电力系统谐波对电能计量的影响与分析.pdf

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1、G U A N GX I D I A NY EG U A N GX I D I A NY E2 0 0 7.1 2(总第9 3期)交流与探讨广西电业电力系统谐波对电能计量的影响与分析赵红(贵港供电局,广西贵港市5 3 7 1 0 0)摘要本文对比分析了电能计量装置的原理、误差的原因以及感应式电能表、电子式电能表的频率特性,讨论了谐波对两种电能表的影响,并通过实验对比了各种情况下谐波对两种电能表准确性的影响,由此探讨一种电能计量方式的合理性。关键词谐波;电能计量;电能表;互感器1引言随着现代科技的发展,大量的电力电子设备等非线性负荷的应用使得电力系统出现了大量的谐波。由于谐波的存在,使得电能计量

2、失准,给国家造成了一定的经济损失。感应式电能表是按照工频正弦波设计制造的,只能保证在工频范围很窄的频带内具有最好的性能,当谐波出现时,不可避免的会产生计量误差。而电子式电能表则可以很好的避免这种误差。本文讨论了谐波对电能计量的影响,并通过实验对比了谐波存在的情况下两种电能表的性能,探讨了电费计算和电能计量的方式,得出了一种合理的计费方式,最后提出了提高电能计量合理性的对策,是当前解决电力系统因谐波造成的电能计量不准确问题的有效方法。2电能计量装置的原理与误差分析2.1感应式电能表的工作原理与误差分析感应式电能表的结构主要包括驱动元件和转动元件两部分,原理就是通过电磁感应作用来驱动转动元件从而进

3、行电能计量。在任何负载条件下,只有与负载功率成正比的驱动力矩和制动力矩作用在转盘上,电能表才能正确计量电能。但是,实际上除了这两个基本力矩外,还有抑制力矩、摩擦力矩和补偿力矩等附加力矩的作用,这样,便破坏了转盘的转速和负载功率成正比的关系,引起电能表的误差。感应式电能表的频率特性:电能表接入电路后,当频率发生变化时产生附加误差,原因主要有以下几个方面:转盘并非是一个纯电阻,其中有感抗分量,当频率升高时,转盘的等效阻抗及其阻抗角随频率的升高而增大,使电能表的转速变慢:电流线圈磁通量随着频率的增加而减小,磁通的减小,导致驱动力矩减小,电能表的误差向负方向变化;电压线圈磁通量随着频率的增加而减小,使

4、驱动力矩减小,电能表的误差向负方向变化;负荷的补偿力矩与频率成反比,当频率升高时,补偿力矩减小,使电能表产生负误差,并且这种影响的大小随着负载大小的不同而不同,负载电流越小影响越大。2.2电子式电能表的工作原理与误差分析电子式电能表的核心是乘法器,现在投入使用最多的时分割乘法器,是用集成运算放大器按时分割原理做成的模拟乘法器,通过电压和电流采样,将电压和电流信号送入乘法器中相乘,就可得一个与输入量的平均功率P成正比的平均电压U,再将此电压通过U/f压频变换电路得到对应的频率,通过对频率信号计数得到电能值并送至输出。电子式电能表的误差,主要是由表内分流器或电流互感器和电压互感器引起的。2.2.1

5、分流器引起的误差分流器由锰铜合金板制成。锰铜分流器的电阻随着温度的变化而发生非线性变化,这会引起电子式电能表的温度误差。因为锰铜为纯电阻,当其阻值选择很小,电流在一定范围变化时,其阻值不会发生变化,即其对电流的非线性几乎为零。2.2.2电流互感器引起的误差电流互感器的误差主要与一次回路电流、二次负载和工作频率有关。一次回路电流与误差绝对值及相位差误差成反比,二次负载与误差绝对值成正比、与相位差误差成正比。2.2.3电压互感器引起的误差在电压互感器中,由于励磁电流通过一次绕组,产生一次绕组阻抗压降,同时负载电流通过一次和二次绕组,产生一次和二次绕组阻抗压降,这就造成电压互感器T V的误差。电子式

