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【摘 要】文章首先介绍谐波对电能计量影响的理论分析，分析谐波对电能表计量的影响，最后提出了抑制谐波的相应措施。
【关键词】谐波；电能计量；抑制；非线性负载
1引言
电力谐波会造成电能在生产、输送和应用过程中效率下降，从而使家用电器产热过多、噪音过大、振动过频并促使电器老化，降低使用年限，有时甚至发生烧毁现象。同时还将引起并联谐振或串联谐振，引起继电器失灵乃至电能计量设备的准确度下降等。进而导致电力公司或用户的电能损耗增加，费用增大。文中在分析电能表计量的基础上，分析了谐波对电子式与电磁感应式电能表的计量影响，提出了谐波影响下电能计量装置的采用。
随着经济的快速发展，各种电器在家庭生活中应用，而这些电器有多数是导致非线性用电负荷的电器，这些电器在使用过程中引起用电系统中谐波的电压和电流发生变化。电力谐波会造成电能在生产、输送和应用过程中效率下降。此外，有些用户在受到影响后也产生谐波电能，从而导致大量的电能损耗在线路当中，造成电力营运企业非经营性成本增加。
3谐波对电能表计量的影响
3.1谐波对感应式电能表计量的影响
电能表一般只有工作在三相平衡、电压、电流为纯正弦波且频率在工频附近很窄的范围内时，才能保证其测量精度。但是随着经济的发展，非线性电力负载日益增加，供电系统的电流、电压发生了各种各样的畸变。研究发现，谐波对感应式电能表影响较大。当安装点存在谐波功率时，感应式电能表基本忽略5次以上的高次谐波功率，一般少计量3次谐波功率5%～30%，5次谐波功率80%～95%，其主要原因是感应式电能表的转盘涡流路径的等效阻抗及其阻抗角随频率的增高而增大。当线圈电流一定时，电流工作磁通随频率增加而减小，存在谐波功角偏移；当线圈端电压一定时，电压工作磁通和频率的乘积随频率的增加而减小。另外，由于磁化曲线的非线性特点，将会产生高次谐波，使问题更为复杂。
由于系统频率偏移和谐波影响，导致感应式电能表产生误差的主要原因有以下2个方面。
（1）电磁感应式电能表的设计是按基波情况考虑的。在负荷电压、电流不变的情况下，当频率变化时，由于电压线圈阻抗的变化会导致电压工作磁通发生改变，同时由于转盘阻抗的变化会使电流磁通随之发生变化，从而影响电能表的测量精度。
（2）当电力系统中有谐波分量存在时，谐波与基波相叠加，波形就会发生畸变，而由于电压、电流铁心导磁率的非线性，在电压、电流波形发生畸变时，磁通并不能相应地线性变化。从电工基础知识和电能表工作原理可知，只有同频率的电压和电流相互作用才会产生平均功率，电能表也只有同频率的电压和电流产生的磁通之间相互作用才能产生转矩，畸变的波形通过电磁元件以后，由于磁通不与波形对应变化，导致转矩不能与平均功率成正比而产生附加误差。
3.2谐波对电子式电能表计量的影响
电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的，按其原理和结构的特点，分为4个基本部分，即输入级、乘法器、V/f转换和分频计数。输入级是将电网中的电压和电流经电压互感器和电流互感器转换成合适的小电压信号，供给乘法器。乘法器是电子式电能表测量机构的核心部分，它把2个电压模拟量转换成它们的乘积，目前使用最普遍的是时间分割乘法器。从乘法器输出的电压模拟量送入V/f转换电路，转换成与其成正比的脉冲数字量，最后输入到计数电路和驱动电路，完成功率测量。
电子式电能表具有感应式电能表无法比拟的优点，如准确等级高、功能多、使用方便等，现已日益广泛应用。相对于感应式电能表的频率曲线而言，电子式电能表的曲线平坦，基本没有衰减，说明它具有宽频带响应，对基波的响应和高次谐波功率的响应是相同的。和感应式电能表相比，电子式电能表由于频带较宽，对基波电能和谐波电能都能较为准确的计量。在数值计算时，由于电子式电能表能够将含有多个不同频率，按正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样并作运算，因此有效地记录了负载的瞬时功率。原理上来说，电子式电能表实现记录负载基波消耗和谐波总平均功率及电能量是可行的，但是，值得注意的是它把谐波功率和基波功率同等对待，这样畸变谐波的计量误差就会增大。
