浅谈电网谐波对电能计量影响的仿真分析

2019 No.10

Electric System电力系统

Electric Power System Equipment电力系统装备

浅谈电网谐波对电能计量影响的仿真分析

岑象侣

（广东卓维网络有限公司，广东佛山 528000）

［摘 要］在电网运行的过程中，谐波是电力电子装置等非线性的负载，其在很大程度上会影响电网中的电压和电流，并造成电能计量出现不精准的情况，严重威胁了我国电能计量工作的正常运行。本文主要对谐波产生的原理进行了研究，并分析了谐波造成电能计量不准确的主要机理以及相应的调整计量的方式，希望能够在一定程度上提供有价值的参考。［关键词］电网谐波；电能计量；仿真分析［中图分类号］TM933.4　　　　　［文献标志码］A　　　　　［文章编号］1001–523X（2019）10–0042–02

Simple Discussion on the Simulation Analysis of the Influence of

Harmonics in Power Grid on Power Metering

Cen Xiang-lv

［Abstract］In the process of power grid operation, harmonics are non-linear loads such as power electronic devices, which will affect the voltage and current in the power grid to a large extent, and cause inaccurate power metering, which seriously threatens the normal operation of power metering in our country. Therefore, this paper mainly studies the principle of harmonics generation, and analyses the harmonics causing power meters. The main mechanism of inaccuracy and the corresponding ways of adjusting measurement are expected to provide valuable reference information to a certain extent. ［Keywords］grid harmonics; power metering; simulation analysis在我国社会经济不断发展的过程中，我国的科学技术也在不断进步。目前我国已经大面积普及了基础电力，但是其在普及的过程中，由于与电能计量相关，当一些电子装置在与电网连接之后，就会产生一定的谐波，从而让电网内部中的电压和电流等发生畸变，威胁着电网的正常使用，使人们生活中使用的各种电器都会发生损耗，并影响着电能计量的工作。比较传统的电能计量方法当中，并没有将谐波的影响进行考虑，所以在电能计量的过程中往往就直接扣除谐波所消耗的电能，造成了很大的损失，因此将电网谐波对电能计

量影响的仿真分析进行研究具有十分重要的意义。1 谐波产生的机理

谐波的产生主要是因为电网在正常的运行过程中，如果接入了一些非线性的负载，电网当中正弦波的电流就会受到接入的非线性的负载消耗的影响，将电流分成两个部分，其中一个部分是非线性的负载在正常的使用过程中所消耗的电能，这种电能所产生的功率一般被称为基波功率，而另一部分消耗的电能主要是谐波消耗的电能，称之为谐波功率，非线性负载所消耗的功率就是这两种功率组成。根据相关的研究

所有线圈外径侧均加了外撑条，有效地增强了线圈的机械强度和承受短路能力。

（3）器身绝缘调整优化。器身绝缘为薄纸筒小油隙结构，其中绕组排列为（从里到外）：铁心—低压绕组—高压绕组—调压绕组。绕组及器身中绝缘件采用高密度纸板制做，提高变压器抗短路能力。低压绕组、高压绕组油路均采用油导向结构，能够保证器身内部油流通畅。器身为整体套装结构，保证器身整体同心度，采用整体厚压板和压块压紧器身，使器身形成一个整体，大大提高了器身的机械强度。

（4）油箱结构调整优化。采用筒式油箱，高强度结构钢焊接。高压、低压套管均不带升高座，在油箱高低压侧油箱上开手孔，进而安装套管、接线片。采用共箱封闭母线结构。箱壁下部整体向内弯折，节省的空间内布置小车，降低整体高度。

3 关键技术创新性分析

（1）变压器绝缘介质使用FR3天然酯绝缘油，提升了变压器环保与防火性能。天然酯绝缘油与传统矿物绝缘油相比优势明显，主要体现在：具有可再生性、安全性高、耐潮性好。天然酯绝缘油具有节能环保、高燃点、长寿命等性能优势，适合用作变压器绝缘介质。

（2）高低压绕组采用饼式加油导向结构，有利于散热，有效降低绕组温升。油导向结构是在几个线饼上加入导向装置，可以使变压器油按照预定的路线依次流过每个线饼，以使每

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个线饼均匀散热，降低绕组温升。

（3）调压绕组端部绝缘采用复合成型绝缘筒，提升了变压器调压绕组承受突发短路能力。原方案采用垫块结构，受力下容易产生位移，导致调压绕组损坏。使用复合成型绝缘筒避免了位移的产生，提升了变压器调压绕组承受突发短路能力。

