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摘要 畸变信号条件下电网功率潮流分析与 电能计量新方法研究 摘要 随着电网中非线性负载的迅速增加，电能质量日趋恶化，这不仅严重影响 电网安全高效的运行，而且对经典的电能计量理论、方法和仪表的设计都提出 了新的挑战。现代电网中，除了稳态的基波和谐波信号之外，信号还呈现出准 周期、时变、非稳态的复杂特性，进而引发了复杂电网功率潮流的变化，深刻 地暴露了现有电能计量方式的不合理性。在谐波条件下，根据谐波功率潮流方 向，谐波源用户发出谐波功率而使电能计量减少，非谐波用户吸收谐波功率而 使电能计量增加，因此传统的计量方式存在着严重的不合理性。在分析了稳态 谐波源信号的功率潮流特点后，国内外许多学者提出了基波电能表的技术方案， 该方案已经应用n t l e 线性负载电能用户的电能计量中，通过实验取得了一定的 成果。但是基波表对更具普遍性的时变、非平稳信号条件下电能的合理计量并 不适用。因此，在目前电网信号严重畸变的条件下，如何进行电能计量已经成 为电能计量领域的一个难点和热点问题。针对这个问题，本学位论文进行了深 入系统的理论研究和相关的实验研究。 本文首先综述了国内外畸变信号条件下电能计量方法及仪表的研究概况和 电能计量技术的发展及应用，重点研究了畸变信号条件下电能计量存在的问题， 建立了电网典型非稳态畸变信号的数学模型，深入系统地分析了非稳态畸变信 号功率潮流的方向，提出了一种合理计量电能的新方法，并将小波分频带测量 方法用于非稳态畸变信号条件下功率的分解测量，在理论上实现了畸变功率的 准确测量。其次，对电网典型畸变信号进行了仿真实验，给出了仿真结果。再 次，设计了模拟电网信号源及畸变信号条件下电能计量实验装置，对模拟的电 网典型畸变信号进行了实验测试。仿真及实验结果验证了所提方法的正确性。 最后，针对目前电能计量仪表存在的问题，提出了研制满足冲击信号等非稳态 畸变信号暂态电能计量需要的宽频带、高过载能力的电能表的技术方案。 关键词畸变信号：电网功率；潮流分析；电能计量；小波分析 兰玺鎏垩三奎兰三竺堡圭竺竺兰兰 e l e c t r i c a ln e t w o r kp o w e rf l o w a n a l y s i sa n di 己e s e a r c ho nn e w m e a s u i u n gm e t h o d so fe l e c t r i c e n e r g yo nt h ec o n d i t i o no f d i s t o r t e ds i g n a l s a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i di n c r e a s eo fn o n - l i n e a rl o a d si nt h ee l e c t r i c a ln e t w o r k , t h e e l e c t r i ce n e r g yq u a l i t yb e c o m w o r s ea n dw o r s e ，w h i c hn o to n l ys e r i o u s l ya f f e c t s t h ee f f e c t i v e n e s sa n ds a f er u n n i n go ft h ee l e c t r i c a ln e t w o r k , b u ta l s op r o p o s e san e w c h a l l e n g et ot h ec l a s s i cm e a s u r e m e n tt h e o r y0 1 1 e l e c t r i ce n e r g y ，i t sm e t h o da n dt h e i n s t r u m e n td e s i g n i nm o d e me l e c t r i c a ln e t w o r k , b e s i d e ss t a b l es t a t ef u n d a m e n t a l c o m p o n e n ta n dh a r m o n i cs i g n a l s ，t h e r e a r et h es i g n a l sw i t hq u a s i - p e r i o d i c ， t i m e - v a r i a b l ea n dt h en o n - s t a b l es t a t ec o m p l e xc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c hb a sc a u s e d c o m p l e xp o w e rf l o wc h a n g ei nt h ee l e c t r i c a ln e t w o r k , a n de x p o s e ds e r i o u su n f a i m e s s i nt h ee x i s t i n gn l e a s u 删n e n tm e t h o d u n d e rt h eh a r m o n i cc o n d i t i o n , a e e o r a i n gt o p o w e rf l o wd i r e c t i o no ft h eh a r m o n i e s ，t h eh a r m o n i cs o u i _ c eu s e i s e n d so u tt h e h a r m o n i cp o w e r ，c a u s i n gt h ed e c r e a s eo ft h ee l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n t , a n dt h e u n - h a r m o n i eu s e ra b s o r b sh a r m o n i cp o w e r , w h i c hm a k e st h ee l e c t r i ce n e r g y m e a s t l r c m e n ti n c r e a s e t h e r e f o r e ，t h et r a d i t i o n a lm e a s u t e m e l l tm e t h o dh a s c a u s e dt h e s e r i o u su n f a i rp r o b l e m s a f t e ra n a l y z i n gt h ep o w e rf l o wc h a r a