4谐波对电能计量影响的改善
（1）对于存在谐波功率情况下的电能计量，建议把基波功率与谐波功率分别计量，对产生谐波严重的用户进行惩罚。这是限制电网中的谐波负载的一项积极措施，有利于谐波源的治理。不过目前制造计量谐波电能表的费用比较高，技术上也有一定难度。谐波源用户系统能自行吸收部分谐波，如果仅简单地分别计量基波和谐波电能，由于谐波流向复杂，计量的谐波电能并不能反映谐波的实际影响，可能达不到目的，并且各次谐波的影响也不相同。
（2）采取谐波抑制措施，减少谐波源用户向系统注入的谐波量。对系统中的绝大多数非谐波源用户来说，如今使用的基本上是电子式电能表，由于电子式电能表受谐波的影响比感应式电能表要小得多，因此在这种情况下的谐波对电能表计量电能的影响非常小；对电网中的谐波源及其附近的非谐波源用户，则可采用一种既能计量基波电能、又能计量谐波电能的新型电能表计量电能，减小谐波对电能计量的影响。
电能计量须遵循“公平、公开和公正”的原则，为了解决非线性客户计量的公平性问题，挽回由于谐波给供电公司造成的电能损失，在谐波严重的现场电网中，基波、谐波应分别计量，即采取具有谐波计量功能的多功能电能表。目前国内生产用于电网计量电能的电子式谐波电能表一般采用快速傅立叶变换法和带阻滤波器法。
（3）对于谐波环境下安装的电能表，如果只计量基波电能，不失为一个较好的办法。根据前述谐波对电能表的影响，可以对电能表的电压或电流回路进行滤波来减小谐波对电能计量的影响。最常用的低通有源滤波器有3种：①巴特沃斯（Butterworth）滤波器，巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最大平坦度，又叫最平幅度滤波器，但从通带到阻带衰减较慢；②车比雪夫（Chebyshev）滤波器，车比雪夫滤波器能迅速衰减，但允许通带中有一定纹波；③贝塞尔（Bessel）滤波器，贝塞尔滤波器侧重于相频响应，其相移与频率基本成正比，即群延时基本是恒定的，可得相位失真较小的波形。
【关键词】谐波；电能计量；抑制；非线性负载
1引言
电力谐波会造成电能在生产、输送和应用过程中效率下降，从而使家用电器产热过多、噪音过大、振动过频并促使电器老化，降低使用年限，有时甚至发生烧毁现象。同时还将引起并联谐振或串联谐振，引起继电器失灵乃至电能计量设备的准确度下降等。进而导致电力公司或用户的电能损耗增加，费用增大。文中在分析电能表计量的基础上，分析了谐波对电子式与电磁感应式电能表的计量影响，提出了谐波影响下电能计量装置的采用。
随着经济的快速发展，各种电器在家庭生活中应用，而这些电器有多数是导致非线性用电负荷的电器，这些电器在使用过程中引起用电系统中谐波的电压和电流发生变化。电力谐波会造成电能在生产、输送和应用过程中效率下降。此外，有些用户在受到影响后也产生谐波电能，从而导致大量的电能损耗在线路当中，造成电力营运企业非经营性成本增加。
3谐波对电能表计量的影响
3.1谐波对感应式电能表计量的影响
电能表一般只有工作在三相平衡、电压、电流为纯正弦波且频率在工频附近很窄的范围内时，才能保证其测量精度。但是随着经济的发展，非线性电力负载日益增加，供电系统的电流、电压发生了各种各样的畸变。研究发现，谐波对感应式电能表影响较大。当安装点存在谐波功率时，感应式电能表基本忽略5次以上的高次谐波功率，一般少计量3次谐波功率5%～30%，5次谐波功率80%～95%，其主要原因是感应式电能表的转盘涡流路径的等效阻抗及其阻抗角随频率的增高而增大。当线圈电流一定时，电流工作磁通随频率增加而减小，存在谐波功角偏移；当线圈端电压一定时，电压工作磁通和频率的乘积随频率的增加而减小。另外，由于磁化曲线的非线性特点，将会产生高次谐波，使问题更为复杂。
