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電能計(jì)量技術(shù)綜述
電能計(jì)量技術(shù)綜述
摘要：綜述各種電能計(jì)量的工作原理和構(gòu)造，分析比較它們?cè)陔娔苡?jì)量中的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。根據(jù)電網(wǎng)供用電的現(xiàn)狀和發(fā)展需要，探討在諧波環(huán)境下及瞬時(shí)性的暫態(tài)信號(hào)的電能計(jì)量原理。
1.引言
電能表是發(fā)電、輸電、配電和用電各個(gè)環(huán)節(jié)作為經(jīng)濟(jì)核算和節(jié)能管理的重要計(jì)量工具。隨著科技的進(jìn)步，新材料、新技術(shù)和新工藝的不斷發(fā)展和應(yīng)用，電能表的工作原理和結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了數(shù)次更新?lián)Q代，性能不斷優(yōu)化。
電網(wǎng)迅速擴(kuò)大和新類型用戶(如城市，城際軌道交通，汽車充電站……)的出現(xiàn)，電能計(jì)量面臨更嚴(yán)重的用電非線性和隨機(jī)性。電力市場(chǎng)改革，開(kāi)展用電需求側(cè)的管理，使得電能計(jì)量管理手段日趨多樣，要求計(jì)量系統(tǒng)的智能化越來(lái)越高�？紤]到電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，現(xiàn)時(shí)的電能表在適用范圍上各異，且對(duì)諧波信號(hào)、非穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)等復(fù)雜信號(hào)條件下的電能計(jì)量技術(shù)尚未成熟。
下面針對(duì)這種情況，回顧傳統(tǒng)計(jì)量技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，特別針對(duì)非穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)下諧波電能的計(jì)量技術(shù)進(jìn)行綜述分析，總結(jié)概括了現(xiàn)有理論方法，提出了實(shí)現(xiàn)的策略。
2.基波電能的計(jì)量
基波電能的計(jì)量主要有①感應(yīng)式電能表、②機(jī)電式電能表、③電子式電能表④智能電能表。
★感應(yīng)式電能表 主要結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)元件、轉(zhuǎn)動(dòng)元件、制動(dòng)元件、軸承、計(jì)度器、調(diào)整裝置、防潛動(dòng)裝置、表蓋、底座和端紐盒等組成。
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單耐用，工作可靠，價(jià)格低廉，便于批量生產(chǎn)，便于維修。目前感應(yīng)式電能表還在普遍使用，屬主流電表之一。
缺點(diǎn)：準(zhǔn)確度較低，適應(yīng)頻率范圍窄，功能單一，不便于自動(dòng)化管理。
感應(yīng)式電能表是在工頻附近很窄的頻帶范圍內(nèi)設(shè)計(jì)的，只能計(jì)量基波電能和一定頻率范圍內(nèi)的諧波電能。隨著高次諧波的增加，頻響特性曲線衰減嚴(yán)重，因此感應(yīng)式電能表不能準(zhǔn)確反映諧波的總電能，使計(jì)量總電能存在較大的誤差。
☆機(jī)電式電能表是隨著電子技術(shù)、電子元件的發(fā)展及電力市場(chǎng)對(duì)電能計(jì)量、運(yùn)營(yíng)管理需求的不斷提高而出現(xiàn)的一代產(chǎn)品。*有脈沖電能表、*復(fù)費(fèi)率電能表、*預(yù)付費(fèi)電能表等。
這些電能表還是沿用了感應(yīng)式電能表的測(cè)量機(jī)構(gòu)，其數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)則由電子電路或簡(jiǎn)單微處理元件控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這類電能表目標(biāo)：解決自動(dòng)抄表、收費(fèi)等問(wèn)題。
缺點(diǎn)：但機(jī)電式電能表與感應(yīng)式電能表一樣，受其準(zhǔn)確度低和頻率適應(yīng)范圍窄的限制而無(wú)法進(jìn)一步發(fā)展。 長(zhǎng)壽命和對(duì)運(yùn)行環(huán)境不敏感是感應(yīng)電能表突出的優(yōu)點(diǎn)。發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品中,有的采用高質(zhì)量的雙寶石軸承，乃至磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)，大大地提高了電能儀表計(jì)量精確度和轉(zhuǎn)動(dòng)元件的壽命。
