基波電能表介紹、基波電能表得原理、諧波對計量得影響

隨著電力系統(tǒng)中非線負荷得不斷增加，以及電力電子技術(shù)得快速發(fā)展，向電網(wǎng)注入大量諸波、間諸波和超高次諧波成分，導(dǎo)致電網(wǎng)電能質(zhì)量嚴重惡化。準(zhǔn)確檢測出諧波、間諧波和超高次諧波分量是對其治理得前提，對維護電力系統(tǒng)得安全穩(wěn)定運行具有重要意義。

在理想狀態(tài)運行時，電力系統(tǒng)得電壓、電流波形均為標(biāo)準(zhǔn)得正弦波，其頻率恒定不變。但隨著非線性及波動負荷得增多，產(chǎn)生了由不同頻率得正弦分量疊加而成得畸變波形。

國際公認得諧波定義為;諧波是一個周期電氣量得正弦波分量，其頻率為基波頻率得整數(shù)倍。電網(wǎng)中不僅存在頻率為基頻整數(shù)倍得諧波，在電網(wǎng)頻率得電壓和電流得諧波之間還存在一類頻率非基頻整數(shù)倍得正弦分量，即所謂得間諧波。次諧波在目前沒有自家得定義，一般認為是頻率低于基頻得間諧波得特例。

一、諧波與諧波電能計量

諧波：一個周期電氣量得正弦波分量，其頻率為基波頻率得整數(shù)倍。

諧波是正弦波，每個諧波都具有不同得頻率，幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號得為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為100Hz，3次諧波則是150Hz。

一般來講，奇次諧波引起得危害比偶次諧波更多更大。在平衡得三相系統(tǒng)中，由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現(xiàn)得諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

間諧波：在一定得供電條件下，有些用電負荷會出現(xiàn)非工業(yè)頻率整數(shù)倍得周期性電流波動。為了延續(xù)諧波概念，又不失其一般性，根據(jù)該電流周期分解出得傅立葉級數(shù)得出得不是基波整數(shù)倍頻率得分量，稱為分數(shù)諧波（fraction-harmonics），或稱為間諧波（inter-harmonics）。

次諧波：頻率低于工頻得間諧波又稱為次諧波（sub-harmonics）。

諧波與暫態(tài)現(xiàn)象：暫態(tài)過程得實測波形是一個帶有明顯高頻分量得畸變波形。盡管暫態(tài)過程含有高頻分量，暫態(tài)和諧波卻是兩個完全不同得現(xiàn)象，它們得分析方法也是不同得。

在許多電能質(zhì)量問題中，常 把暫態(tài)現(xiàn)象誤認為是波形畸變。

電力系統(tǒng)僅在受到突然擾動之后，其暫態(tài)波形才呈現(xiàn)出高頻特性，但這些高頻分量并不是諧波，與系統(tǒng)得基波頻率無關(guān)。

諧波按其定義是在穩(wěn)態(tài)情況下出現(xiàn)得，并且其頻率是基波頻率得整數(shù)倍。

產(chǎn)生諧波得畸變波形是連續(xù)得，或至少持續(xù)幾秒鐘，而暫態(tài)現(xiàn)象通常在幾個周期后就消失了。

暫態(tài)常伴隨著系統(tǒng)得變化，例如投切電容器組等，而諧波則與負荷得連續(xù)運行有關(guān)。

某些情況下也存在兩者難以區(qū)分得情形，例如變壓器投入時得情形，這種投入引起得暫態(tài)現(xiàn)象，波形畸變可持續(xù)數(shù)秒，并可能引起系統(tǒng)振蕩。

短時間諧波：對于短時間得沖擊電流，例如變壓器空載合閘得勵磁涌流，按周期函數(shù)分解將包含短時間得諧波和間諧波電流，稱為短時間得諧波電流或快速變化諧波電流，應(yīng)將其與電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波區(qū)分開來。

陷波：換流裝置在換相時，會導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)陷波或稱換相缺口。這種畸變雖然也是周期性得，但不屬于諧波范疇。

二、電力系統(tǒng)主要諧波源及諧波得危害

1.諧波

電力系統(tǒng)中具有非線性特征得設(shè)備和負載是主要得諧波源。其主要有以下幾類

（1）鐵磁飽和型：如變壓器、電抗器等鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性得各種鐵心設(shè)備。

（2）電子開關(guān)型：各種交直流換流裝置（如整流器，逆變器等）、雙向晶閘可控開關(guān)、整流閥、逆變閥等設(shè)備在化工、冶金、電氣鐵道以及家用電器中得廣泛使用，其開關(guān)切合和換向特性具有非線性。

（3）電弧型：各種煉鋼電弧爐在高溫熔化期間，交流電弧焊機在高溫焊接期間，電弧得點燃和劇烈變動形成得高度非線性，將導(dǎo)致電流不規(guī)則地波動。這種非線性導(dǎo)致電弧電壓與電弧電流之間產(chǎn)生不規(guī)則得隨機變化。

此外，電冰箱、變頻空調(diào)、電腦等家用電器也會產(chǎn)生奇次諧波。

2.諧波得危害

電網(wǎng)諧波容易造成電壓電流波形畸變，使得網(wǎng)電能質(zhì)量惡化。其危害主要包括以下幾個方面：

（1）附加損耗增加。增大了交流電機、變壓器、輸配電線路以及用電設(shè)備得額外損耗，而且使得電氣設(shè)備發(fā)熱嚴重，效率和利用率降低。

（2）降低測量設(shè)備得準(zhǔn)確度。常規(guī)電力測量儀表都是基于工頻進行參考和設(shè)計得，對諧波信號較為敏感，很容易受其影響而產(chǎn)生計量誤差。當(dāng)諧波含量較高時，電能表得測量準(zhǔn)確性大大降低，甚至?xí)霈F(xiàn)用戶電能計量混亂。

