谐波电能计量的原理及其应用分析.doc

谐波电能计量的原理及其应用分析摘 要 本文首先介绍谐波对电能计量影响，分析谐波电能计量表的原理，最后分析谐波电能计量的实际应用。关键词 谐波 电能计量 电能表 线性负荷1.谐波对电能计量影响的分析1.1对感应式电能表的计量影响感应式电能表是靠电磁感应来产生转动力矩的，电能表工作时，电压线圈的电流所产生的磁通分为两部分，一部分是穿过铝盘并由回磁板构成回路的工作磁通，另一部分是不穿过铝盘而由左右铁轭构成回路的非工作磁通。而电流线圈所产生的磁通，两次穿过铝盘，并通过电流组件铁芯构成回路。由于电压线圈和电流线圈产生的交变磁通，在不同位置穿过铝盘，并在铝盘的不同位置感应出电流(涡流)，此涡流与磁场相互作用便产生推动铝盘转动的力矩，铝盘转动与负载有功功率成正比。电磁感应式电能表的设计只按基波考虑，由谐波和基波叠加而成的电压、电流波形发生畸变，从而导致感应式电能表的误差频率特性曲线呈迅速下降趋势，因此在电能计量中，不管是以全能量为计量标准还是以基波能量为计量标准，当谐波含量较大时对感应式电能表的电能计量将会产生较大的影响。1.2对电子式电能表的计量影响和感应式电能表相比，电子式电能表的计量误差受频率变化影响相对较小，而以基波能量为计量标准时，电子式电能表的计量误差比感应式电能表的计量误差还要大，这是由于它的制造原理决定的，关键在于它的采样方式:a/d采样乘法器中央处理器显示与输出，它是以正弦50 hz在不超过国标的情况实施采样和计算的。依据jjg 5961999电子式电能表检定规程，电子式电能表电流、电压正弦波形失真度要求(见表1)，当有多次谐波超过表1限度介入时，将导致波形失真，因此乘法器计算时就产生了误差。（见表1）2.电能计量新技术全电子式电能表计量原理上的不足不同的计量标准下对电能表计量误差的评价也不相同。通过对非线性负荷的理论分析表明，作为谐波源，非线性负荷所产生的谐波是吸收基波的一部分转化而来，从而说明传统的计量方式具有不合理性，需要一种新的电能计量技术解决基波与谐波同步计量的问题。根据感应式电能表的计量原理，对基波电能的计量采用感应式电能表，而对于谐波对电子式电能表作用，对谐波电能的计量采用电子式电能表。这样对同一计量点，在谐波超过gb/t145491993电能质量公用电网谐波(或国际电工委员会发布的iec61000-3-6标准)限制标准规定时，采用0.5级的全电子式电能表和电磁感应式电能表同时计量。以下是一组经过实践获取的针对基波与谐波负荷计量的数据。广东地区有部分中小型炼钢企业或电镀厂，在为地区经济发展起到了积极作用的同时也给电网安全和线性用户的用电质量带来了威胁，对其中具有代表性的一个企业安装了上述2种电能表进行计量，该用户为10 kv供电，总计用电容量1 615 kva，有8台100315 kva变压器，实际负荷率在40%左右，主要负荷为5台小型中频电弧炉，电流互感器变比200/5。在单一表计量的情况下年用电量约为6106kwh。（见表2）表2 感应式与电子式电能表计量比较 103kwh测量时间参数电能表类型感应式 电子式对线性负荷而言，基波功率方向与谐波功率方向相同，因此感应式电能表所计量的电能大于基波电能，但小于基波与各次谐波电能之和;对非线性负荷而言，基波功率方向与谐波功率方向相反，因此感应式电能表所计量的电能大于基波与各次谐波电能之和，但小于基波电能。对线性用户，电子式电能表计量的电能等于基波与各次谐波电能之和，但大于基波电能;对非线性用户，它计量的电能等于基波与各次谐波电能之差，但小于基波电能。由表2可见，在电网中，当谐波从负载流向电网时，实际上是负载将电网中的基波经过滤波和整流后，形成的谐波电流反送回电网，这是一种电能污染。普通电子式电能表将谐波源负载消耗的基波有功电能和谐波源负载向电网返送的谐波有功电能(被污染的电能)进行了代数相加，使得记录的能量比负载消耗的基波有功电能量还要小，这是普通电子式电能表计量原理上的不足之处。