6、电能表的频率特性:感应式电能表随着高次谐波的增加,频率特性曲线衰减很严重;而电子式电能表的频率特性曲线则相对平坦,当电网中的电压和电流信号只有一个信1 5 5G U A N GX I D I A NY EG U A N GX I D I A NY E2 0 0 7.1 2(总第9 3期)交流与探讨广西电业号发生畸变,而另一个信号仍为正弦波时,根据正弦函数正交性可得,电子式电能表在这种情况下,其误差变化很小,可认为近似不变。当电网电压和电流都发生畸变时,由于电子式电能表频带较宽,仍可以准确的计量谐波功率,也就是说,电子式电能表对谐波功率的响应是和对基波功率的响应相同的,它在谐波存在下的计量误差比

7、感应式电能表的误差小。3谐波对电能计量的影响谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍。谐波产生的功率叫做谐波功率,由非线性设备产生。谐波有功功率方向与基波功率相反,从用户进入电网,对电网中的各种设备产生不良影响。3.1谐波功率对感应式电能表计量的影响感应式电能表只在工频附近很窄的频率范围且电压、电流为正弦波条件下才能保证最佳的工作性能。大量的研究结果表明,当系统中电压、电流波形因各种原因偏离正弦有畸变时,感应式电能表的测量准确度将下降。这主要是因为在负载上当基波电压、电流不变而含有谐波时,电能表电压线圈阻抗和转盘阻抗都会变化,导致电压工作磁通和对应的电流磁通变化,从而影响电能

8、表的计量精度。同时,当存在谐波电压与谐波电流时,由谐波和基波叠加而成的电压、电流波形发生畸变,但由于对应铁芯导磁率的非线性,磁通并不能相应的成线性变化。根据电路原理,只有同频率的电压和电流相互作用才产生平均功率;同样,根据电磁感应式电能表的工作原理,只有同频率的电压、电流产生的磁通相互作用才能产生转距,畸变的波形通过电磁组件以后,由于磁通不与波形对应变化,导致转距不能与平均功率成正比而产生附加误差。存在谐波功率时,电能表反映的电能值E 可以表示为:E =C1E1+ChEh其中,E1,Eh分别为基波和h次谐波电能值,其符号可正可负,由实际潮流方向决定;C1,Ch分别为电能表所反映的与基波和h次谐

9、波电能成比例的系数。对于感应式电能表,在通常情况下,C1仍然逼近理想值1,谐波的存在对于C1的影响不大。Ch偏离1的幅度主要取决于谐波功率产生的转盘转距大小等值基波功率产生的转盘转距的程度,h值越大、转距越小、Ch也越小。另外,谐波功率的潮流方向对电能计量也有影响。当用户为线性用户时,基波潮流主要是由系统注入线性用户,因此,谐波与基波潮流方向一致,电能表计量的是基波电能和部分谐波电能,计量值大于基波电能,线性用户不但多交电费,而且受到谐波的损害。当用户为非线性用户(即谐波源时),用户除自身消耗部分谐波外还向电网输送谐波分量。向电网输送的这部分谐波潮流与基波潮流方向相反,电能表计量的电能是基波电

10、能扣除这部分谐波电能,计量值小于基波电能,因此,非线性用户虽然污染了电网,反倒少交电费。3.2谐波功率对电子式电能表计量的影响3.2.1电子式电能表的计量方法电子式电能表计量有功就是用A/D采样数值计算的方法。设交流电源电压、电流瞬时值分别表达为u(t)、i(t),则瞬时功率p(t)和1个周期内平均功率P分别为:p(t)=u(t)i(t)(1)p=1TT0!p(t)d t=1TT0!u(t)i(t)d t(2)将tk时刻的电压电流瞬时值u(tk)、i(tk)代入式(1)得到tk时刻的功率瞬时值:p(tk)=u(tk)i(tk)(3)将一个周期T等分为n份,根据积分的数值计算方法,可将式(2)变

