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1、 电能电能计量计量 谐波影响谐波影响滕召胜滕召胜电气与信息工程学院电气与信息工程学院 仪器科学系仪器科学系2007年年11月月28日日15:00 电气院电气院219滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响汇报内容内容电能计量的背景知识电能计量的背景知识机械式电能计量机械式电能计量电子式电能计量电子式电能计量谐波对电能计量的影响谐波对电能计量的影响谐波电能计量方法谐波电能计量方法滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响背景知背景知识 借借助助各各种种电工工仪器器仪表表对电流流、电压、电阻阻、电能、能、电功率等功率等进行行测量，称之量，称之为电工工测量量（电测）。 电工工仪
2、表表的的种种类繁繁多多，分分类方方法法也也各各有有不不同同。按按照照电工工仪表的表的结构和用途，大体上可以分构和用途，大体上可以分为以下五以下五类： （1）指指示示仪表表类：直直接接从从仪表表指指示示的的读数数来来确确定定被被测量的大小。量的大小。 （2）比比较仪器器类：需需在在测量量过程程中中将将被被测量量与与某某一一标准量比准量比较后才能确定其大小。后才能确定其大小。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响（3）数数字字式式仪表表类：直直接接以以数数字字形形式式显示示测量量结果，如数字万用表、数字果，如数字万用表、数字频率率计。（4）记录仪表表和和示示波波器器类：如如X-Y记
3、录仪、光光线示波器。示波器。 （5）扩大大量量程程装装置置和和变换器器：如如分分流流器器、附附加加电阻、阻、电流互感器、流互感器、电压互感器。互感器。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响常用的指示常用的指示仪表可按以下方法分表可按以下方法分类： （1）按按仪表表的的工工作作原原理理分分类，主主要要有有电磁磁式式、电动式式和和磁磁电式式指指示示仪表表，其其他他还有有感感应式式、振振动式式、热电式式、热线式式、静静电式式、整整流流式式、光光电式式和和电解解式式等等类型的指示型的指示仪表。表。 （2）按按测量量对象象的的种种类分分类，主主要要有有电流流表表（又又分分安安培培表表、毫
4、毫安安表表、微微安安表表）、电压表表（又又分分为伏伏特特表表、毫毫伏伏表表等等）、功功率率表表、频率率表表、欧欧姆姆表表、电度度表表等。等。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响（3）按按被被测电流流种种类分分类，有有直直流流仪表表、交交流流仪表、交直流两用表、交直流两用仪表。表。 （4）按按使使用用方方式式分分类，有有安安装装式式仪表表和和可可携携式式仪表。表。 （5）按按仪表表的的准准确确度度分分类，指指示示仪表表的的准准确确度度可可分分为 0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七七个个等等级。仪表的表的级别即即仪表准确度的等表准确度的等级。 滕召胜：电能计
5、量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响（6）按按使使用用环境境条条件件分分类，指指示示仪表表可可分分为 A、B、C三三组。 A组：工作：工作环境境为0+40，相，相对湿度在湿度在85%以下。以下。 B组：工工作作环境境为-20+50，相相对湿湿度度在在85%以以下。下。 C组：工工作作环境境为-40+60，相相对湿湿度度在在98%以以下。下。 （7）按按对外外界界磁磁场的的防防御御能能力力分分类，指指示示仪表表有有、 4个等个等级。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电测仪表的分类滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响机械式机械式电能能计量量滕召胜：电能计量与谐
6、波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电流流测量量电流流表表是是用用来来测量量电路路中中的的电流流值的的。按按所所测电流流性性质，电流流表表可可分分为直直流流电流流表表、交交流流电流流表表和和交交直直流流两两用用电流流表表。就就其其测量量范范围而而言言，电流流表表又又分分为微微安表、毫安表和安培表。安表、毫安表和安培表。电流表串接在被流表串接在被测电路中使用。路中使用。利利用用电阻阻并并联分分流流，可可以以扩大大电流流表表的的测量量量量程程。并并联的的电阻称阻称为分流分流电阻或分流器阻或分流器。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电流表扩大量程电路 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：