●電子式電能表是適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)代化和電能計(jì)量管理現(xiàn)代化飛速發(fā)展的需要而產(chǎn)生的。它不再使用感應(yīng)式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)測(cè)量機(jī)構(gòu)，而由乘法器完成對(duì)電功率的測(cè)量。
其基本結(jié)構(gòu)包括：輸入級(jí)、乘法器、P/f變換器(Potential/frequency，電位/頻率變換器。又稱V/F變換器，即電壓/頻率變換器)、計(jì)數(shù)顯示、控制電路和直流電源部分。
優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，其中一些還可在很寬的電壓、電流和頻率范圍內(nèi)使用。微電子技術(shù)和信息技術(shù)的高速發(fā)展，大規(guī)模集成電路等的采用，使電子式電能表的使用壽命、準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)顯著改善，功能更廣泛。
缺點(diǎn)：電子式電能表對(duì)環(huán)境、諧波等環(huán)境因素較敏感，價(jià)格較貴。
特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)：
① 精度長(zhǎng)時(shí)間不變，不受安裝、運(yùn)輸影響等；
② 寬量程、寬功率因數(shù)、靈敏度精確度高和防潛可靠；
③ 可實(shí)現(xiàn)集中抄表、多費(fèi)率、預(yù)付費(fèi)和防竊電等功能；
可預(yù)留計(jì)量容量擴(kuò)展功能，保護(hù)前期投資。
電子式電能表的頻響曲線則比較平坦，可近似地認(rèn)為沒(méi)有衰減。所以電子式電能表具有較寬的頻率響應(yīng)范圍。當(dāng)電網(wǎng)電壓和電流都發(fā)生畸變時(shí)，有可能較準(zhǔn)確地測(cè)量基波和諧波的功率。但目前國(guó)內(nèi)采用的是全能量的計(jì)量方式(即基波和諧波的綜合功率)，使諧波環(huán)境下的電能計(jì)量不合理：線性用戶受諧波危害，反而被多計(jì)量了電能；非線性用戶發(fā)出諧波，污染了電網(wǎng)，卻因?yàn)檩敵鲋C波而少計(jì)量了電能。
◎智能電能表：計(jì)量有功(無(wú)功)外，還具有分時(shí)、測(cè)量需量等兩種以上的功能。并能顯
示、存儲(chǔ)和輸出數(shù)據(jù)功能。一般由測(cè)量單元和數(shù)據(jù)處理單元組成。數(shù)據(jù)處理單元一般由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，外擴(kuò)和軟件功能強(qiáng)大。近代的智能電能表還帶有E/O光電RS232通信接口，能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。典型的基波電能計(jì)量方法對(duì)比見(jiàn)表1。
3.諧波電能的計(jì)量
隨著電網(wǎng)中非線性負(fù)載日益增多，供電系統(tǒng)中諧波電壓和電流成分不斷增加，導(dǎo)致電壓、電流波形發(fā)生較大的畸變。諧波影響電能表的準(zhǔn)確計(jì)量。
目前，對(duì)諧波的計(jì)量主要有以下幾種思路：
①采用綜合功率的方式，基于基波型電能表計(jì)量包括基波功率、諧波功率在內(nèi)的綜合實(shí)際功率；
②采取檢測(cè)、分離的手段分別計(jì)量；
③專用的諧波表進(jìn)行計(jì)量。
采用諧波與基波分離的辦法，對(duì)諧波電能進(jìn)行分別單獨(dú)計(jì)量，是一種較為合理的方法。 目前有
①基于FFT變換(Fast fourier transform，快速傅里葉變換)的頻域分解測(cè)量法； ②虛擬儀器與數(shù)據(jù)采集板相結(jié)合的方法；
③在線尋零迭代法；
④不同頻帶的濾波器進(jìn)行分離等實(shí)現(xiàn)方法。
諧波表是諧波環(huán)境下電能合理計(jì)量的專用儀表，它能分別準(zhǔn)確計(jì)量基波電能及諧波電能并判斷諧波潮流方向。諧波表以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)為核心，通過(guò)高速交流采樣模塊完成實(shí)時(shí)采樣，并基于FFT算法對(duì)電壓、電流進(jìn)行頻域分解，實(shí)時(shí)積分計(jì)算電能。 諧波表提供基波電能、諧波電能，通過(guò)諧波電能的方向區(qū)分用戶是諧波源用戶，還是非諧波源用戶,但不能計(jì)量沖擊信號(hào)等非穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)條件下的電能。各種諧波電能的
計(jì)量方法見(jiàn)表
2.
