电能计量文献综述

嘉兴学院毕业设计文献综述题目：学院名称：机电工程学院专业班级:学生姓名：_一、前言随着国民经济和电力工业的飞速发展，电能供求关系的矛盾虽然已逐步得到解决，但是由于用电负荷日趋复杂化和多样化，非线性用电负荷的日益增多，供电系统中谐波电压和电流成分不断增加。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，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的电能计量方式，以确保电能计量准确，保障电力营运企业的经营效益。电网迅速扩大和新类型用户（如城市，城际轨道交通，汽车充电站）的出现，电能计量面临更严重的用电非线性和随机性。电力市场改革，开展用电需求侧的管理，使得电能计量管理手段日趋多样，要求计量系统的智能化越来越高。考虑到电能计量的准确性，现时的电能表在适用范围上各异，且对谐波信号、非稳态畸变信号等复杂信号条件下的电能计量技术尚未成熟近年来随着国家产业政策的调整和节能环保工作的不断推进，高耗能和对环境、电网污染较为严重的企业，在沿海和中东部地区已逐步关停和转产，一些如30万吨以下的小型炼钢、钛合金、大型起重吊装、牵引等设备的电力电子装置带来的谐波问题，对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电网运行带来极大影响。按国家对谐波的管理要求，企业进行谐波治理需要投入数十至数百万的资金，使得一些中小企业借西部大开发招商引资实际，纷纷迁往西部边远经济欠发达省区，利用西部能源的相对充裕和对谐波管理的滞后，而谋求“发展”，而使西部电网变的更加脆弱。因此，要实现对电网谐波的综合治理,就必须搞清楚谐波的来源及电网在各种不同运行方式下谐波潮流的分布情况，以采取相应的措施限制和消除谐波，从而改善供电系统供电质量和确保系统的安全经济运行。二、主题当电网正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，电流发生了畸变，产生了谐波;谐波电流注入到电网中，使得电网电压发生畸变,这些设备就是电力系统的谐波源。电力系统中的谐波源可分为两类:一是含半导体的非线性元件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、变频器等节能和控制用的电力电子设备;二是含电弧和铁磁非线性设备的谐波源,如交流电弧炉及铁磁谐振设备等,其中尤以电力设备产生的谐波最多。严重的谐波电压和电流能导致继电保护和自动控制设备的误动，产生附加损耗,降低输电效率，直接影响电能计量的准确性。1、国标对谐波的限值和计量对电压失真度的要求电网中谐波分量的大小，直接影响电能质量的好坏和电能计量的准确性。国标GB/T14549《电能质量公用电网谐波》明确给出了公用电网谐波电压的限制值（见表1）。表1公用电网谐波电压（相电压）电网标称电压/kv电压总谐波畸变率/%备次谐波厢含仃率奇次偶次0.385A)4.02A)6(10)4.03.2L635(66)打2.41.211。2A)1.60.X2、谐波对电能计量的影响对不同类型的电能表频率响应进行测试，可以看到：感应式电能表对2次以上谐波有逐渐增大的衰减特性，至U9次时已衰减掉80%以上，主要原因是感应式电能表的圆盘涡流路径的等效圆盘阻抗角随频率的增高而增大;电子式电能表呈宽带响应的特性，电子表带宽主要受其互感器频带和乘法器时钟频率限制。电网中基波功率由发电机产生，而负荷又分为线性负荷与非线性负荷。非线性负荷吸收电网的基波功率，并将基波功率的一部分转化为谐波功率反送回电网;线性负荷不仅吸收电网的基波功率，也吸收谐波功率。电能表反映的电能为：E=E+iKEh=2式中：E——通过电能表的电能；E1——通过电能表的基波电能；Eh一通过电能表的第h次谐波电能；Kh—第h次谐波下电能计量衰减的频率响应系数。根据感应式电能表频率响应曲线，随着频率的增大，电能表误差向负方向增大，即实际计量的电能越来越少，但0<|Kh|<1。对线性负荷而言，基波功率方向与谐波功率方向相同，Kh>0，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，Kh>0，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。电子式电能表对各次谐波的响应系数Kh^1，它反映的用户消耗电能较接近实际。