7、电能计量与谐波影响电流表的使用流表的使用在在测量量电路路电流流时，一一定定要要将将电流流表表串串联在在被被测电路中。路中。磁磁电式式仪表表一一般般只只用用于于测量量直直流流电流流，测量量时要要注注意意电流流接接线端端的的“+”、“-”极极性性标记，不不可可接接错，以以免指免指针反打，反打，损坏坏仪表。表。对于于有有两两个个量量程程的的电流流表表，它它具具有有三三个个接接线端端，使使用用时要要看看清清楚楚接接线端端量量程程标记，根根据据被被测电流流大大小小选择合合适适的的量量程程，将将公公共共接接线端端一一个个量量程程接接线端端串串联在被在被测电路中。路中。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电
8、能计量与谐波影响钳形形电流表流表通通常常，当当用用电流流表表测量量负载电流流时，必必须把把电流流表表串串联在在电路中。路中。但但当当在在施施工工现场需需要要临时检查电气气设备的的负载情情况况或或线路路流流过的的电流流时，线路路断断开开不不便便。此此时应采采用用钳形形电流流表表测量量电流。流。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电压的的测量量电压表是用来表是用来测量量电路中的路中的电压值的的。按按所所测电压的的性性质，电压表表分分为直直流流电压表表、交交流流电压表和交直两用表和交直两用电压表。表。就就其其测量量范范围而而言言，电压表表又又分分为毫毫伏伏表表、伏伏特特表。表。1）
9、电压表的工作原理表的工作原理磁磁电式式、电磁磁式式、电动式式仪表表是是指指针式式电压表表的的主要形式。主要形式。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响2）电压表的表的选择电压表表的的选择原原则和和方方法法与与电流流表表的的选择相相同同， 主主要要从从测量量对象象、测量量范范围、测量量准准确确度度要要求求和和仪表表价格等方面考价格等方面考虑。 3）电压表的使用表的使用用用电压表表测量量电路路电压时，一一定定要要使使电压表表与与被被测电压的的两两端端并并联，电压表表指指针所所示示为被被测电路路两两点点间的的电压。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响）电压表的表的选择和
10、使用注意事和使用注意事项电压表表及及其其量量程程的的选择方方法法与与电流流表表相相同同，量量程程和和仪表的等表的等级要合适。要合适。 电电压压表表必必须须与与被被测测电电路路并并联联。直直流流电电压压表表还还要要注注意意仪仪表表的的极极性性，表表头头的的“+”端端接接高高电电位位，“-”端端接接低电位。低电位。高高电电压压必必须须利利用用电电压压互互感感器器将将高高压压按按比比例例变变成成低低压压后后进进行行测测量量。电电压压互互感感器器的的二二次次侧侧绝绝对对不不允允许许短短路路；二次侧必须接地。二次侧必须接地。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响功率的测量功率的测量电路功率
11、使用功率表进行测量。电路功率使用功率表进行测量。 1）功率表的工作原理）功率表的工作原理多多数数机机械械式式功功率率表表是是根根据据电电动动式式仪仪表表的的工工作作原原理理来测量电路功率的。来测量电路功率的。 2）功率表的）功率表的选择在在选选择择功功率率表表时时，首首先先要要考考虑虑的的是是功功率率表表的的量量程程, 必必须须使使其其电电流流量量程程能能允允许许通通过过负负载载电电流流, 电电压压量量程程能能承受负载电压。承受负载电压。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响3）功率表的使用）功率表的使用(1) 功率表的正确接线。功率表的正确接线。电电动动式式功功率率表表指指针针
12、的的偏偏转转方方向向是是由由通通过过电电流流线线圈圈的的电电流流方方向向决决定定的的，如如果果改改变变其其中中一一个个线线圈圈中中电电流流的的方方向向，指针就将反转。指针就将反转。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响(2) 三相平衡负载电路总功率的测量。三相平衡负载电路总功率的测量。 三三相相平平衡衡负负载载的的每每相相负负载载所所消消耗耗的的功功率率相相同同，只只需需用用一一只只功功率率表表测测量量一一相相负负载载的的功功率率，然然后后乘乘以以3即即可可得三相总功率。得三相总功率。 (3) 三相四线制电路总功率的测量。三相四线制电路总功率的测量。在在三三相相四四线线制制电电
13、路路中中，三三相相负负载载不不平平衡衡，要要测测量量其总功率需使用三只功率表。其总功率需使用三只功率表。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电能计量电能计量电电度度表表是是计计量量电电能能的的仪仪表表，即即能能测测量量某某一一段段时时间间内内所消耗的电能。所消耗的电能。电电度度表表按按用用途途分分为为有有功功电电度度表表和和无无功功电电度度表表两两种种，它它们们分分别别计计量量有有功功功功率率和和无无功功功功率率；按按结结构构分分为为单单相相表和三相表两种。表和三相表两种。 1）电度表的度表的结构构电电度度表表的的种种类类虽虽不不同同，但但其其结结构构是是一一样样的的。它它由