4.非穩(wěn)態(tài)畸變電能信號(hào)的計(jì)量
可以用功率分解測(cè)量方法，準(zhǔn)確地計(jì)量非穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)條件下的電能。它能夠精確地識(shí)別功率的頻域分布及各個(gè)頻率上功率潮流，進(jìn)行基波功率、畸變功率的準(zhǔn)確測(cè)量。近十幾年來(lái)，非穩(wěn)態(tài)畸變波形下功率的分解測(cè)量問(wèn)題一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。
1) FFT方法是一種按頻率點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)分解的方法。
當(dāng)諧波源的諧波成分變化較大時(shí)，功率、電流等信號(hào)的頻譜是窄帶連續(xù)的譜。若采用FFT方法進(jìn)行電壓電流的頻域分解測(cè)量，理論上必會(huì)極大地增加頻率點(diǎn)的數(shù)量，計(jì)算量太大，使該方法無(wú)法滿足實(shí)時(shí)測(cè)量的要求。傅里葉變換對(duì)于高頻信號(hào)頻譜的變化反應(yīng)不靈敏，只適于分析所有特征大致相同的信號(hào)，而不適合分析多尺度信號(hào)的過(guò)渡過(guò)程或突變過(guò)程。雖然傅里葉變換能較詳細(xì)地描繪信號(hào)的頻域特性，但無(wú)法表述信號(hào)的時(shí)頻局域性質(zhì)，即不具備反映時(shí)頻局部化功能。
2)小波變換具有多分辨率分析的特點(diǎn)，
而且在時(shí)頻領(lǐng)域一樣具有表征信號(hào)局部特征的能力，是一種時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法。它能夠?qū)Σ煌念l率成分采用逐漸變細(xì)的采樣步長(zhǎng)，以聚焦到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)。特別是對(duì)瞬時(shí)性的暫態(tài)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的分析測(cè)量。因此，小波變換是分析非穩(wěn)態(tài)信號(hào)，或具有奇異性突變信號(hào)最有效的方法。但小波變換法的研究目前處于初始階段，還有許多問(wèn)題有待解決。到目前為止，小波變換的分頻特性在很大程度上依賴于小波基數(shù)的選取，利用現(xiàn)有的小波函數(shù)均無(wú)法實(shí)現(xiàn)諧波的準(zhǔn)確測(cè)量。在技術(shù)層面上，實(shí)時(shí)性問(wèn)題，也是比較復(fù)雜的小波算法所同樣面臨的問(wèn)題。
3)傅里葉變換和小波變換結(jié)合的方法，
對(duì)電網(wǎng)畸變信號(hào)進(jìn)行分析與檢測(cè)。應(yīng)用傅里葉小波變換結(jié)合的方法，
對(duì)動(dòng)態(tài)功率電能進(jìn)行分析的具體步驟是：
首先利用小波變換對(duì)非穩(wěn)態(tài)諧波和突變，以及間斷點(diǎn)等細(xì)節(jié)分量進(jìn)行分析；然后從原始信號(hào)中除去非穩(wěn)態(tài)諧波、突變和間斷點(diǎn)等細(xì)節(jié)分量；最后采用傅里葉變換分析穩(wěn)態(tài)過(guò)程。該算法能夠把頻率相近的整數(shù)次和非整數(shù)次諧波分離，從而提高諧波分析、檢測(cè)的準(zhǔn)確度�？梢酝瑫r(shí)對(duì)諧波、間諧波和信號(hào)閃變進(jìn)行測(cè)量，效果很好。但傅里葉小波綜合算法也存在實(shí)時(shí)性問(wèn)題。
對(duì)各種非穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)計(jì)量方法比較，見(jiàn)表3。
5.結(jié)語(yǔ)
隨著國(guó)家電力體制的改革，供用電不斷科學(xué)化和市場(chǎng)化，對(duì)科學(xué)合理的電能計(jì)量管理更加迫切。電能計(jì)量的模塊化、網(wǎng)絡(luò)化及系統(tǒng)化成為計(jì)量的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。總的來(lái)看，我國(guó)電能計(jì)量技術(shù)正在向著低功耗、諧波計(jì)量、負(fù)荷監(jiān)控、高精度和多功能等方向發(fā)展。
諧波工況下的電能計(jì)量
摘要:針對(duì)電網(wǎng)諧波降低電能質(zhì)量,嚴(yán)重影響電能計(jì)量準(zhǔn)確性的問(wèn)題,分析了感應(yīng)式電能表和電子式電能表的工作狀況,探討了計(jì)算諧波電能并區(qū)分諧波來(lái)源和諧波潮流方向的電能計(jì)量新方法。
關(guān)鍵詞:諧波;電能計(jì)量;電能表
1 電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生及危害
