/國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司 楊國強(qiáng) 陳偉鋒/

關(guān)于非線性負(fù)載對電能計(jì)量的影響

/國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司 楊國強(qiáng) 陳偉鋒/

在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展的背景之下，各個行業(yè)領(lǐng)域?qū)τ陔娔苌唐返男枨罅恳约靶枨笠?guī)模呈現(xiàn)出了相當(dāng)顯著的發(fā)展趨勢，電網(wǎng)事業(yè)也在這一背景下有了相當(dāng)明顯的變化。一方面，電能需求量的增加使得電力事業(yè)的發(fā)展備受關(guān)注，另一方面，電網(wǎng)運(yùn)行中開始呈現(xiàn)出不同的問題。特別是從電網(wǎng)系統(tǒng)角度上來說，非線性負(fù)載的增加會產(chǎn)生大量的諧波，對電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓波形以及電流波形產(chǎn)生影響，最終干擾電能計(jì)量工作的開展。結(jié)合這一背景，文章重點(diǎn)分析非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波的機(jī)理，然后探討非線性負(fù)載諧波影響下，電能計(jì)量中存在的問題，給出了消除負(fù)面影響的幾點(diǎn)意見與建議，希望能夠引起各方工作人員的高度關(guān)注。

非線性負(fù)載 電能計(jì)量 諧波 影響

0 引言

廊坊地區(qū)電網(wǎng)用電負(fù)荷工業(yè)負(fù)荷比重較大，以礦山、冶金、建材為主。其中，工業(yè)用電量占70%，居民用電量占14%，商業(yè)商業(yè)、農(nóng)業(yè)及其他領(lǐng)域的用電量占16%。在現(xiàn)代電力電子技術(shù)快速發(fā)展的背景之下，廊坊市電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中所投入的非線性設(shè)備規(guī)模以及數(shù)量均呈現(xiàn)出了相當(dāng)顯著的提升趨勢。這些非線性負(fù)載設(shè)備的全面投入使得電網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中流入了大量的諧波電流。受到諧波電流的影響，知識電網(wǎng)系統(tǒng)電壓波形、電流波形不同程度上的發(fā)生畸變問題。這一問題直接對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，累及電力系統(tǒng)中的相關(guān)電氣設(shè)備，導(dǎo)致其工作性能受損，無法正常開展作業(yè)。特別是從電能計(jì)量的角度上來說，非線性負(fù)載影響下所產(chǎn)生的諧波問題會對電能計(jì)量進(jìn)度產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。換言之，為了確保電能計(jì)量的精確性，就需要正確認(rèn)識非線性負(fù)載對電能計(jì)量的影響，及時消除負(fù)面影響。

1 非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波的機(jī)理分析

圖1為電力系統(tǒng)常規(guī)等值電路示意圖。結(jié)合圖1而言，空心箭頭表示n次諧波功率所對應(yīng)的潮流走向，實(shí)心箭頭表示基波功率所對應(yīng)的潮流走向。

結(jié)合圖1來看，假定在該系統(tǒng)的正常運(yùn)行過程當(dāng)中存在諧波干擾，根據(jù)式（1）所示的基波功率守恒公式以及如下式（2）所示的諧波功率守恒公式，可知：

圖1 電力系統(tǒng)常規(guī)等值電路示意圖

根據(jù)以上關(guān)系式，可以轉(zhuǎn)化形成式（3）：

結(jié)合式（3）來看認(rèn)為：在一個完整的電力運(yùn)行系統(tǒng)當(dāng)中，非線性負(fù)載本質(zhì)上來說就是系統(tǒng)所發(fā)出的諧波功率。系統(tǒng)所發(fā)出的諧波功率會被來自于電源、線路、以及線性負(fù)載的電路所吸收。同時，由于非線性負(fù)載自身不會產(chǎn)生能量，故而諧波源的能量來源以吸收能量為主。從這一角度上來說，諧波功率是非線性負(fù)載從電力系統(tǒng)所吸收基波功率當(dāng)中轉(zhuǎn)化形成的。