14、由两两部部分分组组成成：一一部部分分是是固固定定的的电电磁磁铁铁，另另一一部部分分是是活活动动的的铝铝盘盘。电电度度表表都都有有驱驱动动元元件件、转转动动元元件件、制制动动元元件件、计数机构等部件。单相电度表的结构如图所示。计数机构等部件。单相电度表的结构如图所示。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响单相电度表的结构示意图 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响(1) 驱驱动动元元件件。驱驱动动元元件件由由电电压压元元件件(电电压压线线圈圈及及其其铁铁心心)和和电电流流元元件件(电电流流线线圈圈及及其其铁铁心心)组组成。成。 (2) 转转动动元元件件。转转动动元
15、元件件由由可动铝盘和转轴组成。可动铝盘和转轴组成。(3) 制制动动元元件件。制制动动元元件件是是一一块块永永久久磁磁铁铁，在在转转盘盘转转动动时时产产生生制制动动力力矩矩，使使转转盘盘转转动动的的转转速速与用电器的功率大小成正比。与用电器的功率大小成正比。 (4) 计计算算机机构构。计计算算机机构构又又叫叫计计算算器器，它它由由蜗蜗杆杆、蜗蜗轮轮、齿齿轮和字轮组成。轮和字轮组成。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响2）电度表的工作原理度表的工作原理当当通通入入交交流流电电，电电压压元元件件和和电电流流元元件件两两种种交交变变的的磁磁通通穿穿过过铝铝盘盘时时，在在铝铝盘盘内内感感
16、应应产产生生涡涡流流，涡涡流流与与电电磁磁铁铁的的磁磁通通相相互互作作用用，产产生生一一个个转转动动力力矩矩，使使铝铝盘转动。盘转动。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响3）电度表的安装和使用要求度表的安装和使用要求(1) 电电度度表表应应按按设设计计装装配配图图规规定定的的位位置置进进行行安安装装， 应应注注意意不不能能安安装装在在高高温温、潮潮湿湿、多多尘尘及及有有腐腐蚀蚀气气体体的的地方。地方。 (2) 电电度度表表应应安安装装在在不不易易受受震震动动的的墙墙上上或或开开关关板板上上， 墙面上的安装位置以不低于墙面上的安装位置以不低于1.8 m为宜。为宜。 (3) 为为了
17、了保保证证电电度度表表工工作作的的准准确确性性，必必须须严严格格垂垂直直装设。装设。 (4) 电度表的导线中间不应有接头。电度表的导线中间不应有接头。 (5) 电电度度表表在在额额定定电电压压下下，当当电电流流线线圈圈无无电电流流通通过过时，铝盘的转动不超过时，铝盘的转动不超过1转，功率消耗不超过转，功率消耗不超过1.5 W。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响(6) 电电度度表表装装好好后后，开开亮亮电电灯灯，电电度度表表的的铝铝盘盘应应从从左向右转动。左向右转动。 (7) 单相电度表的选用必须与用电器总瓦数相适应。单相电度表的选用必须与用电器总瓦数相适应。 (8) 电电度
18、度表表在在使使用用时时，电电路路不不容容许许短短路路及及用用电电器器超超过额定值的过额定值的125%。 (9) 电电度度表表不不允允许许安安装装在在10%额额定定负负载载以以下下的的电电路路中使用。中使用。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响单相电能表50Hz，有功电能滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响感感应式式电能表的不足能表的不足随随着着电能能开开发及及利利用用的的加加速速，用用户对电能能表表性性能能提提出出了了更更高高的的要要求求。感感应式式电能能表表受受其其原原理理和和结构构等等因因素素的的制制约，逐逐渐暴暴露露出出准准确确度度低低、适适用用频率率范范
19、围窄窄、功功能能单一一和和无无法法进进一一步步拓拓展展功功能能等等缺缺点点，很很难满足足用用户的的需需求求，于于是是人人们开开始始研研究究并并试验采采用用电子子电路路来来测量交流量交流电能。能。基基于于微微电子子技技术和和计算算机机技技术的的不不断断发展展，人人们相相继开开发出了多种多出了多种多样的的电子式子式电能表。能表。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电子式子式电能能计量量滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电子式电能表的发展电子式电能表的发展早早期期的的电电子子式式电电能能表表，仍仍采采用用感感应应式式电电能能表表的的测测量量机机构构作作为为工工作作元