當(dāng)電網(wǎng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時(shí),設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同,電流發(fā)生了畸變,產(chǎn)生了諧波;諧波電流注入到電網(wǎng)中,使得電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變,這些設(shè)備就是電力系統(tǒng)的諧波源。電力系統(tǒng)中的諧波源可分為兩類:一是含半導(dǎo)體的非線性元件,如各種整流設(shè)備、變流器、交直流換流設(shè)備、變頻器等節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備;二是含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源,如交流電弧爐及鐵磁諧振設(shè)備等,其中尤以電力設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多。
嚴(yán)重的諧波電壓和電流能導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)控制設(shè)備的誤動(dòng),產(chǎn)生附加損耗,降低輸電效率,直接影響電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。
2 國(guó)標(biāo)對(duì)諧波的限值和計(jì)量對(duì)電壓失真度的要求
電網(wǎng)中諧波分量的大小,直接影響電能質(zhì)量的好壞和電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。國(guó)標(biāo)GB/T 14549《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》明確給出了公用電網(wǎng)諧波電壓的限制值(見(jiàn)表1),以及各等級(jí)電能表對(duì)波形失真度的要求(見(jiàn)表2)。
3 諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確度的影響
3.1 對(duì)電磁感應(yīng)式電能表的影響
電磁感應(yīng)式電能表是通過(guò)電磁感應(yīng)組件來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)械計(jì)數(shù)裝置記錄電能的。它是按基波情況設(shè)計(jì)的。在電能表工作時(shí),電壓線圈的電流所產(chǎn)生的磁通分為兩部分,一部分是穿過(guò)鋁盤并由回磁板構(gòu)成回路的工作磁通,另一部分是不穿過(guò)鋁盤而由左右鐵軛構(gòu)成回路的非工作磁通。而電流線圈所產(chǎn)生的磁通,兩次穿過(guò)鋁盤,并通過(guò)電流元件鐵芯構(gòu)成回路。由于電壓線圈和電流線圈產(chǎn)生的交變磁通,在不同位置穿過(guò)鋁盤,并在鋁盤的不同位置感應(yīng)出電流(渦流),此渦流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生推動(dòng)鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩,鋁盤轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與負(fù)載有功功率成正比。當(dāng)電力系統(tǒng)中有諧波分量存在時(shí),諧波與基波相迭加,電壓電流波形發(fā)生畸變,而由于鐵芯導(dǎo)磁率的非線性,磁通并不能相應(yīng)地線性變化。根據(jù)電路原理,只有同頻率的電壓和電流相互作用才會(huì)產(chǎn)生平均功率,電能表也只有同頻率的電壓和電流產(chǎn)生的磁通之間相互作用才能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,畸變的波形通過(guò)電磁元件以后,由于磁通不與波形對(duì)應(yīng)變化,導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩不能與平均功率成正比而產(chǎn)生附加誤差。
因此電磁感應(yīng)式電能表在基波情況下能準(zhǔn)確地記錄負(fù)載消耗的有功功率;在諧波情況下,由于不能實(shí)現(xiàn)將多個(gè)不同頻率的正弦電壓和電流產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩相疊加,因此不能準(zhǔn)確記錄負(fù)載消耗的諧波有功分量。
3.2 對(duì)電子式電能表的影響
電子式電能表的結(jié)構(gòu)主要包括:輸入部分、乘法器、積分部分、輸出部分。
其工作原理是通過(guò)電壓采樣和電流采樣,將電壓信號(hào)和電流信號(hào)送入乘法器得到功率通過(guò)積分電路進(jìn)行功率頻率轉(zhuǎn)換,得到對(duì)應(yīng)的頻率,再對(duì)此頻率信號(hào)計(jì)數(shù)得到被測(cè)電路消耗的能量值送至輸出。其工作原理示意圖如圖1。
電子式電能表完全排除了感應(yīng)式電能表的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)、元件磨損、傾斜度等的影響,其誤
差來(lái)自運(yùn)行環(huán)境、元器件質(zhì)量、電能質(zhì)量、諧波頻率等。
