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一起谐波影响下的电能表电压异常及计量准确性分析

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摘要：对一起35kV用户变电站因电表电压异常引起的疑似电能计量差错问题，进行分析和处理。通过比较两种不同原理的测量仪器检测到的电压值，并结合波形监测，分析出电压异常原因是存在电压谐波。最后对用户重点关心的疑似电能计量差错问题进行理论分析和现场检验，并制定有效的验证处理方案对分析结果进行验证。

关键词：电压异常;谐波;计量差错;现场检验

0引言

电能计量装置作为供电企业与用电客户之间销售电量的贸易结算依据，其准确与否直接影响到供用电双方的利益。电能计量装置能否准确计量与电能表的测量电压、电流及功率因数有着密切的关系，本文就一起因电表电压异常引起的疑似电能计量差错问题展开分析与处理。

1异常背景

2019年2月南京供电公司计量室接到某汽车锻造厂电气负责人电话，据该负责人描述，该公司35kV变电站母线电压表显示电压为103V左右（线电压），而供电公司计量电能表显示的电压为65V左右（相电压）折算成线电压112.58V，因此怀疑是供电公司电能计量装置有故障，多计电量10%左右，并提出按变电站增容至今已两年电能表示数已达5504，综合倍率为21000，多计电瓦时。他们公司领导得知此事后非常关注，责成他跟进此事，并要求我们给出合理解释，如果是多计电量必须尽快退还多收电费。

接客户电话后我们当即通过用电信息采集系统召测电能表测量相电压如图1所示，的确明显高于额定电压值14%左右。

通过朔源分析发现，自2017年2月6日用户增容送电后电能表电压明显高于正常值，如图2所示：

2电压异常原因分析

2.1现场检查

当天经现场检查电能表显示电压确实明显高于变电站母线电压表显示电压，且用电能监测仪和电能表校验仪测得的电表相电压也高达65V左右，但用钳形电流表和数字万用表测得的电表相电压却60V左右，低于电能监测仪及电能表校驗仪测得电压的10%左右，具体的测量电压显示值如表1所示。

四种电压测量仪表虽然都是测量有效值，但是测量原理却不同，钳形电流表和数字万用表采用的是平均响应测量原理，这种测量原理只适用于标准的正弦波，而电能监测仪和电能表校验仪所用的都是真有效值测量原理，适用于所有波形。

2.2现场检查结论

综合以上检测分析可推断现场电能表的工作电压是非正弦波电压（叠加了直流电压），或者是正弦交流电压严重畸变。根据表1数据分析，电表进线电压的“真有效值测量”与“平均值测量”结果存在着明显的差异，而线电压差别很小，则表明电能表的相电压存在着严重的波形畸变，线电压正常。通过电压波形测量得到了证实如图3;从波形图分析相电能表的相电压存在着严重的高次谐波，相电流中无谐波成分。

2.3谐波的来源

根据上面谐波来源分析可知电压，电流谐波通常来源于非线性负荷或整流设备，经和用户电气负责人确认，该公司目前所有电力负荷中存在部分冲击性负荷，生产用电过程可能产生高次谐波;用户变压器一次侧，如图4所示中性点，该接地消弧线圈的调节方式采用的是相控方式，即消弧线圈的电感值固定不变，通过控制可控硅的导通角（也就是斩波）来使输出的感性电流发生变化。可想而知，斩波过程产生了高次谐波。

3谐波对计量的影响分析

3.1电能表的计量原理

对单相正弦交流电路而言，其瞬时电压、电流的数学表达式如下[3]：

瞬时功率表达式为：

上式中第一项是恒定分量，表示负载一个周期消耗的平均功率。第二项是功率的交变分量，在一个周期内的均值为零，因此它不做功。

平均功率表示负载消耗的有功功率，用瞬时功率的均值表示：

单相电表所计量的电能单位是千瓦··时（kWh）

三相四线电路采用的是三元件计量，其计量原理如图9所示。所以计量的电能为三相电能相加，平功率表达式为：

3.2谐波影响下的电表计量分析

谐波会产生谐波功率，因此电力谐波对计量的影响可以看作为电能表计量一种附加误差，例如在在用户进线处测量，如图5所示。

可设：全波功率为P全，基波功率P1，谐波功率正的部分PH+，谐波功率负的部分PH-

目前的电能表基本都是基于信号为工频的前提来设计的，电表实际应该计量的功率为（假设谐波功率正是有用的，比如纯电阻加热）：

谐波所产生的计量附加误差为：

由电表相电压存在谐波，而电表电流波形为平滑的正弦曲线可知：电表的采样电压中存在谐波成分，而采样电流中并无谐波成分。而谐波电压和基波电流都是时间的正弦函数，两者频率不同。所谓正弦信号的正交性，是指任意两个不同频率的正弦信号的乘积，在{-}上的积分为零。而有功功率的定义，恰好是电压信号与电流信号乘积在一个周期内的均值。均值即积分值除以积分时间。因此，不同频率的正弦波的电压和电流不会做工。即从理论上说，谐波所产生的计量附加误差为：ERR=（P全-（P1）*100/（P1）%=0%