20、元件件，由由光光电电传传感感器器完完成成电电能能-脉脉冲冲的的转转换换，然然后后经经电电子子电电路路对对脉脉冲冲进进行行适适当当处处理理，从从而而实实现现对对电电能能的的测测量量。这这种种电电能能表表的的显显著著特特点点是是感感应应式式测测量量机机构构配配以以脉脉冲冲发发生生装装置置，因因此此也也被被称称为为感感应应式式脉脉冲冲电电能表或机电脉冲式电能表。能表或机电脉冲式电能表。机机电电脉脉冲冲式式电电能能表表自自20世世纪纪70年年代代初初就就在在国国外外一一些些工工业业化化国国家家逐逐渐渐大大面面积积采采用用。这这种种电电能能表表和和机机械械式式多多费费率率电电能能表表都都是是感感应应式式
21、电电能能表表向向全全电电子子式式电电能能表表过过渡渡发发展展过过程程中中的的电电能能计计量量品品种种，它它们们对对分分时时电电价价、需需量量电价制度的实施起了积极的推动作用。电价制度的实施起了积极的推动作用。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响以以感感应应式式测测量量机机构构作作为为测测量量主主回回路路的的原原理理性性缺缺陷陷，决决定定了了它它同同感感应应式式电电能能表表一一样样准准确确度度低低、适适用用频频率率范范围低。围低。电电子子式式电电能能计计量量方方案案使使用用乘乘法法器器实实现现功功率率和和电电能能的的测测量量，功功率率是是电电流流与与电电压压的的乘乘积积，电电能能
22、是是功功率率对对时时间间的积分。的积分。20世世纪纪80年年代代末末90年年代代初初，国国外外大大公公司司相相继继推推出出了了全全电电子子式式多多功功能能电电能能表表，如如瑞瑞士士兰兰地地斯斯公公司司(LANDIS & GYR)、法法国国斯斯伦伦贝贝谢谢公公司司(Schlumberger)和和美美国国通通用用电气公司电气公司(GE)等。等。我我国国从从20世世纪纪90年年代代初初开开始始研研制制全全电电子子式式电电能能表表，1994年年威威胜胜集集团团、恒恒通通公公司司等等相相继继推推出出了了全全电电子子式式多多功能电能表，随后有多家公司开始小批量生产。功能电能表，随后有多家公司开始小批量生产
23、。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电电子子式式电电能能表表与与感感应应式式电电能能表表相相比比，除除了了具具有有测测量量精精度度高高、性性能能稳稳定定、功功耗耗低低、体体积积小小、重重量量轻轻等等优优点点外外，表表计计功功能能和和通通信信接接口口具具有有良良好好的的扩扩展展性性，易易于于实实现现多多功功能能计计量量和和通通信信，可可实实现现现现场场校校验验和和调调整整，便便于数据采集和电力管理。于数据采集和电力管理。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电子式电能表的工作框图电子式电能表的工作框图电电子子式式电电能能表表也也称称静静止止式式电电能能表表。与与
24、传传统统的的机机械械表表相相比比，采采用用电电子子计计量量原原理理的的三三相相电电能能表表，具具有有高高精精度度、多参数测量、谐波功率电能计量等优势。多参数测量、谐波功率电能计量等优势。三三相相电电子子式式电电能能表表一一般般包包括括计计量量模模块块、电电源源模模块块、电能表管理模块、人机接口模块和通信模块。电能表管理模块、人机接口模块和通信模块。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响计量模块包括电压电流采样电路和计量单元。计量模块包括电压电流采样电路和计量单元。被被测测三三相相电电压压、三三相相电电流流经经电电压压电电流流采采样样电电路路和和A/D转换器变换后，数字量输入至计量
25、单元。转换器变换后，数字量输入至计量单元。计计量量单单元元是是电电子子式式电电能能表表计计量量部部分分的的核核心心，可可采采用用模模拟拟乘乘法法器器、数数字字乘乘法法器器、专专用用电电能能计计量量芯芯片片或或数数字字信号处理器（信号处理器（DSP）等。等。计计量量单单元元输输出出电电压压电电流流有有效效值值、功功率率、及及电电量量等等信信息。息。管管理理模模块块读读取取计计量量模模块块输输出出的的测测量量参参数数和和电电量量数数据据，完成显示、人机接口、电能表通信等功能。完成显示、人机接口、电能表通信等功能。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：
26、电能计量与谐波影响电能计量原理电能计量原理电能测量的有功电能测量可简单描述如下。电能测量的有功电能测量可简单描述如下。若电压若电压u(t)和电流和电流i(t)均为正弦波，表达式为均为正弦波，表达式为式式中中，u(t)为为t时时刻刻电电压压瞬瞬时时值值；i(t)为为t时时刻刻电电流流瞬瞬时时值值；Um为为电电压压峰峰值值；Im为为电电流流峰峰值值；U为为电电压压有有效效值值；I为为电流有效值；电流有效值；为电压与电流相位差；为电压与电流相位差；为角频率。为角频率。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响则则瞬时功率瞬时功率P(t)为为u(t)i(t)滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：