由于系统频率偏移和谐波影响，导致感应式电能表产生误差的主要原因有以下2个方面。
（1）电磁感应式电能表的设计是按基波情况考虑的。在负荷电压、电流不变的情况下，当频率变化时，由于电压线圈阻抗的变化会导致电压工作磁通发生改变，同时由于转盘阻抗的变化会使电流磁通随之发生变化，从而影响电能表的测量精度。
（2）当电力系统中有谐波分量存在时，谐波与基波相叠加，波形就会发生畸变，而由于电压、电流铁心导磁率的非线性，在电压、电流波形发生畸变时，磁通并不能相应地线性变化。从电工基础知识和电能表工作原理可知，只有同频率的电压和电流相互作用才会产生平均功率，电能表也只有同频率的电压和电流产生的磁通之间相互作用才能产生转矩，畸变的波形通过电磁元件以后，由于磁通不与波形对应变化，导致转矩不能与平均功率成正比而产生附加误差。
3.2谐波对电子式电能表计量的影响
电子式电能表是在数字功率表的基础上发展起来的，按其原理和结构的特点，分为4个基本部分，即输入级、乘法器、V/f转换和分频计数。输入级是将电网中的电压和电流经电压互感器和电流互感器转换成合适的小电压信号，供给乘法器。乘法器是电子式电能表测量机构的核心部分，它把2个电压模拟量转换成它们的乘积，目前使用最普遍的是时间分割乘法器。从乘法器输出的电压模拟量送入V/f转换电路，转换成与其成正比的脉冲数字量，最后输入到计数电路和驱动电路，完成功率测量。
电子式电能表具有感应式电能表无法比拟的优点，如准确等级高、功能多、使用方便等，现已日益广泛应用。相对于感应式电能表的频率曲线而言，电子式电能表的曲线平坦，基本没有衰减，说明它具有宽频带响应，对基波的响应和高次谐波功率的响应是相同的。和感应式电能表相比，电子式电能表由于频带较宽，对基波电能和谐波电能都能较为准确的计量。在数值计算时，由于电子式电能表能够将含有多个不同频率，按正弦规律变化的电压和电流的瞬时值分别采样并作运算，因此有效地记录了负载的瞬时功率。原理上来说，电子式电能表实现记录负载基波消耗和谐波总平均功率及电能量是可行的，但是，值得注意的是它把谐波功率和基波功率同等对待，这样畸变谐波的计量误差就会增大。
4谐波对电能计量影响的改善
（1）对于存在谐波功率情况下的电能计量，建议把基波功率与谐波功率分别计量，对产生谐波严重的用户进行惩罚。这是限制电网中的谐波负载的一项积极措施，有利于谐波源的治理。不过目前制造计量谐波电能表的费用比较高，技术上也有一定难度。谐波源用户系统能自行吸收部分谐波，如果仅简单地分别计量基波和谐波电能，由于谐波流向复杂，计量的谐波电能并不能反映谐波的实际影响，可能达不到目的，并且各次谐波的影响也不相同。
（2）采取谐波抑制措施，减少谐波源用户向系统注入的谐波量。对系统中的绝大多数非谐波源用户来说，如今使用的基本上是电子式电能表，由于电子式电能表受谐波的影响比感应式电能表要小得多，因此在这种情况下的谐波对电能表计量电能的影响非常小；对电网中的谐波源及其附近的非谐波源用户，则可采用一种既能计量基波电能、又能计量谐波电能的新型电能表计量电能，减小谐波对电能计量的影响。
电能计量须遵循“公平、公开和公正”的原则，为了解决非线性客户计量的公平性问题，挽回由于谐波给供电公司造成的电能损失，在谐波严重的现场电网中，基波、谐波应分别计量，即采取具有谐波计量功能的多功能电能表。目前国内生产用于电网计量电能的电子式谐波电能表一般采用快速傅立叶变换法和带阻滤波器法。
（3）对于谐波环境下安装的电能表，如果只计量基波电能，不失为一个较好的办法。根据前述谐波对电能表的影响，可以对电能表的电压或电流回路进行滤波来减小谐波对电能计量的影响。最常用的低通有源滤波器有3种：①巴特沃斯（Butterworth）滤波器，巴特沃斯滤波器的幅频响应在通带中具有最大平坦度，又叫最平幅度滤波器，但从通带到阻带衰减较慢；②车比雪夫（Chebyshev）滤波器，车比雪夫滤波器能迅速衰减，但允许通带中有一定纹波；③贝塞尔（Bessel）滤波器，贝塞尔滤波器侧重于相频响应，其相移与频率基本成正比，即群延时基本是恒定的，可得相位失真较小的波形。