对线性用户，它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。3、谐波对电能计量准确度的影响3.1对电磁感应式电能表的影响电磁感应式电能表是通过电磁感应组件来驱动机械计数装置记录电能的。它是按基波情况设计的。在电能表工作时，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，并通过电流元件铁芯构成回路。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产生推动铝盘转动的力矩，铝盘转动力矩与负载有功功率成正比。当电力系统中有谐波分量存在时，谐波与基波相迭加，电压电流波形发生畸变，而由于铁芯导磁率的非线性，磁通并不能相应地线性变化。根据电路原理,只有同频率的电压和电流相互作用才会产生平均功率，电能表也只有同频率的电压和电流产生的磁通之间相互作用才能产生转矩，畸变的波形通过电磁元件以后，由于磁通不与波形对应变化，导致转矩不能与平均功率成正比而产生附加误差。因此电磁感应式电能表在基波情况下能准确地记录负载消耗的有功功率；在谐波情况下，由于不能实现将多个不同频率的正弦电压和电流产生的机械转矩相叠加，因此不能准确记录负载消耗的谐波有功分量。3.2对电子式电能表的影响电子式电能表的结构主要包括:输入部分、乘法器、积分部分、输出部分。其工作原理是通过电压采样和电流采样，将电压信号和电流信号送入乘法器得到功率通过积分电路进行功率频率转换，得到对应的频率，再对此频率信号计数得到被测电路消耗的能量值送至输出。其工作原理示意图如图1。转入级>►-乘法器'功率频率转换►计数、显示图1电子式电能表的工作原理电子式电能表完全排除了感应式电能表的机械转动、元件磨损、倾斜度等的影响，其误差来自运行环境、元器件质量、电能质量、谐波频率等。与感应式电能表相比，电子式电能表，具有较宽的频率响应,频率误差特性曲线较为平坦，其计量误差受频率变化影响较小，电子式电能表能够将含有多个不同频率、按正弦规律变化的电压和电流分别采样并做运算，记录负载消耗的所有有功能量。从原理上讲，电子式电能表可以记录负载消耗基波和谐波的总能量（代数和）。因此，在谐波存在下以全能量为计量标准时，电子式电能表的计量误差远远小于感应式电能表的计量误差;而以基波能量为计量标准时，电子式电能表的计量误差要比感应式电能表的计量误差大。4、谐波工况下的电能计量4.1谐波工况下要求准确计量随着电力市场改革的推进，电能作为一种商品已经全面走向市场化，电能表能否在各种工业状况下准确计量，是发电、供电、用电三方关注的问题，而且电能计量的数据也是计算经济指标的重要依据，因此在谐波工况下依然要求电能计量准确。4.2谐波工况下电能计量分析4.2.1需要计算谐波消耗的电能电网中，高次谐波产生时要消耗一定电能，而且谐波电流在流经送变电设备和用电设备时也要做功，也会产生相应的有功电能和无功电能。故要想保证电能计量准确度，必须计算谐波产生的有功电能和无功电能。把各次谐波产生的有功电能、无功电能一并计算进去，其结果肯定会更加接近实际，提高电能计量的准确度。谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，从理论上讲任何周期性波形都可以将其分解为傅立叶级数来进行分析，所以利用傅立叶变换法，可以有效分析电力系统中的高次谐波。随着计算机技术的发展和交流离散采样技术的成熟，用傅立叶变换技术进行电能计量已变得非常现实。4.2.2谐波功率对电能计量合理性的影响我国采用全能量的计量方式，在基波情况下能够准确反映用户的用电情况，但是在谐波作用下就产生了较大的差异:当谐波从非线性负载流向电网时,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（如图2）,这是一种电能污染。此时谐波与基波的潮流方向相反,全电子式电能表记录的是基波电能与谐波电能的代数和，记录的电能比负载消耗的基波有功电能还要小，致使电能计量不合理。另外，线性负载吸收电网基波电能的同时又被迫吸收了电网谐波电能,因此电力用户既是电网谐波的受害者，还得多缴纳电网谐波形成的电费，也是不合理的。希望尽早改变这种不合理的电能计量状态。1I—LJ■U一电网电压；公一非线性负载；Zx一线性负载；，一基波电流;非线性负载产生的谐波电流;L-电网谐波电流