27、电能计量与谐波影响关于瞬时功率，需注意以下几个概念：关于瞬时功率，需注意以下几个概念：（a）瞬瞬时时功功率率P(t)可可正正可可负负。当当u(t)或或i(t)为为零零时时，P(t)=0。当当u(t)、i(t)同同时时为为正正或或负负时时，P(t)0，表表示示电电源源向向负负载载输输出出功功率率(负负载载吸吸收收功功率率)。当当u(t)、i(t)瞬瞬时时极极性相反时，性相反时，P(t)0，表示该瞬时负载将能量回送给电源。，表示该瞬时负载将能量回送给电源。（b）若若在在一一周周内内平平均均起起来来看看，瞬瞬时时功功率率的的平平均均值值总总是是正正，表表示示负负载载中中有有电电阻阻元元件件。电电阻阻
28、元元件件总总是是消消耗耗功率的。功率的。（c）瞬瞬时时功功率率可可以以分分为为两两大大部部分分：一一部部分分是是恒恒定定分分量量，相相当当于于一一周周内内电电阻阻上上瞬瞬时时功功率率的的平平均均值值；另另一一部部分分是是变变化化分分量量，由由波波形形可可见见，它它的的变变化化频频率率是是电电源源频率的二倍频率的二倍滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响（d）还还可可以以从从另另一一个个角角度度把把瞬瞬时时功功率率分分作作电电阻阻上上的的瞬瞬时时功功率率和和电电抗抗上上的的瞬瞬时时功功率率, P(t)= PR-PX 。其其中中， PR代代表表电电阻阻上上所所消消耗耗功功率率的的瞬瞬
29、时时功功率率（图图a），其其值值可可大大可可小小，但但其其平平均均值值总总为为正正，即即电电阻阻始始终终在在消消耗耗功功率率。PX代代表表电电抗抗上上的的瞬瞬时时功功率率（图图b），它它是是以以频频率率在在零零轴轴上下波动，波动的幅度为，其平均值为零。上下波动，波动的幅度为，其平均值为零。 图图a 图图b滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响平均功率平均功率（有功功率）（有功功率）P为为 有有功功功功率率不不仅仅与与电电压压、电电流流有有效效值值的的乘乘积积有有关关，还还和和它它们们之之间间的的相相位位差差有有关关。纯纯电电抗抗时时，电电路路不不消消耗耗功功率率（如如电电机机空空
30、载载时时，近近似似纯纯电电抗抗负负载载，基基本本上上不不消消耗功率）。纯电阻时，耗功率）。纯电阻时，P=UI，即直流电路功率表达式。即直流电路功率表达式。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响有功功率的单位为瓦、千瓦，记为有功功率的单位为瓦、千瓦，记为W、kW。有有功功功功率率的的正正负负受受负负载载角角coscos的的影影响响吗吗？电电压压超超前前电电流流（为为正正）或或落落后后于于电电流流（为为负负），结结果果如如何何？无功功率无功功率希希望望电电源源供供给给负负载载的的功功率率都都变变成成为为有有功功功功率率，但但不不可可能能的的。因因为为负负载载总总有有电电感感或或电电容
31、容等等储储能能元元件件（电电感感储储存存磁磁能能，电电容容储储存存电电能能），它它们们不不消消耗耗电电能能，只只和和电电能能交交换换能能量量。例例如如电电机机空空载载时时只只和和电电源源交交换换能能量量，不不消消耗耗功率，有功功率基本为零。功率，有功功率基本为零。在在电电能能计计量量中中，不不仅仅要要测测量量有有功功功功率率，还还要要测测量量无无功功率。在电力系统中要设法减少无功功率。功功率。在电力系统中要设法减少无功功率。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电电抗抗上上的的瞬瞬时时功功率率有有正正有有负负，其其平平均均值值为为零零，表表示示动动态态交交换换能能量量为为零零，
32、不不消消耗耗能能量量。其其振振幅幅大大小小反反映映了了与与电电源源交交换换能能量量的的程程度度。工工程程上上把把它它定定义义为为无无功功功功率率，用用Q 表示。表示。无无功功功功率率的的单单位位为为乏乏，表表示示不不作作功功的的意意思思，记记为为var、kvar。无无功功功功率率的的正正负负受受负负载载角角sin的的影影响响,所所以以无无功功功功率分感性无功和容性无功。率分感性无功和容性无功。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响视在功率视在功率电电压压和和电电流流的的有有效效值值直直接接相相乘乘时时，表表示示电电路路里里可可吸吸收收（消消耗耗）的的最最大大功功率率，也也是是电
33、电源源（如如发发电电机机）可可供供给给的最大功率。的最大功率。各各种种、电电器器设设备备的的容容量量就就是是由由它它们们的的额额定定电电压压和和额额定定电电流流（均均指指有有效效值值）的的乘乘积积来来决决定定的的。为为此此引引进进了了视视在功率的概念，用大写字母在功率的概念，用大写字母S 来表示，其定义为来表示，其定义为 视在功率的单位为伏安、千伏安，记为视在功率的单位为伏安、千伏安，记为VA、kVA 。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响视视在在功功率率、有有功功功功率率和和无无功功功功率率可可组组成成功功率率三三角角形形，如图所示。如图所示。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召