c t e r i s t i c so f s t a b l es t a t e h a r m o n i cs o u i c es i g n a l s ，m a n ys c h o l a r si nt h ew o r l dp r o p o s e dt h et e c h n i c a lp l a no f e l e c t r i c e n e r g y m e t e r t e s t i n g f u n d a m e n t a l w a v e ，w h i c h h a s a l r e a d y b e e n e x p e r i m e n t a u ya p p l i e dt ot h en o n - l i n e a rl o a d so fu s i n ge l e c t r i ce n e r g yi nt h ee l e c t r i c e n e r g ym e a s u r e m e n t , a n dh a sc a u s e dc e r t a i nr e s u l t b u tt h ef u n d a m e n t a lw a v em e t e r i sn o ts u i t a b l ef o r t h ee l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n to ft h et i m e - v a r i a b l ea n d n o n - s t e a d ys i g n a l sw h i c ha r em o r eu n i v e r s a lc a s e s o nt h ec o n d i t i o no fs e r i o u s d i s t o r t i o no ft h ee l e c t r i c a ln e t w o r ks i g n a la tp r e s e n t , h o wt oe a r l yo nt h ee l e e l r i e e n e r g ym c a s u r c n l e n th a sa l r e a d yb e c o m ead i f f i c u l t ya n dt h eh o tt o p i ci nt h ed o m a i n o fe l e c t r i ce n e r g ym e a s u “釉蹦t i nv i e wo ft h i sq u e s t i o n , t h i sd i s s e r t a t i o nh a s c o n d u c t e dt h et h o r o u g ha n ds y s t e m a t i ct h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dt h ec o r r e l a t i v e a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d y h t h i sd i s s e r t a t i o n , f i r s t l y d o m e s t i ca n do v e r s e a sm e a s u r i n gm e t h o d so fe l e c t r i c e n e r g ya n dt h er e s e a r c hs t a t u so fm e t e ro nt h ec o n d i t i o no fs t e a d yd i s t o r t e ds i g n a l s a n dt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fe l e c t r i ce n e r g ym e a s u r i n gt e c h n i q u e sh a v e b e e no v e r v i e w e d o nt h ec o n d i t i o no fd i s t o r t e ds i g n a l st h ep r o b l e m se x i s t e di n e l e c t r i ce n e r g ym e a s u r e m e n th a v eb e e nf o c u s e do n am a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt y p i c a l u n s t e a d yd i s t o r t e ds i g n a l so ft h ee l e c t r i c a ln e t w o r kh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n dp o w e r f l o w sf o r u n s t e a d y d i s t o r t e d s i g n a l s h a v e b e e n a n a l y z e dt h o r o u g h l y a n d s y s t e m a t i c a l l y ar a t i o n a lm e a s u r i n gm e t h o do fe l e c t r i ce n e r g yf o rd i s t o r t e ds i g n a l s h a sb e e np r o p o s e da n dt h es u b - b a n dm e a s u r i n gm e t h o db a s e do nw a v e l e t sh a sb e e n e m p l o y e df o rd e c o m p o s e dm e a s u r e m e n to fe l e c t r i ce n e r g yo nt h ec o n d r i o no f u n s t e a d yd i s t o r t e ds i g n a l s ，a n dt h u sr e a l i z e di nt h e o r yt h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to f p o w e ro ft h ed i s t o r t e ds i g n a l s s e c o n d l y , t y p i c a ld i s t o r t e ds i g n a l