（4）油箱采用适形结构，箱壁下部整体向内弯折，节省的空间内布置小车，降低了整体高度。4 结语

本研究所述变压器采用天然酯绝缘油FR3作为绝缘介质。在长途海运后，仍顺利通过了荷兰KEMA实验室的5 s突发短路实验，验证了产品的可靠性能。在新产品研发过程中，针对天然酯绝缘油对变压器性能的影响，以及需要采取的应对措施积累了丰富的经验，为以后大量使用天然酯绝缘油奠定了基础。

参考文献

[1] 蔡胜伟，陈江波，邵苠峰，等.电力变压器用天然酯绝缘油中特征气体溶解特性[J].高电压技术，2017，43（8）：2608-2613.[2] 何清，鲁莽，阮羚，等.10 kV 配电变压器植物绝缘油直接替代矿物绝缘油的可行性研究[J].高电压技术，2017，43（s1）：152-157.[3] 崔鲁，陈伟根，杜劲超，等.植物油-纸绝缘气隙放电形态及发展特征[J].电工技术学报，2018，33（3）：618-626.

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2019年第10期

2019 No.10

表明，非线性负载产生的谐波功率是一个负值，这主要说明谐波所消耗的电能只是所有消耗的电能中的一部分，所以在对电能进行计算的过程中，无法使用电能表对基波电能造成的影响进行分析，因此电能表的计量就会出现不准确的情况。谐波功率具有很大的威胁，其不仅会影响电能计量的准确性，并且还会将功率的负值在电网的内部反馈出来，从而影响正常的正弦波电压或者电流，严重危害了整个电网的正常运行，VD1

ABC

三相交流电源

aA

BbCYgYgc三相变压器

R1

R2

R3

RVD3RVD4R

R4

L

RRR

因此电网中产生的谐波功率一般被称之为谐波污染。2 分析谐波对电能计量设备的影响

2.1 影响感应式电能表

目前我国使用的电能表一般被分为电子式的电能表和感应式电能表两类，由于种类的不同，所以谐波产生影响的方式也不一样。感应式的电能表主要是对比较狭窄的频率范围内的电能变化进行测量，谐波对感应式电能表的影响如下：谐波产生的功率会对电网产生一定的作用，从而导致感应式电能表接收到的频率信号发生一定的变化，进一步让感应式电能表中的磁通量发生变化，随之电能表中的电流以及电压也会受到影响，阻碍了感应式电能表中表盘仪器的正常使用，最终导致感应式电能表中的计量出现不准确的现象。根据相关的试验可以知道，感应式电能表中谐波频率的影响与电能表的变化成正比，因此当谐波的频率越大，则电能计量的误差也就会越大。

2.2 影响电子式电能表

在一般情况下电子式的电能表是不会受到谐波频率的影响，这是因为电子式的电能表内部的结构对电路的要求相对较小，但是当谐波的频率超过了1 kHz的时候，谐波就会对电子式电能表造成一定的影响，因此电子式的电能表在进行电能计量的过程中，需要加上1 kHz以内的谐波频率所产生的电能，其主要的公式为：E=E1+ΣEn（其中En代表谐波电能）。

通过对两种电能表中谐波频率的影响分析能够知道，在实际生活中使用电能表时，都需要将谐波功率计算在其中，分别加上或者减去谐波产生的电能En。但是在一定的频率范围内时，使用这种计算方式加上或减去的电能实际上是真实意义的非线性负载消耗值，因此在计算的过程中面临着比较大的问题：谐波一般都是负值，通过对相关的电能进行计算所得到的结果一般比实际结果小，但是在谐波对电网的作用下，会严重影响整个电网中的电路和电压，从而将电网整体的稳定性破坏，让谐波的影响更大。并且用户在面对这种情况时，往往会将谐波带来的影响忽视，因此相关的研究人员要加大对谐波功率的研究，不断创新和改变电能计量的方式。3 电能计量的仿真