34、胜：电能计量与谐波影响功率因数功率因数视视在在功功率率虽虽然然是是最最大大功功率率，但但电电源源可可供供出出的的或或电电路路可可吸吸收收的的功功率率总总比比视视在在功功率率小小，就就是是说说要要打打个个折折扣扣，这这个折扣就是功率因为，以个折扣就是功率因为，以Pf表示表示 纯纯电电阻阻时时，电电压压电电流流同同相相，=0，cos=1，负负载载得得到到最最大大有有功功功功率率。纯纯电电感感时时，电电流流落落后后电电压压；纯纯电电容容时时，电电流流超超前前电电压压，=90，cos=0，负负载载的的有有功功功功率率为为零零。不论不论为正为负，为正为负，cos1，有功功率小于视在功率。，有功功率小于视
35、在功率。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电能数字化计量方法电能数字化计量方法 电能量数字化计量量框图电能量数字化计量量框图滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响可可见见，无无功功功功率率Q 等等于于滞滞后后 /2时时刻刻的的电电压压值值与与该该时时刻刻电电流流值值的的乘乘积积，因因此此，可可以以对对电电压压或或电电流流进进行行移移相后采用有功功率测量方法来测量无功功率。相后采用有功功率测量方法来测量无功功率。对对电电压压采采样样信信号号进进行行Hilbert变变换换，使使其其产产生生相相移移，然后按有功电能计量原理即可实现无功电能的计量。然后按有功电能计量原
36、理即可实现无功电能的计量。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响无功电能计量框图无功电能计量框图滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波与谐波电能计量谐波与谐波电能计量谐谐波波是是一一个个周周期期电电气气量量的的正正弦弦波波分分量量，其其频频率率为为基基波频率的整数倍。波频率的整数倍。 间间谐谐波波 在在一一定定的的供供电电条条件件下下，有有些些用用电电负负荷荷会会出出现现非非工工业业频频率率整整数数倍倍的的周周期期性性电电流流波波动动。为为了了延延续续谐谐波波概概念念，又又不不失失其其一一般般性性，根根据据该该电电流流周周期期分分解解出出的的傅傅立立叶叶级级数
37、数得得出出的的不不是是基基波波整整数数倍倍频频率率的的分分量量，称称为为分分 数数 谐谐 波波 （ fraction-harmonics） ， 或或 称称 为为 间间 谐谐 波波（inter-harmonics）。）。次次谐谐波波 频频率率低低于于工工频频的的间间谐谐波波又又称称为为次次谐谐波波（sub-harmonics）。）。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐谐波波与与暂暂态态现现象象 暂暂态态过过程程的的实实测测波波形形是是一一个个带带有有明明显显高高频频分分量量的的畸畸变变波波形形。尽尽管管暂暂态态过过程程含含有有高高频频分分量量，暂暂态态和和谐谐波波却却是是两两
38、个个完完全全不不同同的的现现象象，它它们们的的分分析方法也是不同的。析方法也是不同的。在在许许多多电电能能质质量量问问题题中中，常常把把暂暂态态现现象象误误认认为为是是波波形畸变。形畸变。电电力力系系统统仅仅在在受受到到突突然然扰扰动动之之后后，其其暂暂态态波波形形才才呈呈现现出出高高频频特特性性，但但这这些些高高频频分分量量并并不不是是谐谐波波，与与系系统统的基波频率无关。的基波频率无关。 滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐谐波波按按其其定定义义是是在在稳稳态态情情况况下下出出现现的的，并并且且其其频频率率是基波频率的整数倍。是基波频率的整数倍。产产生生谐谐波波的的畸畸变
39、变波波形形是是连连续续的的，或或至至少少持持续续几几秒秒钟钟，而暂态现象通常在几个周期后就消失了。而暂态现象通常在几个周期后就消失了。暂暂态态常常伴伴随随着着系系统统的的变变化化，例例如如投投切切电电容容器器组组等等，而谐波则与负荷的连续运行有关。而谐波则与负荷的连续运行有关。某某些些情情况况下下也也存存在在两两者者难难以以区区分分的的情情形形，例例如如变变压压器器投投入入时时的的情情形形，这这种种投投入入引引起起的的暂暂态态现现象象，波波形形畸畸变可持续数秒，并可能引起系统振荡。变可持续数秒，并可能引起系统振荡。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响短短时时间间谐谐波波 对对于