2 非線性負(fù)載對電能計(jì)量的影響分析

2.1 從感應(yīng)式電能表的角度分析

在電能計(jì)量的工作領(lǐng)域當(dāng)中，感應(yīng)式電能表是一種在工頻狀態(tài)下，根據(jù)正弦波電流以及電壓波形特點(diǎn)所設(shè)計(jì)的電能計(jì)量儀器。從該電能表的應(yīng)用角度上來說，若額定頻率與實(shí)測信號頻率之間存在較大的誤差，則受到頻率變化的因素影響，將導(dǎo)致磁通量發(fā)生明顯的變化，最終表現(xiàn)為系統(tǒng)所對應(yīng)電流幅值、電壓幅值、以及電流、電壓幅值相位角的改變。在這一因素影響下，感應(yīng)式電能表的補(bǔ)償力矩作用力、驅(qū)動力矩作用力、抑制力矩作用力、以及鐵心損耗都有一定的變動，進(jìn)而導(dǎo)致電能表所計(jì)量的電能使用情況與實(shí)際情況不符合。

更加關(guān)鍵的一點(diǎn)是：對于感應(yīng)式電能表而言，計(jì)量電能取值的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為：基波電能取值 + 部分諧波電能取值。因此，在非線性負(fù)載設(shè)備接入電網(wǎng)系統(tǒng)的背景之下，其所產(chǎn)生諧波功率對應(yīng)的潮流方向表現(xiàn)也會影響電能計(jì)量。舉例來說，在用戶為諧波源用戶的情況下，除自身消耗部分諧波的電能是基波電能扣除部分諧波電能后的結(jié)果，進(jìn)而導(dǎo)致電能表所計(jì)量電能值與基波電能之間產(chǎn)生較大差異，多為基波電能＞ 計(jì)量電能；而在用戶為非諧波源用戶的情況下，基波潮流主要是由系統(tǒng)注入用戶端，此狀態(tài)下的基波潮流方向與諧波潮流方向一致，電能表所顯示的電能計(jì)量值為基波電能與諧波電能的綜合，由此導(dǎo)致兩者之間產(chǎn)生較大差異，多為基波電能＞ 計(jì)量電能。

2.2 從電子式電能表的角度分析

此類型電能表在電能計(jì)量工作中得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，屬于新型的電能測量儀表之一。電子式電能表建立在單片機(jī)基礎(chǔ)上，通過對脈沖數(shù)字技術(shù)以及模數(shù)轉(zhuǎn)化技術(shù)的靈活應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對電能用量的精確測量。相較于傳統(tǒng)意義上的感應(yīng)至電能表而言，電子式電能表的整體結(jié)構(gòu)更加的簡單，實(shí)際應(yīng)用中調(diào)整更加靈活與方便，具有較高的計(jì)量準(zhǔn)確度。但在諧波影響下，需要注意的是，電子式電能表的頻率響應(yīng)區(qū)間較寬，其對諧波功率的響應(yīng)水平與對諧波功率的響應(yīng)水平是基本一致的。因而，電子式電能表會同步完成對基波功率以及諧波功率的計(jì)量工作，這很有可能導(dǎo)致電能計(jì)量誤差的明顯增大。

2.3 從電子式電能表的負(fù)荷預(yù)測準(zhǔn)確率分析

負(fù)荷預(yù)測無標(biāo)準(zhǔn)化流程。負(fù)荷預(yù)測工作是一個涉及多個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)管理工作，無標(biāo)準(zhǔn)工作流程，導(dǎo)致負(fù)荷預(yù)測工作的銜接和信息的傳遞不通暢。調(diào)度員人員負(fù)荷預(yù)測水平有限，負(fù)荷預(yù)測工作由值白班的調(diào)度員在當(dāng)日16點(diǎn)之前將第二天預(yù)測負(fù)荷結(jié)果上報(bào)給省總調(diào)度。調(diào)度員對軟件的使用熟悉度不同，造成調(diào)度員在負(fù)荷預(yù)測工作中存在很大差異，盡管近幾年加強(qiáng)了負(fù)荷預(yù)測管理，但只有抽象的認(rèn)識，沒有把負(fù)荷預(yù)測管理與自己的實(shí)際工作聯(lián)系起來。由于數(shù)據(jù)上報(bào)不及時。調(diào)度員在向省公司上報(bào)負(fù)荷預(yù)測數(shù)據(jù)過程中，可能會遇到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不通，預(yù)測時間過長或死機(jī)等異?，F(xiàn)象，造成數(shù)據(jù)上傳不成功。

3 非線性負(fù)載所產(chǎn)生的危害分析

在當(dāng)前電能計(jì)量工作開展過程當(dāng)中，所使用的電能表大多具有一個共同的特點(diǎn)，即能夠?qū)崿F(xiàn)對瘠基波功率以及諧波功率的同步反應(yīng)。對于存在諧波系統(tǒng)而言，常規(guī)電能表進(jìn)行計(jì)量難免會存在一定的局限性與不合理性。對于諧波源用戶而言，除了會向電力系統(tǒng)內(nèi)注入大量諧波，對電力系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生危害以外，同時還會導(dǎo)致這部分用戶少支付諧波功率下所對應(yīng)的電費(fèi)。而對于非諧波源用戶而言，由于在常規(guī)電能表計(jì)量下的基波電能 ＜ 計(jì)量電能，則除了會受到諧波所帶來的危害以外，更需要多付出電費(fèi)，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。非線性負(fù)載所產(chǎn)生諧波還會對整個電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生相當(dāng)不良的影響。