與感應(yīng)式電能表相比,電子式電能表,具有較寬的頻率響應(yīng),頻率誤差特性曲線較為平坦,其計(jì)量誤差受頻率變化影響較小,電子式電能表能夠?qū)⒑卸鄠�(gè)不同頻率、按正弦規(guī)律變化的電壓和電流分別采樣并做運(yùn)算,記錄負(fù)載消耗的所有有功能量第一文庫(kù)網(wǎng)。從原理上講,電子式電能表可以記錄負(fù)載消耗基波和諧波的總能量(代數(shù)和)。
因此,在諧波存在下以全能量為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí),電子式電能表的計(jì)量誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于感應(yīng)式電能表的計(jì)量誤差;而以基波能量為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí),電子式電能表的計(jì)量誤差要比感應(yīng)式電能表的計(jì)量誤差大。
4 諧波工況下的電能計(jì)量
4.1 諧波工況下要求準(zhǔn)確計(jì)量
隨著電力市場(chǎng)改革的推進(jìn),電能作為一種商品已經(jīng)全面走向市場(chǎng)化,電能表能否在各種工業(yè)狀況下準(zhǔn)確計(jì)量,是發(fā)電、供電、用電三方關(guān)注的問(wèn)題,而且電能計(jì)量的數(shù)據(jù)也是計(jì)算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要依據(jù),因此在諧波工況下依然要求電能計(jì)量準(zhǔn)確。
4.2 諧波工況下電能計(jì)量分析
4.2.1 需要計(jì)算諧波消耗的電能
電網(wǎng)中,高次諧波產(chǎn)生時(shí)要消耗一定電能,而且諧波電流在流經(jīng)送變電設(shè)備和用電設(shè)備時(shí)也要做功,也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的有功電能和無(wú)功電能。故要想保證電能計(jì)量準(zhǔn)確度,必須計(jì)算諧波產(chǎn)生的有功電能和無(wú)功電能。把各次諧波產(chǎn)生的有功電能、無(wú)功電能一并計(jì)算進(jìn)去,其結(jié)果肯定會(huì)更加接近實(shí)際,提高電能計(jì)量的準(zhǔn)確度。
諧波是一個(gè)周期性電氣量的正弦波分量,其頻率為基波頻率的整數(shù)倍,從理論上講任何周期性波形都可以將其分解為傅立葉級(jí)數(shù)來(lái)進(jìn)行分析,所以利用傅立葉變換法,可以有效分析電力系統(tǒng)中的高次諧波。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和交流離散采樣技術(shù)的成熟,用傅立葉變換技術(shù)進(jìn)行電能計(jì)量已變得非�，F(xiàn)實(shí)。
4.2.2 諧波功率對(duì)電能計(jì)量合理性的影響
我國(guó)采用全能量的計(jì)量方式,在基波情況下能夠準(zhǔn)確反映用戶的用電情況,但是在諧波作用下就產(chǎn)生了較大的差異:當(dāng)諧波從非線性負(fù)載流向電網(wǎng)時(shí),實(shí)際上是負(fù)載將電網(wǎng)中的基波經(jīng)過(guò)濾波和整流后形成的諧波電流反送回電網(wǎng)(如圖2),這是一種電能污染。此時(shí)諧波與基波的潮流方向相反,全電子式電能表記錄的是基波電能與諧波電能的代數(shù)和,記錄的電能比負(fù)載消耗的基波有功電能還要小,致使電能計(jì)量不合理。另外,線性負(fù)載吸收電網(wǎng)基波電能的同時(shí)又被迫吸收了電網(wǎng)諧波電能,因此電力用戶既是電網(wǎng)諧波的受害
者,還得多繳納電網(wǎng)諧波形成的電費(fèi),也是不合理的。希望盡早改變這種不合理的電能計(jì)量狀態(tài)。
4.2.3 推薦一種合理的計(jì)量方式
發(fā)電機(jī)提供的是純正弦波電壓源,電網(wǎng)中諧波是電力用戶的非線性負(fù)荷產(chǎn)生的,因此某個(gè)電力用戶所引起的配電網(wǎng)諧波電能損耗應(yīng)由該用戶來(lái)承擔(dān);另外,電力用戶希望電網(wǎng)提供純正弦波電壓源,因而,由電網(wǎng)攜帶的諧波在電力用戶中引起的諧波電能損耗應(yīng)該由電網(wǎng)來(lái)承擔(dān)。為此,對(duì)電力用戶應(yīng)采用以下計(jì)量方法。
用戶負(fù)荷消耗的總電能W
W=消耗的基波電能W1-電網(wǎng)諧波形成的電能W2+負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電能W3(對(duì)線性負(fù)荷為零) ,
電費(fèi)
電費(fèi)=k1W1-k2W2+k2W3。k1, k2分別為負(fù)荷消耗的基波電能電價(jià)、諧波電能的電價(jià)。 此計(jì)量方法不但能夠通過(guò)經(jīng)濟(jì)手段迫使用戶采取措施減少注入電網(wǎng)的諧波量,同時(shí)對(duì)受電網(wǎng)諧波
危害的用戶也給以部分補(bǔ)償,提高了電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和合理性。
5 結(jié)論