40、于短短时时间间的的冲冲击击电电流流，例例如如变变压压器器空空载载合合闸闸的的励励磁磁涌涌流流，按按周周期期函函数数分分解解将将包包含含短短时时间间的的谐谐波波和和间间谐谐波波电电流流，称称为为短短时时间间的的谐谐波波电电流流或或快快速速变变化化谐谐波波电电流流，应应将将其其与与电电力力系系统统稳稳态态和和准准稳稳态态谐谐波波区分开来。区分开来。陷陷 波波 换换流流装装置置在在换换相相时时，会会导导致致电电压压波波形形出出现现陷陷波波或或称称换换相相缺缺口口。这这种种畸畸变变虽虽然然也也是是周周期期性性的的，但但不属于谐波范畴。不属于谐波范畴。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响
41、电力系统主要谐波源电力系统主要谐波源 （1）铁铁磁磁饱饱和和型型。如如变变压压器器、电电抗抗器器等等铁铁磁磁饱饱和和特性呈现非线性的各种铁心设备。特性呈现非线性的各种铁心设备。（2）电电子子开开关关型型。各各种种交交直直流流换换流流装装置置（如如整整流流器器，逆逆变变器器等等）、双双向向晶晶闸闸可可控控开开关关、整整流流阀阀、逆逆变变阀阀等等设设备备在在化化工工、冶冶金金、电电气气铁铁道道以以及及家家用用电电器器中中的的广泛使用，其开关切合和换向特性具有非线性。广泛使用，其开关切合和换向特性具有非线性。（3）电电弧弧型型。各各种种炼炼钢钢电电弧弧炉炉在在高高温温熔熔化化期期间间，交交流流电电弧
42、弧焊焊机机在在高高温温焊焊接接期期间间，电电弧弧的的点点燃燃和和剧剧烈烈变变动动形形成成的的高高度度非非线线性性，将将导导致致电电流流不不规规则则地地波波动动。这这种种非非线线性性导导致致电电弧弧电电压压与与电电弧弧电电流流之之间间产产生生不不规规则则的的随机变化。随机变化。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波的危害谐波的危害 （1）谐谐波波使使公公用用电电网网中中的的元元件件产产生生附附加加的的谐谐波波损损耗，降低发电、输电及用电设备的效率。耗，降低发电、输电及用电设备的效率。（2）大大量量的的三三次次谐谐波波流流过过中中性性线线时时将将使使线线路路过过热热甚至发生火灾。
43、甚至发生火灾。（3）谐谐波波影影响响各各种种电电气气设设备备的的正正常常工工作作。谐谐波波对对电电机机的的影影响响除除引引起起附附加加损损耗耗外外，还还会会产产生生机机械械振振动动、噪噪声声和和过过电电压压。谐谐波波使使变变压压器器局局部部过过热热，使使电电容容器器、电电缆缆等等设设备备产产生生过过热热和和绝绝缘缘老老化化，寿寿命命缩缩短短，加加速速损损坏。坏。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波的危害谐波的危害 （4）谐谐波波会会引引起起公公用用电电网网中中局局部部的的并并联联谐谐振振和和串串联谐振，从而使谐波放大，引发严重事故。联谐振，从而使谐波放大，引发严重事故。（5
44、）谐波会导致继电保护和自动装置误动作。）谐波会导致继电保护和自动装置误动作。（7）谐谐波波对对临临近近的的通通信信系系统统产产生生干干扰扰，轻轻则则产产生生噪噪声声，降降低低通通信信质质量量；重重则则导导致致信信息息丢丢失失，使使通通信信系系统无法正常工作。统无法正常工作。（6）谐波造成电气测量仪表计量不准确。）谐波造成电气测量仪表计量不准确。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波对电能计量的影响谐波对电能计量的影响滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波对感应式电能表的影响机理谐波对感应式电能表的影响机理感感应应式式电电能能表表只只在在工工频频附附近近很很窄
45、窄的的频频率率范范围围且且电电压压、电电流流为为正正弦弦波波条条件件下下才才能能保保证证最最佳佳的的工工作作性性能能。当当系系统统中中电电压压、电电流流波波形形因因各各种种原原因因偏偏离离正正弦弦产产生生畸畸变变时时，感应式电能表的测量准确度将下降。主要原因如下：感应式电能表的测量准确度将下降。主要原因如下：(1)转转盘盘并并非非一一个个纯纯电电阻阻，其其中中有有感感抗抗分分量量, 当当频频率率升升高高时时，转转盘盘的的等等效效阻阻抗抗及及其其阻阻抗抗角角随随频频率率的的升升高高而而增增大大，使使电电能能表表的的转转速速变变慢慢，从从而而使使得得有有高高次次谐谐波波时电能计量结果不准确。时电能
46、计量结果不准确。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波对感应式电能表的影响机理谐波对感应式电能表的影响机理(2)有有高高次次谐谐波波时时，电电流流线线圈圈磁磁通通量量随随着着频频率率的的增增加加而而减减小小，导导致致驱驱动动力力矩矩减减小小，使使电电能能表表转转速速变变慢慢，产产生生负负误误差差；电电压压线线圈圈磁磁通通量量随随着着频频率率的的增增加加而而减减小小, 使驱动力矩减小，电能表的误差向负方向变化。使驱动力矩减小，电能表的误差向负方向变化。(3)负负荷荷的的补补偿偿力力矩矩与与频频率率成成反反比比，当当频频率率升升高高时时, 补补偿偿力力矩矩减减小小，使使电电能能表