3.1 供電電壓波形畸變

受到非線性負(fù)載影響，供電電壓波形畸變，公共連接點(diǎn)所對應(yīng)的供電質(zhì)量受到不良影響。同時，在諧波電流進(jìn)入電網(wǎng)以后，可能誘發(fā)諧振，并導(dǎo)致系統(tǒng)大范圍內(nèi)出現(xiàn)過電壓以及過電流方面的問題，造成電力系統(tǒng)的運(yùn)行失穩(wěn)。

3.2 電力系統(tǒng)造成經(jīng)濟(jì)損失

諧波不僅對電力系統(tǒng)和線性負(fù)荷有害，而且還會使線性負(fù)荷用戶因吸收了諧波功率而需多交電費(fèi)；而非線性負(fù)荷用戶作為諧波源，發(fā)出諧波功率，對電力系統(tǒng)造成危害的同時，卻少交了電費(fèi)。因此，對于電力部門來講，受諧波的影響主要是既少收了非線性負(fù)荷用戶的電費(fèi)，又增大了線路損耗，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

總之，線性用戶不但由于吸收非線性用戶所產(chǎn)生對自身運(yùn)行毫無用處甚至有危害的諧波，還得多支付一定的費(fèi)用；相反，非線性用戶不但將吸收的一部分基波電能轉(zhuǎn)化為諧波電能污染了電網(wǎng)，而且還少支付這一部分的費(fèi)用。

4 非線性負(fù)載所帶來問題的預(yù)防建議

根據(jù)以上對非線性負(fù)載的分析認(rèn)為：在電能計(jì)量的過程當(dāng)中，最合理的計(jì)量方式應(yīng)當(dāng)為：分別對諧波功率以及基波功率進(jìn)行計(jì)量，對功率所對應(yīng)的潮流方向進(jìn)行合理的區(qū)分。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)可以額采取工頻基波電能表與寬頻帶功率電能表相互配合的計(jì)量方式。在這一計(jì)量方案下，除能夠評估系統(tǒng)所對應(yīng)的基波功率取值標(biāo)準(zhǔn)以外，還能夠測量系統(tǒng)內(nèi)諧波電流所對應(yīng)的潮流取值以及走向特點(diǎn)。在這一模式下，對于非線性負(fù)載用戶而言，能夠根據(jù)諧波功率的大小，給予相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性補(bǔ)償，補(bǔ)償線性用戶以及電力部門受諧波影響而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失。所以必須使負(fù)載的電流波形與電壓波形同步且為線性關(guān)系，將發(fā)出的電能全部用來做有用功，電能才能被充分利用，才能不浪費(fèi)一次能源，提高能源利用率，才是真正的節(jié)省了能源。由此可見，這種綜合性的電能計(jì)量方案更較傳統(tǒng)方案而言更加的合理，電能計(jì)量精確性得到了保障。

5 結(jié)束語

經(jīng)過實(shí)踐測試，在電壓為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波作用下，同等功率的負(fù)載即測試的電流有效值相同的負(fù)載的情況下，阻性負(fù)載電度表計(jì)量的電能數(shù)值大于感性負(fù)載，大于非線性負(fù)載。在電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行過程當(dāng)中，隨著非線性負(fù)載投入量的持續(xù)增加，整個電力系統(tǒng)所面臨的諧波污染問題進(jìn)一步加劇。為了讓供電方以優(yōu)質(zhì)的供電服務(wù)贏得市場的承認(rèn)，同時用電方成為市場經(jīng)營的平等參與者，就需要積極研究更為科學(xué)的、合理的電能計(jì)量方式，通過對電能計(jì)量工作的合理改進(jìn)與完善，才能做到電能計(jì)量的公平、公正。文章在分析非線性負(fù)載增加所產(chǎn)生諧波的主要機(jī)理基礎(chǔ)之上，從感應(yīng)式電能表以及電子式電能表兩個方面入手，分析非線性負(fù)載對電能計(jì)量的影響情況，探討其所產(chǎn)生的危害以及預(yù)防方法，希望能夠引起重視。

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