孔伟忠,史 轮,曹晓波,李 传

(国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021)

谐波对电子式电能表计量性能的影响研究

孔伟忠,史 轮,曹晓波,李 传

(国网河北省电力公司电力科学研究院,石家庄 050021)

分析谐波对电能计量的影响,对邯郸地区2个电气化铁路牵引站计量情况进行实验室模拟和现场运行试验,现场实测的计量误差说明,在谐波的影响下,传统全波计量方式会对电力系统带来经济损失,提出在可能的情况下使用基波功率和谐波功率分开计量的计量方式,实现合理、准确、公平计量。

谐波;电子式电能表;电能计量

0 引言

在电力系统中,电力谐波的存在对电能计量的准确性会产生直接影响。在电网中,基波功率的潮流有一定的方向,基波功率是从发电机流向各种用电设备。同样,电网的谐波功率也有一定的方向。与基波功率的潮流相反,谐波功率是从非线性用电、变电设备流向其他的线性用电设备和发电机。因为谐波源是电流源,谐波潮流在传输过程中的中间环节的电阻大于末端电阻。因此谐波功率主要被消耗在了中间环节。

1 谐波影响的建模分析

为了分析电力系统中谐波潮流的分布对电能表计量性能的影响,构造见图1。在模型中给出了电力系统基波与谐波有功潮流的分布情况,包括基波功率源(发电机)、非线性用户及线性用户。

图1 基波与谐波有功潮流

线性用户从电网中吸收所需的基波负荷P1M,引起基波线损ΔP1M。非线性用户从系统中吸收所需的基波负荷P1R,引起基波线损ΔP1R。这些基波负荷和线损都由发电机的基波功率P1G来满足,电网中的基波有功功率可表示为:

谐波电流流入送变电设备,在其上产生谐波损耗ΔPhM,谐波电流流入线性设备,在其上产生谐波损耗PhM,谐波电流在发电机中形成谐波损耗PhG。PhGM由PhG、PhM和ΔPhM汇合而成, ΔPhGM则是与此相应的送变电设备中的谐波损耗。因此电网中谐波有功功率可表示为:

2个用户所装电能表计量的有功功率分别为:

现有的电能计量表计大多为计量总电量,从PJ1和PJ2的计量结果可以看出:在不考虑背景谐波情况下,当谐波潮流由用户流向电网时,非线性用户的表计总电量由于谐波电量的存在而减小,该非线性用户既污染了电网,又少计了电量;而线性用户在受到谐波危害的同时,其表计总电量还会由于谐波电量的存在而增大。因此,合理的计量方式应当对基波电能和谐波电能分别计量。

大量的研究结果表明,电子式电能表能对基波电能与各次谐波电能进行有效的计量。电子式电能表计量的总电能受谐波与基波的潮流方向是否相同的影响。潮流方向相同时,计量的总电能是基波与各次谐波电能之和,大于基波电能;潮流方向相反时,计量的总电能是基波与各次谐波电能之差,小于基波电能。

2 实验室模拟验证

为了验证所建电子式电能表计量数学模型的正确性,设计了试验进行模拟。试验使用MAX-sys2510多功能电能表、EDMI MK3多功能电能表CL303型电源在实验室内对现场运行状态进行模拟,对电子式电能表计量的电量进行验证。

试验条件:环境温度(20±2)℃,相对湿度(60±15)%。基波电压220 V、基波电流5 A。在电压回路叠加3次15%、5次10%、7次3%的谐波电压。在电流回路叠加3次15%、5次10%、7次3%的反向谐波电流。采用CL303型电源,可以输出2～21次谐波,可以调节各次谐波电压和谐波电流的相角和幅值,从而可以改变谐波的功率方向,模拟各种谐波情况。因此用它来模拟现场的电压、电流,能满足试验要求。接线方法如图2。

图2 实验室模拟运行接线示意

图2中的MAXsys2510多功能电能表具有谐波电量计量功能,并可变换计算出基波电量和各相电压电流失真度,可用于测量传统的计量方式测量到的总有功电量和基波电量。图2中的EDMI MK3电子式多功能电能表,可测量传统的计量方式(传统的计量方式是指目前国内采用的“电能表应准确反映实际功率,即基波和谐波的综合功率”的计量方式)测量到的总有功电量。试验在不同条件下共进行了3次,每次运行时间10 min,记录每个表的走字变化,不同条件下谐波电量计量与传统计量方式比较见表1。

表1不同条件下谐波电量计量与传统计量方式比较

从试验数据可以看出:MAXsys2510表和EDMI MK3表的总有功电量非常接近,它们的微小差别是合理的计量误差。这个电量体现了传统的全波计量方式测量到的电量。基波电量是我们消除了谐波对传统的计量方式影响后的电量。

以下用公式计算基波电量和总有功电量之间的差值:

式中:ζ为基波电量和总有功电量之间的差值百分比;W1为基波电量;WT1为MAXsys2510表总有功电量;WT2为EDMI MK3表总有功电量。

可以得到基波电量与总有功电量差值的百分比,见表2。

表2基波电量与总有功电量差值的百分比

如表2所示数据,在模拟现场运行状态下,由于传统的全波计量方式受到谐波的影响,会造成少计量电量。

3 实例分析

现以某电网为例,分析谐波对电能表计量误差带来的影响。在某地区,随着工矿企业、冶金行业的不断发展以及电气化铁路的投运,电网谐波愈来愈严重,其影响程度也愈来愈显著。在邯郸电网,谐波源主要是电气化铁路和炼钢厂等企业。电气化铁路是一种单相不对称波动负荷,由于铁路运输的特殊性,电铁机车沿铁路移动用电,其产生的危害程度比起其它类型的非线性设备要严重的多。电铁牵引负荷波动频繁、冲击大,给电力系统及其他电力用户带来许多不利影响。电气化铁道的牵引动力来自电力机车,我国使用的电力机车基本上都为单相分段半控桥变流方式或单相全波不控变流方式,因此,在机车运行过程中,具有严重的非线性,向电力系统注入大量的高次谐波电流,成为电力系统中最大的谐波源。

由于实验室模拟现场运行状态有很大的局限性,因此选取了A变电站和B变电站2个牵引变电站做现场试验。现场运行试验仍采用具有谐波电量计量功能、并能测量总有功电量和基波电量的MAXsys 2510多功能电能表和仅能测量总有功电量的EDMI MK3多功能电能表,将2块表接在二次计量回路,接线方法如图3。现场试验得到的数据如表3和表4所示。

图3 现场运行接线示意图

表3 A变电站MAXsys2510表和EDMI MK3表测量数据

表4 B变电站MAXsys2510表和EDMI MK3表测量数据

同样用实验室计算公式得出现场试验中基波电量对总有功电量的差值百分比为:A变电站平均值1.839%,B变电站平均值1.770%。

以上数据说明,在A变电站和B变电站现场运行状态下,由于传统的全波计量方式受到谐波的影响,会造成少计量电量。

4 结束语

通过实验室模拟和2个电气化铁路牵引站计量情况的现场运行试验,得到由于传统的全波计量方式受到谐波的影响,对于非线性电力用户会导致仅能计量全波电量的电子式电能表少计量,对电力部门造成经济损失。

谐波对电能计量的准确性和合理性有着极大的影响。按照电力成本合理分摊的电价体系,对吸收谐波电能的客户在电力价格或用电量上适当给予谐波分量补偿、对向电网注入谐波电能的客户给予电力成本合理分担,按谐波分量的比例对其用电价格进行调整,是非常有必要的。但国家目前尚无此方面的技术和商业营运规则,因此,采用分别计量基波电能和谐波电能,记录谐波电能方向的计量方式是比较合理可行的。这样能够提高计量的准确性,减少计量损失;同时运用经济杠杆,减少谐波向电网的输送量,从而减少谐波对其他用户的影响和危害,保证电网的电能质量。

目前国际上提出了一种“奖惩性方案”。其基本思想是:系统与用户在额定的范围内正常交易,如果系统不能保证供电质量,用户应当得到赔偿;如果用户的污染指标恶化,则系统在保证向用户正常供电的前提下,收取额外的惩罚费用,如果用户吸收系统中额外的谐波功率,则应当给予一定的补偿和鼓励。这种奖惩性的供电方案,可以通过经济手段迫使谐波源负荷采取措施来减少注入系统的谐波量,体现出系统和用户对电能质量状况的共同责任,实现对电能质量的合理控制以及对电能计量的科学管理。

参考文献:

[1] 周丹丹,孟 盟.关于谐波下电能计量方法的研究[J].中国仪器仪表,2007,(5):

[2] 王思源.谐波对电能计量的影响[D]:山东大学2014.

[3] 张 蓓.谐波电能计量方法的研究[D]:西安:西北大学2014.

[4] 葛 毅.电力谐波对电能表电能计量的影响研究[D]:重庆:重庆大学2013.

本文责任编辑:赵轶美

Effect Research of Harmonics on Metering Performance of Electronics Energy Meter

Kong Weizhong,Shi Lun,Cao Xiaobo,Li Chuan

(State Grid Hebei Electric Power Research Institute,Shijiazhuang 050021,China)

The mechanism of the effect of the harmonics on the induction meter and electronic energy meter is analyzed.Based on the laboratory test and field test of the two transformer substations for electrified railways in Handan city,the test result show that the tradition metering will make the lose of economy under the harmonics existing.Finally,in some serious harmonic pollution area,in order to measure the electrical energy accurately and rationally,the electrical energy metering should adopt the separate metering method for the electric energy with and without harmonics.

harmonic;electronic watt-hour meter;electrical energy measurement

TM 933.4

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孔伟忠(1984-),男,工程师,主要从事电厂技术监督服务工作。