮计度器、液晶显示器(LCD)和发光二极管显示器(LED)几种类型。(5)工作电源:除上述几部分外,电子式电能表中还包括直流稳压电源,为各部分电子电路的工作提供合适的直流电压,直流稳压电源由降压变压器、整流电路、滤波电路稳压电路等几部分组成。

三、谐波对电子式电能表计量的影响分析

(一)电子式电能表的有功计量方法

电子式电能表计量有功就是用A/D采样数值计算的方法,实际上用户负荷是不断变化的,无法快速而精确的测得每个周期的电压有效值、电流有效值,以及电压、电流向量之间的相位差。所以无法直接计算功率,但功率可由电压、电流的瞬时值计算而得,所以可以通过对电压、电流瞬时值采样的办法计算功率,将采样点电流、电压相乘相加再乘以采样周期就是平均电能。这是一个数值计算公式,计算机可以轻松完成,关键是如何把交流电压、交流电流模拟量转换成为数字量。实践表明引起这种电子式电能表计量误差的原因不仅是采样次数和A/D转换精度,主要是由电压、电流互感器及其后的放大线路元器件分散性造成的幅值误差和相位误差。应当指出,在测量电能量时,电网电压、电流要经测量用互感器转换成弱电信号后才送入电能表,因此测量用互感器的准确度直接影响着测量结果的准确程度,如果测量用互感器存在非线性,当畸变信号经过互感器时,互感器对各次谐波成分的转换比例就不一致,从而使被测信号发生变形。在这种情况下,测量误差会很大,在波形畸变情况下,互感器的波形变换误差随i波次数的增加而非线性的增大,偶次谐波的波形变换误差比奇次谐波更大。

(二)电子式电能表的频率特性

感应式电能表随着高次谐波的增加,频率特性曲线衰减很严重;而电子式电能表的频率特性曲线则相对平坦,可近似认为没有衰减,这表明电子式电能表具有较宽的频率效应。当电网中的电压和电流信号只有一个信号发生畸变,而另一个信号仍为正弦波时,根据正弦函数正交性可得,电子式电能表在这种情况下,其误差变化很小。当电网电压和电流都发生畸变时,由于电子式电能表频带较宽,仍可以准确的计量谐波功率,电子式电能表把基波功率和所有谐波功率一同计量。

(三)谐波情况下对电子式电能表的影响

电子式电能表是以总的畸变波形作为基础来计算电能,没有将基波和谐波加以区分,对线性用户来说,它计量的电能为基波电能与谐波电能之和,谐波对线性用户有害,但其电能也被计入,多计量了电能。而对非线性用户来说,他们产生谐波并将一部分倒流入电网,此时电能表计量的是基波电能减去倒流入电网的谐波电能。虽然非线性用户发出的谐波污染了电网,却少计了电能,起到了鼓励用户向电网注入谐波的作用。显然,这种计量方式是不合理的,现有改进措施如加前置低通滤波器,滤去除基波外的谐波,只计量基波电能,对线性用户来说,无用的谐波电能没有计入;对非线性用户来说,计量了基波电能,而没有计量由基波电能转化来的谐波电能,所以说这种措施也不是很理想。

针对上述情况我们提出了一种改进措施,具体措施如下:电流电压信号经过A/D转换后形成采样数字信号U(n)和I(n),经过相位校正,利用数字乘法器得到总有功功率;数字化的U(n)和I(n)通过一个基波抑制滤波器得到不包含基波成分的电流、电压信号Uh(n)和Ih(n),利用数字乘法器计算出总谐波有功功率Ph,总有功功率和总谐波功率对时间的积分,得到总电能ES和谐波电能EH。(1)当基波功率和谐波功率方向相同时,也就是当负荷为线性负荷时,只有基波电能对它是有用的,我们只计量基波电能;(2)当基波功率和谐波功率方向相反时,也就是当负荷为非线性负荷时我们应该计量基波和谐波绝对值的和。采用上述我们提出的计量方式,避免了线性用户因被多计谐波电能而遭受经济损失;对非线性用户,也不会因为计量了负的谐波电能使用户少交电费,而使电力企业蒙受损失,该计量方式有助于鼓励非线性用户采用谐波处理装置,减少谐波的产生,有助于建设“绿色电网”。

参考文献

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[2]黄珽.浅析影响电子式电能表计量准确的干扰因素及解决措施[J].江苏现代计量,2008,(5).

[3]陆祖良.电能表计量现状和问题讨论[J].中国计量,2009,(1).

作者简介:王龙森(1983-),男,陕西安康人,陕西省电力公司安康供电局助理工程师,研究方向:谐波对电能计量的影响;赵龙(1982-),男,陕西三原人,陕西省电力公司安康供电局助理工程师,研究方向:计量装置数据采集系统。