11、为:p=1n u(t1)i(t1)+u(tk)i(tk)+u(tn)i(tn)=1nnk=1u(tk)i(tk)(4)令!t=tk-tk-1,则一个周期内的电能量W:W=nk=1u(tk)i(tk#$)t(5)当#t 0时,式(5)变为:W=T0!u(t)i(t)d t(6)电子式电能表就是按照式(6)的原理进行电能计量的。3.2.2谐波情况下电子式电能表计量分析当电压u(t)、电流i(t)中含有基波和2-n次谐波分量时,u(t)、i(t)可以表示为各次谐波分量的叠加。u(t)=nk=12%Uns i n(n$t+%n)(7)i(t)=nk=12%Ins i n(n&t+n)(8)式中Un(或

12、In)为n次谐波电压(或电流)的有效值;(为基波角频率;)n(或*n)为n次谐波电压(或电流)初相角。根据电路原理,瞬时功率、1个周期T内的平均功率、有功电能可分别表示为:p(t)=u(t)i(t)(9)P=1TT0!p(t)d t=1TT0!u(t)i(t)d t1 5 6G U A N GX I D I A NY EG U A N GX I D I A NY E2 0 0 7.1 2(总第9 3期)交流与探讨广西电业=nk=1!UnInc o s n=nk=1!Pn(1 0)W=T0u(t)i(t)d t=Tnk=1!Pn(1 1)式(1 0)中Pn=UnInc o s n为电压、电流n次

13、谐波(或基波)构成的平均功率。式(1 0)表明,只有同频率的电压与电流谐波才构成平均功率;频率不相同的电压与电流只构成瞬时功率;根本不构成平均功率。电子式电能表的有功电能按式(5)计算,当采样时间间隔!t 0时,在形式上电能计量式(6)与在谐波情况下有功电能理论表达式(1 0)相同;在数值计算时由于电子式电能表的C P U能够将含有多个不同频率、按正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样并作运算,因此有效地记录了负载的瞬时功率,亦即记录瞬时消耗的所有有功能量。因此,电子式电能表实现记录负载消耗基波和谐波总平均功率及电能量是可行的。4实验结果与分析本文采用先进的海仪电能表检定管理系统,其突破了以

14、往每做一个数据都要重新进行人工接线的限制,把所有工作都集中在计算机上,由计算机自动完成,只需输入检测点的数据。本次实验采用感应式电能表和电子式电能表各一只。实验原理如图1。电能表1:三相四线感应式电能表,准确度为2.0级,规格为3 2 2 0/3 8 0 V,3 5(2 0)A。电能表2:三相四线电子式电能表,准确度为1.0级,规格为3 2 2 0/3 8 0 V,3 5(6)A,远动脉冲常数为1 6 0 0 i m p/k Wh。图1实验原理方框图表1与表2反应的是叠加单一谐波功率对两个电能表计量的影响。表1为谐波功率含量相同,在改变谐波次数的情况下,电压畸变率、电流畸变率都为1 5%(即H

15、 R Un=H R In=1 5%)。可以看出,谐波含量相同时,改变谐波次数,感应式电能表和电子式电能表的计量误差变化明显不同。感应式电能表随着谐波次数的增大误差越来越大,也就是随着谐波频率的增高误差越来越大,这与我们先前的分析是一致的。并且随着频率的增高感应式电能表误差越来越大到9次谐波己经不能满足电能表的精度范围了。对于电子式电能表,当谐波含量相同时,改变谐波次数,电能表的计量误差没有明显变化。也就是说,在谐波含量相同的情况下,谐波次数变化对电子式电能表计量误差没有多大的影响。因为电子式电能表的频率特性曲线相对平坦可近似认为没有衰减,这与电子式电能表具有较宽的频率响应这一结论是相一致的。当

16、电压、电流畸变率都为1 5%时,谐波对电子式电能表的计量误差影响很小,误差都在电能表的精度范围内,说明电子式电能表能够满足计量的测量要求。表2为谐波次数相同,改变谐波功率含量的情况下,对两个电能表计量的影响。基波电压和基波电流上都叠加5次谐波,5次谐波电压含有率H R U5=1 0%,改变5次谐波电流含有率H R I5,分别取1 0%、2 0%、3 0%、4 0%,可以看出,谐波次数不变,改变谐波含量时,感应式电能表和电子式电能表的计量误差变化也明显不同。对于感应式电能表随着谐波含量的增加误差也越来越大,最后感应式电能表不能满足计量误差的精度范围。而对于电子式电能表,谐波次数不变,改变谐波含量