为了能够更好地论证谐波对电能计量造成的影响，运用了不同的电能计量表实行了干扰测试，同时采用了CMTDC定量分析典型的波源，非线性负载所产生的基波频率和谐波频率对电能计量产生的影响。从仿真图进行分析能够看出，仿真后的电流测试，对电压变化以及电流变化进行观察，同时记录电压以及电流的变化情况，在EMTDC软件上对电压情况以及电流情况进行频谱分析，对变化过程中的谐波功率以及基波功率进行计算，其公式E=E1+ΣEn能够得到总的消耗电能，对电能表进行观察并分析。从统计的相关资料中能够直接看出，由于谐波的频率不同，所产生的功率和基波功率相反，从而证实了谐波功率所产生的负作用，在整个试验中的基波功率为25.0458 kW，但通过电能表的计算发现功率则为23.785 kW，实际应用过程中所运用的谐波与仿真计算所得到的值相似，差值则为谐波的功率，进而证明了实际工作中负载产生的谐波功率大，电能表的误差也将变大。

为更好地研究非线性负载产生谐波对电能计量误差的影响，本文以Matlab/Simulink带三相全桥整流电路的典型非线性负载的仿真模型为例，如图1所示。

系统除了带三相全桥整流电路的典型非线性负载外，各

VD2

VD4

VD6

纯电阻性负载三相桥式整流器型非线性负载

图1 电能计量误差分析系统仿真图

相还带有纯电阻的典型线性元件，三相负载均衡。以 A 相为例，在系统中用Simulink 的Simpowersyetem 功率测量模块分别测量线性电阻上的有功功率 P1、整流桥上的有功功率 P2，以及负载消耗的总有功功率 P3。基于仿真结果，将线性负载和非线性负载消耗的有功功率相加，可以得到负载消耗的总有功功率为 P=P2+P3=24.655 kW+1.188 kW=25.843 kW。测量到的负载消耗有功功率约为25.396 kW，有功功率缺额为 P-P1=0.447 kW。

造成该差值的原因正好是因为非线性负载向电网中注入了反方向的谐波功率，造成测量到的基波功率比实际偏小。4 降低谐波对电能计量的影响

从仿真分析以及理论分析中可以看出，电网中电压以及电流的不稳定因素除了受到谐波所产生的负功率之外，谐波产生的负功率同样会对电能计量造成极大的影响，目前我国正在大力建设电网，基于这样的时代背景下，负载所导致的谐波会对电网质量造成极大的影响，基于此势必要对电能计量的方式进行有效的改进，谐波对电能表的影响不可变，因此在实际的运用过程中，可以采用三种计量方式。首先，可以采用电能表对谐波和基波的综合值进行记录，其次电能表仅能记录基波电能，对谐波电能不记录。最后还可以采用两个电能表对谐波电能以及基波电能进行分别记录。在生活中根据实际情况的不同可以合理选用，例如第一种记录方法由于谐波导致的电能负直性，若是在生活中运用这种方法则会出现较大的电能亏损，因此会采用第二种单纯记录基波的方式，对电费进行调整从而取消这种影响。针对于工厂等相关得用电单位则最适合采用基波和谐波分别记录的方式。

基于上述案例，本文提出一种改进型的电能计量方法。以 A 相为例，测量 A 相电压和流过A 相的电流，由于电网谐波基本上都是高次谐波，将电压和电流信号通过高通滤波器，滤掉基波成分，得到谐波成分。只作以下两种考虑：（1）只计及基波电能，W=WS；（2）计量基波和谐波绝对值的和，即 W=|WS|+|WH|。功率方向判断模块采用 C 语言编程，仿真中，负载为带三相整流桥的非线性负载，显示模块 1 测得谐波功率测量模块测量出谐波功率为负，则总的功率计算中需要计量这部分功率。采用上述提出的计量方式，避免了线性用户因为被多计量谐波电能而遭受经济损失，而非线性用户也不会因为计量了负的谐波电能而减少电量。5 结语

本文主要从仿真以及理论两个方面，对非线性负载所产生的谐波对电能表计量造成的影响进行了总结。在经过研究和总结后发现，基波的实际电流能够与谐波相互抵消，从而使得电能表的计量偏小，为了能够保障我国的电网得以正常发展，势必要采取相关的方法降低谐波造成的影响。针对于高功率非线性负载，采用分别计量效果最佳。

参考文献

[1] 李许军，姜毅龙，杨龙，等.电网谐波对线性用户电能计量的影响分析及改善措施[J].工业计量，2018，28（3）：97-100，112.[2] 赵宇，洪成伟.谐波对电能计量的影响及其仿真分析[J].黑龙江科技信息，2016（32）：16.

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