電力諧波直接影響電能計(jì)量的準(zhǔn)確度,為了保證電能計(jì)量準(zhǔn)確度,必須計(jì)算各次諧波消耗的有功電能。將諧波消耗的電能計(jì)入用戶總電能時(shí),應(yīng)該區(qū)分諧波分量的來(lái)源與性質(zhì),以提高電能計(jì)量的合理性和公平性。
諧波對(duì)電能計(jì)量表影響的分析
一、電能表的結(jié)構(gòu)原理
1.感應(yīng)式電能表的結(jié)構(gòu)和工作原理
圖1為感應(yīng)式電表結(jié)構(gòu)示意圖，當(dāng)交變磁通穿過(guò)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生感應(yīng)電流，電壓磁通和電流磁通與轉(zhuǎn)盤中產(chǎn)生的感應(yīng)電流相互作用，在轉(zhuǎn)盤上產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩。計(jì)算公式
MQ＝KΦIΦUsinΨ (1)
式中K——系數(shù)；
ΦI——電流磁通；
ΦU——電壓磁通；
Ψ——電流磁通超前電壓磁通的相位角
為使得轉(zhuǎn)盤能夠有一個(gè)穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速來(lái)反映一定的負(fù)載功率，在轉(zhuǎn)盤上附加一個(gè)永久磁鐵，可以對(duì)轉(zhuǎn)盤產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)力矩MT。
MT的計(jì)算公式
MT＝KTΦT2nhT （2）
式中hT ——力臂；
n ——轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速；
ΦT ——穿過(guò)轉(zhuǎn)盤的制動(dòng)磁通；
KT——制動(dòng)力矩常數(shù)。
當(dāng)MQ＝MT時(shí)，轉(zhuǎn)盤能夠做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，可以得到轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速與負(fù)載消耗電能的關(guān)系。設(shè)在末段時(shí)間T內(nèi)，負(fù)載功率不變，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)數(shù)為N，則有
N＝APT＝AW (3)
式中A——電能表常數(shù)；
W——負(fù)載在T時(shí)間內(nèi)消耗的電能(kW·h)；
P——有功功率。
2.電子式電能表的結(jié)構(gòu)和工作原理
圖2為電子式電能表基本原理圖。電子式電能表從工作原理上可分為：模擬式電子電能表和數(shù)字式電子電能表。
這兩種類型乘法器的基本工作原理均可用式(4)表述。
（4）
式中W——消耗電能；
Δt——采樣時(shí)間間隔；
k——采樣序數(shù)；
n——采樣次數(shù)。
式(4)說(shuō)明，將采樣電壓、電流相乘后相加，再乘以采樣周期即為平均電能，在一個(gè)周期內(nèi)，n越大則所計(jì)算出的電能越準(zhǔn)確。
諧波對(duì)電能表計(jì)量的影響
1.諧波對(duì)電能表自身誤差的影響
電能表的頻率特性是研究在畸變波形下電能表運(yùn)行狀況的重要依據(jù)，電能表頻率特性曲線平坦與否對(duì)其在諧波功率下計(jì)數(shù)有很大影響。感應(yīng)式電能表的頻率特性曲線如圖3所示。
圖3中，自上而下曲線對(duì)應(yīng)的功率因數(shù)分別為0.25(超前)，0.5(超前)，1，0.5(滯后)，0.25(滯后)。
通過(guò)對(duì)感應(yīng)式電能表的頻率特性曲線及相應(yīng)數(shù)據(jù)的分析，能夠得到：
1) 感應(yīng)式電能表的電能計(jì)量誤差頻率特性曲線呈迅速下降趨勢(shì)，即感應(yīng)式電能表在計(jì)
量高頻電能時(shí)，會(huì)出現(xiàn)誤差。
2) 計(jì)量誤差隨頻率的增高而增大，當(dāng)頻率為1 000 Hz左右時(shí)，誤差超過(guò)－90%。
3) 不同功率因數(shù)下的誤差值有一定的差異。
這種由頻率變化所產(chǎn)生的誤差的原因主要有以下幾個(gè)方面。
1) 頻率發(fā)生變化時(shí)，由于電壓線圈阻抗的變化，會(huì)導(dǎo)致電壓工作磁通發(fā)生改變，從而影響電能表的測(cè)量精度。
2) 轉(zhuǎn)盤非純電阻，其中有感抗分量，當(dāng)頻率升高時(shí)，轉(zhuǎn)盤的等效阻抗及其阻抗角隨頻率的升高而增大，使得電能表轉(zhuǎn)速變慢，產(chǎn)生負(fù)誤差。
3) 電流線圈磁通量和電壓線圈磁通量隨著頻率的增加而減少，使得驅(qū)動(dòng)力矩減少，電能表轉(zhuǎn)速變慢，產(chǎn)生負(fù)誤差。
4) 負(fù)荷的補(bǔ)償力矩與頻率成反比，當(dāng)頻率升高時(shí)，補(bǔ)償力矩減小，使電能表產(chǎn)生負(fù)誤差，并且這種影響的大小隨負(fù)載的大小不同而不同，負(fù)載電流愈小影響愈大。
應(yīng)用數(shù)字乘法器和時(shí)分割乘法器的電子式電能表的頻率特性曲線如圖4、5所示。