17、时,电子式电能表误差基本没什么太大变化,都能满足计量误差精度范围。表2谐波功率对电能计量的影响假设电力系统中含有3、4、5、6、7、8、9次谐波,设各次谐波含量如表3所示:表3各次谐波含量叠加多次谐波的实验结果如表4所示,表中特点1为3、5、7次谐波电压、谐波电流,功率方向与基波功率方向相同c o s=1.0,特点2为4、6、8、9次谐波,功率方向与基波方向相谐波次数电能表1误差电能表2误差3-1.4 4 1-0.1 2 35-1.6 0 2-0.1 1 96-1.8 4 4-0.1 2 07-1.8 9 2-0.1 2 79-2.0 5 9-0.0 7 71 1-2.1 5 7-0.0 5

18、51 5-2.2 9 7-0.0 2 6表1谐波次数对电能计量的影响H R U5电能表1误差电能表2误差1 0%-0.8 6 1-0.1 0 92 0%-1.4 9 5-0.0 9 83 0%-2.0 1 2-0.1 0 14 0%-2.5 1 8-0.0 8 93次4次5次6次7次8次9次电压7%6%5%4%3%2%1%电流1 5%1 4%1 3%1 2%1 1%1 0%9%1 5 7G U A N GX I D I A NY EG U A N GX I D I A NY E2 0 0 7.1 2(总第9 3期)交流与探讨广西电业反c o s!=0.8 6 6。可以看出,电子式电能表就算在叠

19、加多次谐波的情况下误差也不是很大,而感应式电能表在有多次谐波同时存在时,误差就比较大,从而说明电子式电能表比感应式电能表计量准确。表4叠加多次谐波对电能计量的影响谐波特点电能表1误差电能表2误差1-1.6 6 3-0.1 3 42-1.0 1 5-0.1 4 3可以看出,不管只叠加单一谐波功率或叠加多个谐波,还是改变谐波功率流向,电子式电能表的计量误差都在精度范围内,且电子式电能表的准确性明显比感应式电能表的准确性要高。5提高电能计量合理性的对策针对电力系统产生谐波的不同特点以及谐波对电能计量影响的不同形式,在此提出一种合理的电能计量方式,即电能表对基波电能及谐波电能分别计量。这样,不仅可以实

20、现合理的收费,还可计量出谐波源用户“污染”电网的谐波电能,对“污染”源用户进行必要的惩罚以及对非“污染”源用户进行一定的补偿才有了更科学的依据,同时也可促进谐波源用户进行谐波治理,优化电力系统供电质量,这就对计量装置提出了更高的要求。这种方式的功能与特点是:5.1能分别计量基波电能与谐波电能;5.2为保证电能计量的准确性,要求对电压和电流进行连续采样,应有较高的采样频率,并能进行实时分析,需极强的分析处理能力,最好具备网络显示功能;5.3可靠性要求高,在各种恶劣条件下,谐波电能表能计量准确,信息不丢失。6结语大量的电力电子设备等的非线性负荷的应用使得电力系统出现了大量的谐波。谐波的存在,使电能

21、计量失准,给国家造成了严重的经济损失。本文对比分析了感应式电能表和电子式电能表的原理、误差和频率特性,并通过理论分析和实验定性定量的比较了谐波对两种电能表计量的影响,给出了一种电能计量的合理方式,为电力部门综合治理谐波问题提供了参考。参考文献 1 张鹏展等。谐波对电能计量影响的研究 J。现代电力,2 0 0 2,1 9(4):4 3-4 8。2 唐福顺,禹仲明。基于电力谐波的电能计量分析 J。湖南电力,2 0 0 2,2 2(5):1 3-1 5。3 赵伟,吕鸿莉,郭蕴蛟等。电子式电能表及其在现代用电管理中的应用 M。北京:中国电力出版社,1 9 9 9。4 刘南平。电网谐波对电能计量的影响 J。广西电力。2 0 0 6,2:7 2-7 31 5 8