正是利用这原理，采用上述两块表的计量方法，通过计算可以简易得出谐波电量值。由此可以设计一种一体式多功能电能表，既能计量基波电能同时又能计量谐波电能的谐波电能表，但由于谐波计量尚没有国家标准和收费标准，因此，谐波表所计量的谐波电量只作为参考，不能累加到总结算电量中去。2.2谐波电能计量表的原理目前，电子式电能表有功电能的计量方法主要是采用数字乘法器的原理实现。无功电能计量采用基波移相90的方法实现。数字乘法器计量方法通过数学推导，可以用下面的数学公式表示:（1）式中:p为有功功率，p1为基波功率，pn为n次谐波功率。如果采用这种电能方式计量，对于谐波源用户在吸收系统基波电能的同时，转化为谐波电能反向输入系统，这样谐波源用户将少计量实际电能。如果采用下式电能方式计量，则可完成实际电能的计量。（2）采用这种电能方式计量，计算结果中的基波分量和各次谐波分量进行累加做为有功电能。基波电能和谐波电能可以分别计量和显示。与普通表相比，如果将基波量与谐波电量累加求和，则该类电能表计量的综合电能电量大于或等于普通表数据。谐波量越高，计量数据差值越大，特别适合用于对炼钢厂、电镀厂、电气化铁路等谐波负荷的电能计量，当然也适用于被谐波污染的线性负荷用户，可以将多计量的电量返还用户。3.谐波电能计量的实际应用谐波电能表完全消除了感应式电能表的机械转动、元件磨损、倾斜度等的影响。全电子式电能表的发展，由原来的单片机技术发展到采用大容量cpu、汉字点阵字库以及a/d+dsp+cpu形式，不断完善独立、固化的计量专用芯片并逐步拓展大量程、宽量限电能表，由此而实现了具有测量与基波方向一致或相反的谐波有功电能，即具备了计量基波有功电能、基波无功电能、实际消耗电能、总电能的功能。新型全电子式谐波电能表具有较宽的频率响应，误差频率特性曲线也较为平坦，因此，在谐波存在下以全能量为计量标准时，新型谐波电能表的计量误差远远小于感应式电能表的电能计量误差，因为，它实现了基波电能和谐波电能分开计量。通过在实验室对谐波表和普通电子式电能表进行了走字实验，实验对象是1块1.0级三相三线普通电子式电能表和1块0.2s级三相三线谐波电能表，规格均为1.5(6) a、3100 v，走字电流1 a，电压为额定参比电压，功率因数1.0，通过检定程序施加5%的3次干扰谐波，走字时间24h，测量结果为普通电子式表3.63 kwh，谐波表基波电量3.95 kwh，谐波表3次谐波电量0.21 kwh。普通电子式电能表由于受谐波干扰，所计电量与谐波表基波电量相比相差8.1%，其所计电量明显低于谐波表基波电量。谐波电量占基波电量5.3%，也就是说，在通入电能表的1a电流中，其中一部分被谐波占用，而谐波电能表能够分别计量出基波电能和谐波干扰所占的有功电能，相对误差也比较小。目前国内已经推出了这种谐波电能表，专门用于计量谐波源用户。但鉴于目前国家尚没有对谐波电量的收费标准进行规范统一，因此，谐波表所计量的谐波电量暂时未累加到贸易结算的总电量中，而是单独显示和储存。通过用0.5 s级这种谐波电能表对上次测量过的电弧炉谐波源用户连续2个月时间的实际测试(见表3)。可见，采用专用谐波表计量结果与双表计量结果相比，谐波电量最大量差是1.2103kwh的误差，由此可以推断，如果通过这种新型谐波表的计量，对该用户每年可追究其有功电量损失超过90103kwh，约占其年用电量的1.5%，以上数据可以说明谐波表的应用是可减少供电部门的电量损失，因此，科学合理推广使用谐波表计量对谐波源负载的计量具有很高的应用价值。目前，广东地区还没有正式安装该型谐波电能表，对小部分炼钢厂、电气化铁路安装的谐波表也只是对谐波电量进行监测，如果需正式收费，还要国家或有关部委制定统一谐波电能计量标准和收费依据。4.结