吕洪

摘要：目前，电能计费按传统定义下的有功功率计算电量及功率因数调整电费的方式。为有效计量电能，必须考虑到电网和牵引供电系统中电能质量的干扰因素，比如负序、谐波、无功等。目前电能计量方面关于无功功率、功率因数的研究相对较少。非线性不平衡系统下的功率定义仍然存在争议，原有电能计量方法应用在负序、谐波环境中的科学性和合理性仍需研究。

关键词：谐波;负序;电能计量方式;功率因数;电费

一、现行功率因数计量方法

电力企业对用户实行依据功率因数的高低调整电费的办法，鼓励用户采取措施，提高功率因数，即对电力用户进行功率因数考核，达到规定功率因数考核标准的扣减电费，反之增收电费。目前，功率因数沿用传统功率理论定义，利用用户在一定期间内有功和无功负载的累积量来计算用户的平均功率因数。按原水利电力系统和国家物价局颁布的《功率因数调整电费办法》（83）水电财字第215号）规定160kV*A以上的高压供电工业用户功率因数不小于0.9。目前电力系统考核电气化铁路功率因数的计算方法包括无功返送不计和无功返送正计两种方式。

二、負序、谐波条件下的功率因数计量方法

为分析牵引供电系统电能计量方式的合理性，首先要确定视在功率和功率因数的定义。考虑到谐波和负序条件下，部分传统功率理论已经不再适用，本文对IEEEStd1459-2010收录的几种功率定义进行合理性分析。由于牵引供电系统不含零序分量，因此本文仅探讨负序、非零序谐波分量的负载情况。

（一）单相系统

考虑不同负载情况下的瞬时电压和电流表达式。不同负载情况下的视在功率计算结果列于表1。

表1中SB为Budeanu功率理论中定义的视在功率，S1459为IEEEStd1459-2010推荐的视在功率定义。当单相系统中存在谐波影响时，传统功率理论不再适用，S1459的计算结果已被广泛接受。虽然SB和S1459在单相非正弦的计算结果相同。其中，有功功率P为全波有功功率之和，无功功率QB等于全波无功功率的总和。无功功率QB虽然遵循能量守恒定律，但存在物理意义不明的缺陷。无功功率定义的缺陷影响了失真功率DB，失真功率的物理意义不明，无法表示电流波形的实际畸变程度。传统功率因数不随谐波分量的增大而减小，无法体现谐波分量的影响，而Budeanu功率因数和IEEEStd1459-2010功率因数的计算结果说明谐波分量增大，功率因数降低，这与理想情况相符。

（二）三相系统

首先，非正弦不平衡系统的功率因数计量方法。在实际牵引供电系统中，无功、负序和谐波问题一般是同时存在的，因此需要确定非正弦不平衡条件下的功率定义。由于算术视在功率定义和矢量视在功率定义均由Budeanu功率理论衍生，因此两种定义下的功率因数存在不合理性。

三、仿真分析

根据功率定义，分析电能计量方式的合理性，在Matlab/Simulink软件中搭建仿真模型对电网和牵引负荷进行验证。由于在牵引供电系统中，电力系统通过牵引变压器为接触网供电，机车负载通过受电弓取电后由牵引变流器进行电能转换，保证机车在网压波动时也能以给定速度运行。因此，本文搭建了相应的牵引变流器模型模拟铁路真实负荷情况，仿真模型示意如图2所示。

投切恒有功功率不平衡负载。投切的负载不平衡度越大，负序的变化也越明显。利用仿真模型，在固定参数下改变恒有功功率牵引负载的不平衡度，对比分析4种计量方式的结果。

四、实测数据分析

（一）变电所电能质量

对牵引供电系统供电电压的基本情况进行初步分析。根据GB/T15543-2008规定，电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。据此对所给三相电压数据进行统计计算，得到三相电压不平衡度95%概率大值为0.36%，未超过国标规定的限值。国标规定110kV及以上电压等级的奇次谐波电压含有率不超过1.6%，偶次谐波电压的含有率不超过0.8%。

（二）视在功率和功率因数计算

实测数据的负序和谐波问题总是同时存在的，为便于对比非正弦不平衡条件下各功率定义的计算结果，将变电所24h观测的28800个数据按顺序分成10组，每组包含2880个数据，取其平均值作为最终的计算结果准确划分负序和谐波责任是解决电能计量问题的前提，通过以上分析可知，利用等效功率因数调整电费缓解了负序和谐波情况下电能计费不合理的问题。

五、结论

简而言之，不对称负载会增加电网损耗，传统功率因数无法体现负序分量的影响;根据奖惩机制，负载的不平衡度越高应计入的电费越多，采用等效视在功率因数调整电费方式比传统功率因数更合理;其次，传统功率因数未考虑谐波的影响，等效视在功率因数随谐波含有率的增加而减小;最后，实测数据综合考虑了谐波和负序的影响，计算结果表明等效视在功率因数最低，传统功率因数最高2。

参考文献：

[1]水利电力部，国家物价局。功率因数调整电费办法[Z4].北京：水利电力部，国家物价局，2018.

[2]王月志.电能计量技术[M].北京：中国电力出版社，2017.

[3]贾秀芳，佟子娟，曹东升，等.谐波电能分摊的合理计量方法[J].华北电力大学学报，2016，43（6）：60-66.