全波电能表的应用探讨

【摘要】本文以广州供电局计量管理现状为例，分析了常规三相电能表在谐波源用户的计量中存在的问题，并提出试用全波电能表的建议。

【关键词】全波；谐波；电能表；应用

1.概况

广州供电局的电能计量装置管理，一直按照《dl/t 448-2000电能计量装置技术管理规程》、《南方电网电能计量管理办法》、《广东电网公司电能计量管理办法》《广东电网公司电能计量装置技术规范》和《广州供电局电能计量管理办法》等相关规定进行i-v类用户的电能计量装置的选配和管理。对互感器和电能表的选配，只是参照用电容量和用电性质配置相应精度的互感器和有、无功电能表，并未考虑谐波的影响。

近几年，随着城市现代化的飞速发展，谐波的污染呈日益严重的趋势。应用于地铁、高速铁路、炼钢等领域的各类换流设备、调压装置、变频装置等非线性负荷的使用都将产生谐波，从而对电力设备、电力用户和通信线路等造成较大的影响。电网中的谐波还会影响到电能表计量的真实性和准确性。为此，近年来，一些电能表厂家相继研制出了应用于谐波工况下的三相多功能电能表，使全波计量方式成为可能。

2.谐波源头

非线性用电设备是造成谐波的根本原因。非线性设备有电弧炉、弧焊机、电子整流换流设备、高压直流输电设备、电气化铁道、家用电器以及各种电子节能控制设备如开关电源，晶闸管控制设备如换流设备、整流器、逆变器、静止无功补偿装置、变频器等，涉及冶金、公共交通、电气化铁路、电信、化工、有色金属、交通、机械、汽车制造等行业的用电客户。

3.谐波对计量装置的影响

谐波对电网的影响，除增加变压器和电力电路的损耗，可能引起保护误动外，还会影响到电能计量装置的准确性。

电网中的高次谐波主要是由非线性用电设备产生的，而高次谐波的产生是要消耗一定电能的，并且谐波功率在流经送变电设备和用电设备时也要做功，所以谐波也会产生有功功率和无功功率，并产生相应的有功电能和无功电能。从准确的角度来考虑谐振波产生的有功电能和无功电能也需要计算。

电能计量装置通常是按50hz标准的正弦波设计，供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响感应式电能表和电子式电能表的正常工作，使其不能准确计量。

有谐波源存在时，该处用户的电能量记录本应为其吸收的基波电能量加上小部分谐波电能量，而现使用的感应式电能表的记录为其吸收的基波电能量减去小部分谐波电能量，电子式电能表（基波表）只记录了其吸收的基波电能量，谐波电能量则未能记录，故谐波能使电能计量装置产生误差。下面分别分析谐波对电能计量准确度的影响。

3.1 对感应型电能表计量准确度的影响

传统的电能测量方法采用电压、电流的总有效值，测量功率为p=vrms×irms×cosφ，对于非正弦系统的，，通常使有效值增大。当电力系统中有谐波分量存在时，谐波与基波相迭加，波形就会发生畸变，而由于电压、电流铁芯导磁率的非线性，在电压、电流波形发生畸变时，磁通并不能相应地线性变化。从电工基础知识和电能表工作原理可知，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。

例如：电压为基波，电流为3次谐波，结果瞬时功率曲线如图1所示，有功功率为零。

可见，谐波电流并不一定增大有功功率。使用感应型电能表计量非正弦系统电量影响准确度。

3.2 对电子式电能表计量准确度的影响

我们知道瞬时功率p（t）-v（t）×i（t），谐波情况下的有功功率：

即：

pav=p0+p1+p2+p3+……

总的畸变波形的有功功率等于直流分量功率、基波功率与各次谐波分量功率之和。总的畸变波形的有功功率的大小决定于基波功率方向与谐波功率方向是否一致。

例如计算含3次谐波的有功功率：当3次谐波电压与3次谐波电流相位相同时，瞬时功率曲线如图2所示，有功功率为0.5，总的有功功率大于基波有功功率。

反之，当3次谐波电压与3次谐波电流相位相反时，总的有功功率小于基波有功功率。对于非线性用户，产生谐波倒流入电网，此时电能表计量是基波电能减去倒流入电网的谐波电能，不但产生污染电网的谐波，还少计量了电能；对于线性用户，谐波流入，计量的电能为基波电能与谐波电能之和，不但受害，还被多计量了电能。显然，这种计量方式是不合理的。

3.3 对基波电子式电能表计量准确度的影响

针对上述情况，现有电子式电能表一般都加前置低通滤波器，滤去除基波外的谐波，只计量基波电能。这样，对线性用户，谐波电能没有被误计入；对非线性用户，只计量了基波电能，而没有计量谐波电能，导致少计量电能。

同时，基波电子式电能表计量结构设计也影响了电能表的计量精度。谐波对电子型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的限制。电子式电能表的误差主要源自其输入模块。在结构设计上，由于电能表输入模块的信号变送仅考虑基波，当电压、电流波形发生畸变时，磁通不能相应地发生线性变化而产生误差，影响了电能表的整体计量精度。

从电能计量的角度来看，正弦波电源供非线性负荷，负荷污染电网、向系统注入谐波功率，少交电费，对电力系统不公平；谐波电源供线性负荷，用户设备性能变坏，吸收谐波功率，多交电费、对电力用户不公平。

对于谐波电源供非线性负荷，应根据谐波电压电流的相位差具体分析，以判断用户是吸收谐波功率还是污染电网而向系统注入谐波功率。无论这些谐波源的谐波含量超标与否，针对这些谐波源应用具有谐波计量功能的电能表，提高电能计量的真实性和准确性，将是计量管理精细化的趋势。

4.具有谐波计量功能的电子式电能表的研发与应用现状

4.1 应用现状

近年来，随着电子式电能表的迅速应用和普及，电能表的功能日益向自动化终端（包括rtu、ftu、ttu、负控、电能质量监测仪等）的功能扩展和完善，国内外的一些电能表厂家如兰吉尔、威胜等相继研制出了应用于谐波工况下的三相多功能电能表（全波表），并已开始在国内外试运行，使全波计量方式成为可能。而一些国内外芯片厂家相继推出的具有基波和谐波电能计量的三相多功能计量芯片，如ade7878等等，又将使全波表的造价大幅降低，使全波表在i-ⅳ类用户中的普及成为可能。

产品及应用实例举例：兰吉尔高端关口表zqc.6以上的电表都具有谐波计量功能，同时还具有电压骤降表等质量检测功能帮助提高电网运行质量和运行分析功能。兰吉尔zq表对于谐波的计量是将谐波有功，电压，电流分开计量并带有方向，可以清楚分清谐波的正反向，对于谐波进行独立的计量，同时还可以根据需求百分比形式计量。可以记录高达30次谐波，满足电网谐波计量的需要。还有一款单相含谐波计量的电能表，专门针对电气化铁路单相计量的特点而设计。目前该系列全波表已开始相继在山东、江西、安徽等地的电气化铁路试用，在欧洲（希腊，瑞士，德国，西班牙，波兰，法国等）及新加坡、泰国等国家的电气化铁路