47、表产产生生误误差差，并并且且这这种种影影响响的的大大小小随随着着负负载载大大小小的的不不同同而而不不同同，负负载载电电流流越越小小影影响响越大。越大。(4)当当存存在在谐谐波波电电压压与与谐谐波波电电流流时时，由由谐谐波波和和基基波波叠叠加加而而成成的的电电压压、电电流流波波形形发发生生畸畸变变，但但由由于于对对应应铁铁芯导磁率的非线性，磁通并不能相应的成线性变化。芯导磁率的非线性，磁通并不能相应的成线性变化。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波对感应式电能表计量性能的影响谐波对感应式电能表计量性能的影响(1)谐谐波波对对感感应应式式电电能能表表的的影影响响较较大大，但但3
48、次次及及其其倍倍数数次次谐谐波波对对三三相相三三线线式式表表是是基基本本没没有有影影响响的的，对对三三相相四四线线式式表表的的影影响响仍仍然然存存在在，这这是是由由于于此此种种谐谐波波具具有有零零序特性所造成的。序特性所造成的。(2)感感应应式式电电能能表表会会将将谐谐波波电电量量计计入入总总电电量量，但但它它计计入入的的只只是是部部分分谐谐波波电电量量，也也就就是是说说当当有有谐谐波波存存在在时时，谐谐波波会会使使得得计计量量结结果果产产生生误误差差，而而不不是是此此种种电电能能表表完完全计量出基波和谐波电量。全计量出基波和谐波电量。(3)谐谐波波的的频频率率不不同同，以以及及各各频频率率谐
49、谐波波的的功功率率方方向向的的不不同同都都会会对对电电能能计计造造成成不不同同的的影影响响。尤尤其其对对于于感感应应式电能表式电能表，谐波频率越高谐波频率越高，使得电能计量误差就越大。使得电能计量误差就越大。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波对感应式电能表计量性能的影响谐波对感应式电能表计量性能的影响(4)针针对对实实际际电电力力系系统统，在在电电能能计计量量中中还还存存在在如如下下的问题的问题：当当负负载载为为线线性性时时，谐谐波波与与基基波波潮潮流流主主要要是是由由系系统统注注入入线线性性负负载载，电电能能表表计计量量的的是是基基波波电电能能和和部部分分谐谐波波电电能
50、能，计计量量值值大大于于基基波波电电能能，使使得得用用户户不不但但多多交交电电费费而而且受到谐波的损害。且受到谐波的损害。当当用用户户为为非非线线性性负负载载时时，用用户户向向系系统统输输入入谐谐波波电电量量，电电能能表表测测得得的的是是基基波波电电量量扣扣除除部部分分谐谐波波电电量量，计计量量值值小小于于基基波波电电能能，所所以以非非线线形形用用户户不不但但少少交交了了电电费费而而且且还污染了电网。还污染了电网。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响感感应式式电能表的能表的频率响率响应曲曲线滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电子式电能表的频率响应曲线电子式电能
51、表的频率响应曲线滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波对电子式电能表计量性能的影响谐波对电子式电能表计量性能的影响电电子子式式电电能能表表的的频频响响特特性性曲曲线线相相对对平平坦坦, 可可近近似似认认为为没没有有衰衰减减, 呈呈宽宽带带响响应应的的特特性性, 电电子子表表的的带带宽宽主主要要受受其互感器频带和乘法器时钟频率限制。其互感器频带和乘法器时钟频率限制。滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐波分析方法谐波分析方法(1)FFT(2)小波变换小波变换滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响谐
52、波电能计量原理框图谐波电能计量原理框图 谐波电能计量方法谐波电能计量方法滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响基于基于DFT分析的电能计量原理图分析的电能计量原理图滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响基于小波包变换的谐波电能计量框图基于小波包变换的谐波电能计量框图滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电压通道调理电路电压通道调理电路滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响电流通道调理电路电流通道调理电路滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响计量模块采样单元电路图计量模块采样单元电路图滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响三相多功能三相多功能谐波波电能表能表滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响三相多功能三相多功能谐波波电能表能表滕召胜：电能计量与谐波影响滕召胜：电能计量与谐波影响多谢光临！多谢光临！敬请指导！敬请指导！