由頻率特性曲線可以看出，相對(duì)于感應(yīng)式電能表的頻率特性曲線，電子式電能表的頻率特性曲線比較平坦，這也說(shuō)明電子式電能表有著較寬的頻率響應(yīng)范圍，所以電子式電能表基本能夠準(zhǔn)確地計(jì)量諧波功率而受到頻率增高的影響較小。
2.諧波情況下電能表計(jì)量的誤差
系統(tǒng)中的線性負(fù)載只能吸收基波功率和諧波功率，而非線性負(fù)載能夠吸收基波功率并發(fā)出諧波功率。所以，在計(jì)量線性和非線性負(fù)荷所消耗的電能時(shí)，諧波會(huì)造成最終計(jì)量和實(shí)際所耗電能不相符的結(jié)果。
感應(yīng)式電能表在諧波情況下計(jì)量線性負(fù)荷的功率為基波功率和部分諧波功率之和，計(jì)量非線性負(fù)荷的功率為基波功率和部分諧波功率之差而電子式電能表則無(wú)論是線性負(fù)荷還是非線性負(fù)荷，均準(zhǔn)確地計(jì)量了兩種負(fù)荷發(fā)出和吸收的諧波功率。由于電子式電能表對(duì)諧波的準(zhǔn)確計(jì)量，所以在條件相同的情況下，電子式電能表計(jì)量了更多的諧波功率。
由于對(duì)諧波功率的計(jì)量，造成了感應(yīng)式電能表和電子式電表在諧波情況下計(jì)量功率的不準(zhǔn)確導(dǎo)致受到諧波污染的線性負(fù)荷用戶多交了電費(fèi)而產(chǎn)生諧波污染的非線性負(fù)荷用戶少交了電費(fèi)造成收費(fèi)的不公平。由于電子式電能表計(jì)量了更多的諧波功率，甚至給線性負(fù)荷用戶造成了比感應(yīng)式電能表更大的經(jīng)濟(jì)損失。還應(yīng)指出，電力系統(tǒng)吸收了部分諧波功率并將其轉(zhuǎn)化為線路損耗，更使電力部門蒙受損失。
3.當(dāng)前電能計(jì)量的方式及其不足
目前實(shí)際采用計(jì)量電能的方式主要分成三種
1) 采用基波電能表只計(jì)量用戶所消耗的基波功率（用戶喜歡，電力部門受傷害）。 這種計(jì)量方式對(duì)于線性負(fù)荷用戶來(lái)講是相對(duì)公平的，但是對(duì)于非線性用戶來(lái)說(shuō)，這種計(jì)量方式?jīng)]有考慮到非線性負(fù)荷向系統(tǒng)發(fā)出諧波功率，對(duì)系統(tǒng)造成的影響，并且使供電部門承受諧波所造成的損失，不能夠?qū)Ψ蔷�性用戶作出相應(yīng)的處罰，也沒(méi)有使吸收部分諧波功率受到諧波影響的線性用戶得到相應(yīng)的補(bǔ)償。
2) 采用頻響較寬的電能表計(jì)量（電力部門歡迎，線性用戶受到傷害）。
這種計(jì)量方式將用戶所消耗的基波功率和吸收或發(fā)出的諧波功率全部計(jì)入，最后相加得到用戶所消耗的電能。這樣會(huì)造成線性負(fù)荷用戶被多計(jì)量了電能，非線性負(fù)荷用戶被少計(jì)量了所耗電能，造成了計(jì)費(fèi)的不公平，相當(dāng)于鼓勵(lì)了對(duì)電網(wǎng)造成污染的非線性負(fù)荷用戶。
3) 分別使用基波表和諧波表來(lái)測(cè)量用戶所消耗的基波功率和諧波功率（理論合理，不一定實(shí)用）。
當(dāng)所得諧波功率為正時(shí)，即表明負(fù)載吸收諧波；
所得諧波功率為負(fù)時(shí)，表明負(fù)載發(fā)出諧波，以此為據(jù)來(lái)判斷負(fù)載吸收或發(fā)出的諧波功
率，進(jìn)行收費(fèi)獎(jiǎng)罰。
但具體諧波的功率方向大小得不到確定，不能夠判斷負(fù)載從電網(wǎng)中吸收和向電網(wǎng)中發(fā)出的諧波各是多少，以至于所計(jì)量的電能并不能真正地反映出非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)所產(chǎn)生的影響。
其他諧波因素對(duì)計(jì)量影響的考慮
1.背景諧波對(duì)電能計(jì)量的影響
目前電網(wǎng)中普遍存在有背景諧波，
對(duì)于線性負(fù)荷來(lái)講，即為從系統(tǒng)中吸收了諧波功率，那么此時(shí)需要準(zhǔn)確地計(jì)量出線性負(fù)荷用戶所吸收的諧波功率，并對(duì)線性用戶所受到的損失加以補(bǔ)償。
若為非線性負(fù)荷，則其既從電網(wǎng)中吸收諧波功率，也同時(shí)向電網(wǎng)中發(fā)出諧波功率。此時(shí)無(wú)論是感應(yīng)式電能表還是電子式電能表均只能計(jì)量出負(fù)荷吸收和發(fā)出的諧波功率相疊加之后的值，并不能夠真實(shí)地反映用戶吸收和發(fā)出的諧波功率各是多少，也就不能夠?yàn)榉蔷�性用戶所產(chǎn)生諧波對(duì)整個(gè)系統(tǒng)所造成的影響作出一個(gè)合理的判斷。
2.沖擊性負(fù)荷對(duì)計(jì)量的影響
現(xiàn)在電網(wǎng)中有時(shí)含有大量的沖擊性負(fù)荷，如電弧爐、軋鋼機(jī)和電力機(jī)車等。這類負(fù)荷的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間短，運(yùn)行的隨機(jī)性強(qiáng)，所產(chǎn)生諧波時(shí)間不確定，但諧波發(fā)生量通常較大，屬于暫態(tài)過(guò)程。沖擊性負(fù)荷對(duì)系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在使一個(gè)周期內(nèi)的波形畸變嚴(yán)重、無(wú)規(guī)律，可能造成不同周期內(nèi)的波形存在幅值、相位和頻率的波動(dòng)。并且由于功率變化迅速，容易造成系統(tǒng)的電壓閃變使電壓波形出現(xiàn)凹陷或突出。
