电力系统谐波对电能计量影响的研究

孙洁强

（阜阳供电公司，安徽 阜阳 236000）

1 引言

随着我国电力事业的飞速发展，电能计量已越来越深入地影响到了市场上各个企业的经济效益，而且随着现代计量技术的发展，已经出现了很多科学严谨的电能计量方法；另外，尽管目前电能计量的手段很多，也较准确的实现了电能计量，但不可避免的还是会发生一些误差或受干扰因素的影响，尤其是现在大功率感性负载的使用，增大了电力网中谐波的产生，而谐波对于电能计量有着明显的干扰影响，因此如何在谐波影响下正确实施电能计量成为当前电力企业重点解决的问题之一。

本文从电力系统中的谐波产生及其对电能计量的影响入手，详细探讨了如何抑制谐波实现电能计量的方法，并以此和广大同仁分享。

2 电力谐波的来源及其危害分析

2.1 电力谐波的来源

在电力系统中，产生谐波的原因、设备有很多，很难一次集中概况全面，但是总结现场的经验来看，能够产生谐波主要来源于以下几个方面：①大大小小的整流设备、逆变设备、交流调压设备和变频设备；②电网中的变压器群；③较大的单相电力电子装置；④工业用电弧炉；⑤电气化机车；⑥静止补偿装置中的可控电抗器和饱和电抗器；⑦高新技术产品中的元件，如敏感电子器件等。

通过以上分析可以看出，产生谐波的原因是多方面的。

2.2 电力谐波的危害

近年来，随着电力电子技术及其设备的广泛应用，电力系统的谐波污染日益严重。谐波对电力系统电磁环境的污染，轻则影响电气设备的效率和系统的用电效率，重则损坏设备以至危害电力系统的安全运行，危害面十分广泛。归纳起来其主要危害有以下几个方面：

2.2.1 产生附加损耗，增加设备温升

与基波电流相比，尽管谐波电流的比例不大，但设备的有效电阻会因集肤效应而增大，在有铁心的电气设备中铁心磁滞损耗和涡流损耗也增大，使设备温升增加，尤其局部发热点的温升可能增加更多，使设备绝缘加速老化。另一方面，当电压畸变波形出现尖顶波时，还增大了局部放电强度，从而降低绝缘寿命，进而缩短设备的寿命。

2.2.2 可能引起电机的机械振动

由谐波电流和电机旋转磁场相互作用产生的脉动转矩可能使电机发生振动，当电机机械系统的自然频率在受到上述转矩的激发而可能引起共振时，会引起转子过热，局部过电压，容易造成电机的机械振动，损坏电机设备，危及人身安全。

2.2.3 无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大

无功补偿电容与电力系统中的电感构成局部电感、电容回路，它们的一些组合有时会对某次谐波电流起到放大作用，加剧谐波危害。当它们构成局部谐波回路频率与系统中存在的某次谐波频率相近时，会造成过电流和过电压的危险。

3 电力谐波对电能计量的影响及其抑制探讨

3.1 电力谐波对电能计量的影响机制分析

3.1.1 电力谐波对感应式电能表的影响

根据有功功率表达式可以知道，只有同次谐波的电压、电流可以构成谐波功率。当电压为正弦，只有电流含有谐波分量时，不应该存在谐波功率，但通过研究表明，这种情况下感应式电能表的计量也存在误差。

电压为纯正弦，电流波形畸变时，由于磁路的非线性，电压磁通并非随正弦电压作线性变化，如同在磁路中附加了谐波磁通相当于附加了谐波电压，它们与同次的谐波电流作用，会产生附加驱动力矩。

3.1.2 电力谐波对电子式电能表的影响

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谐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。

3.2 电力谐波下的电能计量模式探讨

3.2.1 谐波的抑制手段

（1）增加换流装置的相数。换流装置是供电系统主要谐波源之一。理论分析表明，当增加换流装置的脉动数时，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数可以有效的清除幅值较大的低频项，从而大大地降低了谐波电流的有效值。

（2）无源滤波法和有源滤波法。为了减少谐波对供电系统的影响，从根本上实现对电气设备的保护，最根本的方法是从谐波的产生源头抓起，设法在谐波源附近防止谐波电流的产生，从而有效降低谐波电压。

防止谐波电流危害的方法有：①被动的防御，即在已经产生谐波电流的情况下，采用传统的无源滤波的方法（由一组无源元件：电容、电抗器和电阻组成的调谐滤波装置）减轻谐波对电气设备的危害；②主动的预防谐波电流的产生，即有源滤波法，其基本原理是利用关断电力电子器件产生与负荷电流中谐波电流分量大小相等、相位相反的电流来消除谐波。

3.2.2 谐波检测下的电能计量模式

目前，国内外已提出多种谐波源检测辨识方法，如：有功功率方向法、临界阻抗法、最小二乘状态估计法、负荷分离法等相关算法。总体可分为两种思路：基于功率潮流的谐波源检测辨识方法和基于谐波阻抗的谐波源检测方法。基于功率潮流的谐波源检测方法中包括有功功率方向法、无功功率方向法、临界阻抗法等，但是有功功率方向受公共耦合点两侧谐波源相角差的影响，并不能得到正确的检测结果。基于无功功率测量值的“临界阻抗法”会受到系统运行方式、谐波阻抗估算值的影响，并不能准确计算谐波源发出谐波大小。基于谐波阻抗的检测方法主要有微分方程法、基于最小二乘法的辨识等，可以较好地分离畸变负荷和非畸变负荷。

以偏最小二乘回归法为例进行电能计量的分析，应用偏最小二乘回归法构建电能计量的新模型，能够分出负荷的线性、非线性，以及负荷、系统所发出的各次谐波功率，从而分清在计量过程中，负荷与系统之间对谐波功率所应该承担的责任比，并且对于同一母线上所带的n个负荷，可以根据它们所发出的谐波功率的比值来确定它们对系统所造成的影响程度，分别进行处罚以及补偿。

4 结束语

针对电力系统中的谐波影响，本文从谐波对电能计量的影响机制入手，详细分析了谐波对电能计量的影响作用，并在此基础上重点探讨了如何避免电力谐波的影响而正确科学的实施电能计量，本文所做的分析探讨，仅是对电能计量的一些粗浅的探讨，更多的行之有效的谐波抑制措施以及电能计量方法，有待于广大工作技术人员的共同努力，才能够最终实现电力系统电能计量的科学准确的计量。

1 张有顺、冯井岗.电能计量基础（第二版）[M].北京：中国计量出版社，2002

2 李红、杨善水.电力系统谐波检测方法综述[J].现代电力，2004（4）：39～40

3 张展鹏、艾欣、杨以涵.谐波对电能计量影响的研究[J].现代电力，2002（4）：60～61