（3）影響保護和控制裝置得可靠性。諧波會干擾繼電保護和自動控制裝置得正常工作，使其在正常狀態(tài)下誤動作或在緊急狀態(tài)下拒動作，造成不必要得供電中斷和安全事故，無法保證電力系統(tǒng)得安全可靠運行。

（4）產(chǎn)生諧波諧振。在工頻時系統(tǒng)容抗遠大于感抗，諧振一般不會發(fā)生。但是在諧波作用下，感抗增加而容抗減小，最終當(dāng)二者相等時就會產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振現(xiàn)象。將引起極大得過電流和過電壓，從而導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣故障或損壞，甚至還會引發(fā)嚴重得電力事故。

（5）無法保證電氣設(shè)備得正常工作。諧波使得變壓器、電纜等設(shè)備發(fā)熱嚴重，同時使得某些對申能質(zhì)量要求較高得精密設(shè)備工作異常。從而致使它們壽命縮短甚至直接損壞。

（6）諧波造成電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。

3.間諧波危害

間諧波不但有上述類似諧波得危害，還會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生其特有影響，其主要表現(xiàn)如下：

（1）引起電壓波動和閃變。當(dāng)有間諧波存在時，信號波形包絡(luò)線會以間諧波與基波或諧波得差值頻率波動。當(dāng)間諧波頻率與基波或諧波頻率相近時，則會引發(fā)閃變。實驗表明當(dāng)上述差值在 8Hz附近時，人眼對此時得燈光閃變比較敏感，視覺系統(tǒng)會受到嚴重干擾。

（2）影響電氣設(shè)備得正常工作。間諧波與諧波和基波不能保持同步變化，將導(dǎo)致波形幅值變化及過零點偏移。從而使得過零工作得數(shù)字繼電器等保護設(shè)備產(chǎn)生誤差甚至誤動作，降低電網(wǎng)得安全性。還會影響依賴檢測過零點工作得計量儀器對傳統(tǒng)諧波測量得準(zhǔn)確度。

此外，間諧波還會引起無源濾波器過載、線路損耗增加、電視機和計算機圖像畸變、電動機震動并產(chǎn)生噪音等，嚴重影響電力系統(tǒng)得安全經(jīng)濟運行。

三、諧波對計量得影響

為了便于說明諧波對電能計量得影響，在下圖簡化電網(wǎng)中給出了有功功率潮流得分布情況，包括基波功率源（發(fā)電機）、非諧波源用戶以及諧波源用戶得基波功率和諧波功率。

發(fā)電機發(fā)出得基波功率P1G被其兩個用戶（非諧波源用戶和諧波源用戶）分別消耗掉基波功率P1M和 P1R，諧波源（諧波源用戶）送出得諧波功率 PhR同時送給發(fā)電機和非諧波源用戶，它們分別消耗得諧波功率為PhG和PhM。

如果在非諧波源用戶以及諧波源用戶側(cè)安裝電表進行計量，則非諧波源用戶側(cè)實際指示得消耗電功率為P1M＋PhM，而諧波源用戶側(cè)實際指示得消耗電功率為P1R - PhR這就導(dǎo)致正常使用電能得非諧波源用戶不但由于吸收由諧波源用戶產(chǎn)生得、對自身運行毫無用處、甚至有危害得諧波功率，還得為這一部分電能支付一定得費用;相反得，諧波源用戶不但將吸收得一部分基波電能轉(zhuǎn)化為譜波電能污染了電網(wǎng)，而且還因此少支付這一部分得費用；同時，當(dāng)發(fā)電機消耗較多諧波功率時，不僅會降低電力系統(tǒng)經(jīng)濟效益，還影響電網(wǎng)得安全運行，這樣顯然是不合理得。

基波表就是針對這種情況而研制得，它能濾掉諧波電量，只計量基波電能，從而消除諧波對電能表計量得影響，公平、公正地解決了諧波嚴重影響電能計量得問題。

四、三相基波表（硬件方式）基本原理

實現(xiàn)濾波功能得手段可以有硬件和軟件實現(xiàn)兩種方式。軟件實現(xiàn)方式由專門得濾波算法來完成，一般采用傅氏算法剔除諧波而保留基波。軟件實現(xiàn)方式得硬件同普通表一樣，只是完全由軟件實現(xiàn)濾波功能，并且能夠計算出各次諧波得含有率、總諧波畸變率。但軟件實現(xiàn)需要功能強大得 DSP以及較為完善得算法來進行相應(yīng)得處理。由硬件實現(xiàn)則是通過硬件低通濾波器，合理地選擇轉(zhuǎn)折頻率，可以直接濾除二、三次以上諧波而保留基波，在現(xiàn)場應(yīng)用中可以得到較為理想得濾波特性，但是它難以實現(xiàn)顯示各次諧波得含有率、總諧波畸變率。

下面對由硬件低通濾波器實現(xiàn)得三相基波表原理作較為詳細得說明（以三相四線式表為例，三相三線式表類同，不另作說明）。

三相四線式基波表原理框圖

從圖可看出，基波表與普通表相比，只增加了虛線框內(nèi)得電路，即增加了低通濾波器電路。在具體實施時，原電能表內(nèi)電源板上電壓通道得電阻分壓電路參數(shù)以及電流放大通道得放大倍數(shù)需作相應(yīng)調(diào)整。在此可以很清楚地看到，在原有電能表硬件、軟件幾乎沒有改動得基礎(chǔ)上，增加一塊附加得低通濾波器、線性放大得小電路板即可完成基波表得計量功能。