所以，沖擊性負(fù)荷也給電能計(jì)量表的計(jì)量誤差帶來(lái)很大的隨機(jī)性。同樣的計(jì)量表針對(duì)不同時(shí)間的同一沖擊負(fù)荷，其所計(jì)量的電量可能有著很大的差別。
例如，某軋鋼廠在生產(chǎn)中進(jìn)行校驗(yàn)，其電子表誤差可達(dá)－12.45%，而在停產(chǎn)時(shí)校驗(yàn)，誤差僅為＋0.28%。
沖擊負(fù)荷造成計(jì)量誤差的主要原因是：
對(duì)于感應(yīng)式電能表，其本身就因?yàn)轭l響特性限制，對(duì)高次諧波測(cè)量誤差大，對(duì)于電子式電能表而言，是采樣的頻譜泄漏而造成的。
3.不平衡諧波對(duì)計(jì)量的影響
對(duì)于不平衡諧波對(duì)電能計(jì)量的影響問(wèn)題的研究，目前國(guó)內(nèi)并沒(méi)有見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)。國(guó)外文獻(xiàn)給出了對(duì)于多塊電能計(jì)量表在三相諧波電壓和諧波電流均不平衡時(shí)的實(shí)際測(cè)
量數(shù)據(jù)，說(shuō)明了在電網(wǎng)中存在諧波并且諧波處于三相不平衡時(shí)，能給電能表計(jì)量帶來(lái)很大誤差。
表中給出某辦公建筑和泵站的實(shí)測(cè)值。
應(yīng)用不同種類的電能表對(duì)這兩個(gè)用電負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量，可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于諧波含量不嚴(yán)重但三相諧波不平衡較嚴(yán)重的辦公建筑，電能表的最大偏差可以達(dá)到－5.57%，而對(duì)于諧波含量較大，同時(shí)對(duì)于三相諧波不平衡較大的泵站，電能表的最大偏差可以達(dá)到－10.09%。由此可以看出，即時(shí)諧波含量不大但是三相諧波不平衡較大，則計(jì)量結(jié)果仍可能出現(xiàn)較大的偏差。但是在諧波含量以及三相諧波不平衡均較大的情況下，什么是致使電能計(jì)量結(jié)果偏差較大的主要因素，還沒(méi)有得到很好的論證，有待進(jìn)一步的研究。
電能計(jì)量的改進(jìn)。
當(dāng)前，我國(guó)在電能計(jì)量中，電子式電能表逐漸成為主流。目前我國(guó)正在以很快的速度將感應(yīng)式電能表更新為數(shù)字式電子電能表。所以，在以下計(jì)量表和計(jì)量方式的選擇中，只考慮應(yīng)用數(shù)字式電子電能表。
目前所采用的計(jì)量電能方式，在諧波情況下并不能準(zhǔn)確反映被計(jì)量用戶實(shí)際所消耗的電能，而諧波在電網(wǎng)中是廣泛存在的，必須應(yīng)用合理的技術(shù)手段來(lái)對(duì)現(xiàn)有的計(jì)量表計(jì)和計(jì)量方式進(jìn)行改進(jìn)。
1.對(duì)電能計(jì)量表的改進(jìn)措施
因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)用戶均為非線性用戶，能夠測(cè)量出用戶向系統(tǒng)中發(fā)出的諧波功率，以及他們從系統(tǒng)中吸收的諧波功率，是準(zhǔn)確計(jì)量的關(guān)鍵部分。只有準(zhǔn)確計(jì)量用戶發(fā)出和吸收的諧波功率才能夠準(zhǔn)確對(duì)用戶的用電水平和其對(duì)電網(wǎng)所造成的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。 為了能夠準(zhǔn)確地計(jì)量用戶吸收和發(fā)出的諧波應(yīng)該在電能表技術(shù)中引入諧波源的判斷和
識(shí)別技術(shù)目前主要有基于功率潮流和諧波阻抗的諧波源辨識(shí)和檢測(cè)的方法，如功率潮流法、臨界阻抗法、微分方程法、基于最小二乘法以及基于全球定位系統(tǒng)(GPS)等諧波源辨識(shí)方法。應(yīng)用這些諧波源辨識(shí)技術(shù)在電能計(jì)量中，則能夠?qū)τ脩羲蘸桶l(fā)出的諧波功率進(jìn)行更準(zhǔn)確的計(jì)量。
針對(duì)沖擊性負(fù)荷，由于數(shù)字式計(jì)量表中所采用的FFT在時(shí)域中沒(méi)有局部變化的能力，所以可以考慮將具有良好時(shí)－頻局部變化特征的小波變換應(yīng)用在電能表中，兩種方法結(jié)合使用，以計(jì)量在沖擊性負(fù)荷的情況下，用戶所消耗的實(shí)際電能。
2.對(duì)計(jì)量方式的改進(jìn)措施
在計(jì)量方式上，應(yīng)采用基波電能和用戶吸收和發(fā)出的諧波電能分別計(jì)量的模式。此方式考慮到將負(fù)載所吸收和發(fā)出的諧波功率分別計(jì)量，從而達(dá)到計(jì)量結(jié)果的公平合理。
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