图2负载中基波电流、谐波电流流向示意图4.2.3推荐一种合理的计量方式发电机提供的是纯正弦波电压源，电网中谐波是电力用户的非线性负荷产生的，因此某个电力用户所引起的配电网谐波电能损耗应由该用户来承担;另外，电力用户希望电网提供纯正弦波电压源因而，由电网携带的谐波在电力用户中引起的谐波电能损耗应该由电网来承担。为此，对电力用户应采用以下计量方法。用户负荷消耗的总电能：W=消耗的基波电能W1-电网谐波形成的电能吗+负荷产生的谐波电能W3（对线性负荷为零）；电费=KW-KW+KW；K、K分别为负荷消耗的基波电能电价、谐波电能的电价。此计11222312量方法不但能够通过经济手段迫使用户采取措施减少注入电网的谐波量，同时对受电网谐波危害的用户也给以部分补偿，提高了电能计量的准确性和合理性。5、谐波电能的计量方法随着电网中非线性负载日益增多，供电系统中谐波电压和电流成分不断增加，导致电压、电流波形发生较大的畸变。谐波影响电能表的准确计量。目前，对谐波的计量主要有以下几种思路：（1）采用综合功率的方式，基于基波型电能表计量包括基波功率、谐波功率在内的综合实际功率；（2）采取检测、分离的手段分别计量；（3）专用的谐波表进行计量。采用谐波与基波分离的办法，对谐波电能进行分别单独计量，是一种较为合理的方法。目前有（1）基于FFT变换（Fastfouriertransform，快速傅里叶变换）的频域分解测量法；（2）虚拟仪器与数据采集板相结合的方法；（3）在线寻零迭代法；（4）不同频带的滤波器进行分离等实现方法。谐波表是谐波环境下电能合理计量的专用断谐波潮流方向。谐波表以数字信号处理器（DSP）为核心，通过高速交流采样模块完成实时采样，并基于FFT算法对电压、电流进行频域分解，实时积分计算电能。谐波表提供基波电能、谐波电能，通过谐波电能的方向区分用户是谐波源用户，还是非谐波源用户，但不能计量冲击信号等非稳态畸变信号条件下的电能。各种谐波电能的计量方法见表2.表2各种电能表对谐波计量比较内'容计量原理特点谐波电能计量情况适用范围感应式电能表综合功率法频率范围窄，不能谐波电能。电子式电能表综合功率法频率范围宽、计量较准确能计量包括谐波电能的全电能，对用户不合理。谐波电能计量要求不高的场合。智能计量基波与谐波分离，通过一些智能算法计量精度度、可扩展性强可分类计量谐波电能，但价格高、易受干扰.要求较高的场合使用。谐波表基波与谐波分离，谐波专用计量仪表精度高nJ•分类计最谐波电能，价格高，非稳态畸变信号下的也能计量不合理。特殊要求场合。三、总结谐波对电能计量的准确性和合理性有极大的影响。采用分别计量基波电能和谐波电能，记录谐波电能方向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或处罚，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，重视和研究电网运行技术规范以及电网商业营运规则，显得特别重要和关键。四、参考文献［1］王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功率补偿［M］.北京:机械工业出版社，1998.［2］王孝良，徐勇.电网谐波的实时测量［J］,电测与仪表，2003(10):27-30［3］毛筱，肖雁鸿,龚理专.FFT应用于谐波测量中频谱泄漏的分析与处理［J］，电工技术杂志，2001(02):23-25.［4］胡春静，胡伟.谐波影响下的电能计量［J］，山西师范大学学报，2009(06):26-28.［5］潘文，钱俞寿，周鹗.基于加窗插值FFT的电力谐波测量理论(II)双插值FFT理论［J］，电工技术学报，1994(02)：55-58.［6］舒双焰,丁洪发，段献忠.基于自适应数字滤波的谐波检测［J］，电力自动化设备，200(06)：39-41.［7］王群，吴宁，谢品芳.一种基于神经元的自适应谐波电流检测法［J］,电力系统自动化，1997(10)：99-101.［8］杨桦，任震，唐卓尧.基于小波变换检测谐波的新方法［J］，电力系统自动化，1997(10)：89-91.［9］高云鹏，膝召胜，周良璋.多功能谐波电能计量主机功能板设计与实现一种简单的谐波和无功电流检测方法［J］.电力自动化设备，2009，(3):126-130.［10］祁才君，陈隆道，王小海.应用插值FFT算法精确估计电网谐波参数［J］.浙江大学学报：工学版，2003,37(1):112-116［11］王群，吴宁，谢品芳.一种基于神经元的自适应谐波电流检测法［J］，电力系统自动化，1997(10)：99-101.［12］王晓毛，冯垛生，张淼.