谐波存在时的电能计量误差与计量方法分析

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工作人员而言，对电能计量方法进行改进和创新，消除电能计量误差，是当前需要重点研究的课题。
一.谐波的相关概念
谐波是指电流中所含有的，频率为基波的整数倍的电量，或者说是对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。而从广义方面看，在交流电网中，有效分量为工频单一频率，任何与工频频率不同的成分，都可以称为谐波。谐波产生的原因，主要是由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变，从而产生谐波。在经济发展的带动下，化工、冶金、煤炭等行业的飞速发展以及各种非线性负荷的增加，使得电网中产生了大量的高次谐波电流，从而引起电压波形的畸变。可以说，在电力系统中，几乎所有的非线性设备和负荷都是谐波源，包括以变压器、电抗器等为代表的铁磁饱和型设备，以整流器、逆变器等为代表的电子开关型设备以及以电弧焊机等为代表的电弧型涉笔等。谐波对于整个电力系统的危害都是非常巨大的，一是会降低系统容量，影响设别的稳定运行，二是会加速设备老化，缩短设备的使用寿命，甚至可能造成设备的损坏，三是可能危害生产的稳定和安全，四是可能增加附加损耗，造成计量和测量设备的显示误差，同时可能干扰通信设备的信号传递，对其造成损坏。因此，采取合理有效的措施，对谐波存在时的电能计量方法进行改进，保证电能计量安全，是非常重要的，需要电力工作人员的重视。
二.谐波存在时的电能计量误差
电力系统存在谐波时，会造成计量误差的出现，影响电能计量的准确性。在电力负载上，谐波存在于基波电流或电压中，若基波电流和电压保持不变，则电能表转盘阻抗以及电压线圈阻抗会出现相应的边改，从而影响电能表计量的准确性。谐波存在时，电能表所反映的电能值可以用下列公式表示：
其中，E1和Eh表示基波以及h次的谐波电能值，其符号由实际潮流方向决定，并不确定，C1和Ch表示电能表所反映的与h次谐波电能和基波成比例的系数。对于电能计量而言，谐波功率的潮流方向是非常关键的。传统电能计量中，采用的是全能量计量方式，是对基波电能和谐波电能总和的计量，这就使得在实际计量中，存在着相应的问题：（1）当用户负荷为线性时，则供电为非正弦，此时，电能表计量的数据实际上是基波电能加上部分谐波电能，用户不仅需要多交电费，还可能会受到谐波的危害，影响设备的安全稳定运行；（2）当用户负荷为非线性时，则非线性负载会产生谐波功率和电能，同时将一部分谐波倒流到电力系统中，此时，电能表计量的数据是基波电能减去倒流入系统的谐波电能，不仅对电网造成了污染，而且还少交电费，损害了供电企业的经济效益；（3）当电源出现畸变，负载为非线性时，电能计量的情况相对比较复杂，负载从电网吸收相应的基波和谐波电能，同时也有谐波倒流入电网，可以说是前两种情况的综合。由此可知，线性负载在吸收系统基波功率的同时，还将被迫吸收谐波功率；而非线性负载在吸收基波功率的同时，将其中一部分基波功率转化为谐波功率注入系统，成为系统的谐波源。
三.谐波存在时电能计量的有效方法
针对上述问题，电力工作人员应该充分重视起来，结合谐波原理以及谐波产生的基本要素，对谐波的危害进行约束，从而提升计量的准确性。从目前来看，谐波存在时，电能计量的有效措施，包括以下几种：
1.应用全电子式智能电能表。全电子式智能电能表在计量中存在的误差，主要是由点积算法引起的，因此，对电能表进行更新，需要从计算算法开始。应该对电力系统中各次谐波的含量进行检测，针对谐波类型提出相应的解决方案。当前应用的全电子式电能表，在计量方法上相当复杂，必须由专业的技术人员进行操作，而且生产成本相对较高，因此一般都是在大中型工业企业中被广泛应用，可以有效降低谐波对于电能计量的影响。全电子式智能电能表的计量方法如下：在实际计量中，需要对带加权系数、谐波电能以及基波电能等进行分别计量，计量公式为
其中，W1、Wfin、Wfout分别代表负载所消耗的基波电能、吸收的谐波电能以及产生的谐波电能；而C1、Cfin、Cfout则代表相应的加强系数。一般情况下，将C1设置为1，则当Cfout大于1时，则应该对发出谐波电能的非线性负载用户进行惩罚；当Cfout在0-1的范围内时，则对线性负载用户进行相应的补偿。这种计量方法，能够有效避免因电能计量误差而引发的收费不公现象，同时可以利用经济手段，督促用户采取相应的措施，减少注入电网的谐波量。
2.采用频域电能计量方法。在实际应用中，首先，应该对离散化的电流和电压信号序列进行相应的加窗处理，以降低频谱泄露，避免其可能对谐波分析造成的影响；其次，对加窗后的谐波电流电压序列进行离散傅里叶变换；然后，结合FFT计算方法，对频域参数进行相应的估量和计算，以获取电流和电压信号中存在的谐波分量频率偏差、相位及幅值等；最后，由FFT算法得到加窗后的电流电压频域参数，结合相应的公式，对各次谐波无功电能及有功电能进行计算。其公式为：
3.仿真实验。通过相应的仿真实验，可以得到谐波存在时的电能计量误差数据，同时通过三角自卷积窗方式，实现对于基波电能的准确计量，以保证电能计量的可靠性和准确性。
四.结语
总而言之，谐波对于电力系统的危害是非常巨大的，当谐波存在时，电能计量可能会出现相应的误差，影响电力用户和供电企业双方的利益。因此，电力工作人员应该充分重视起来，采取合理有效的措施，对计量方式进行改进和创新，实现基波电能和谐波电能的分别计算，从而保证电能计量的准确性，保证我国电力行业的持续稳定健康发展。
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