si nt h ee l e c t r i c a l n e t w o r kh a sb e e nt e s t e db yc o m p u t e rs i m u l a t i o na n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v eb e e n g i v e ni nt h ed i s s e r t a t i o n t h i r d l y , t h et h e s i sd e s i g n e ds i m u l a t i v es i g n a lr e s o n r c e so f t h ee l e c t r i c a ln e t w o r ka n de x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fm e a s u r i n ge n e r g yo nt h e c o n d r i o no f d i s t o r t e ds i g n a l s ，a n dt e s t e dt h et y p i c a ld i s t o r t e ds i g n a l si nt h es i m u l a t e d e l e c t r i c a ln e t w o r k t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h er i g h t n e s so f t h e t h e o r yp r e s e n t e di nt h et h e s i s f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m se x i s t i n gi ne l e c t r i c e n e r g ym e t e r , t h et e c h n o l o g ys c h e m eo f d e s i g n i n gae l e c t r i ce n e r g ym e t e rw h i c hh a s 谢d e b a n da n dh i g ho v e r l o a d sc a p a b i l i t yf o rm e a s u r i n g t r a n s i e n te n e r g yo fu n s t e a d y d i s t o r t e ds i g n a l ss u c ha si m p u l s es i g n a l s ，i sa l s op r e s e n t e d k e y w o r d s d i s t o r t e ds i g n a l s ，e l e c t r i c a ln e t w o r kp o w e r , f l o wa n a l y s i s ，e l e c t r i ce n e r g y m e a s u r e m e n t , w a v e l e ta n a l y s i s 哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文畸变信号条件下电网功率潮 流分析与电能计量新方法研究是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读 博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 泪f 日 哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书 畸变信号条件下电网功率潮流分析与电能计量新方法研究系本人在哈 尔滨理工大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的 研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈 尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的 全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密l k ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名。，、咨吠屿日期：山叼年j d 月f 日 导师签名： 日期：。棚年弘月f 日 务 寸 3 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 随着经济的高速发展，电能已经成为最重要的能源之一。作为国民经济支 柱产业的电力工业，在发电、输电和用电方面均需要对电能进行准确合理的计 量，这关系到电力用户和电力企业的经济利益及交易的公平性。 目前，用于电力系统电能计量的各种仪表数以亿计，但绝大多数电能计量 仪表的设计原理都是基于正弦周期电压、电流信号的假设，其理论基础是正弦 电路功率理论，只有极少量高档电能计量仪表的设计原理基于非正弦周期电压、 电流信号的假设，其理论基础为传统的非正弦电路功率理论。但是在现代电力 系统中，电气化铁路和电解工厂的大功率硅整流设备、炼钢交直流电弧炉和电 石炉、交流逆变器、大功率电力拖动设备以及电机变频调速装置等广泛应用， 使工业非线性负载迅速增加。这些负载的运行，导致电网电能质量日趋劣化， 信号波形严重畸变，使电网信号具有谐波、问谐波、电压与电流剧变等复杂特 性，直接影响着电能计量的准确性与合理性，使基于正弦电路功率理论或传统 非正弦电路功率理论设计的电能计量仪表，均不能真实反映负载从电力系统吸 收的电能，更不能准确合理地计量电能。 国内外已有的电能计量仪表带宽有限、量限低、响应速度较慢，不能准确 计量或不能计量冲击信号等非稳态畸交信号的功率、电能。例如，电动机的启 动、电阻性负载的冷投入等都要产生5 一1 0 倍甚至更大的冲击电流，启动电流 在短时间内将产生巨大的启动功率( 俗称暂态功率) 。这个巨大的“暂态功率” 是由电网提供的，电力部门理所当然地要计量、要收费，但是就目前的测量水 平( 毫秒级的大功率) ，根本无法记录到该时段的功率，电力部门只能眼睁睁 地看到本应计量的电量白白地流失。在冲击负荷严重的企业( 轧钢、电气机车 等) ，丢失的电量更为严重。实践证明：电气化铁路，实际计量的电量比电气 机车理论消耗的电量要少1 0 - - 3 0 1 1 1 ；在可控硅供电的某轧钢厂，短短的1 6 天时间内由不同型号的两块电表总计量的电能值竞相差3 2 1 2 1 。由此可见，不 解决冲击信号等非稳态畸变信号条件下电能准确计量的问题，电能准确计量便 无从谈起，电力企业的经济利益将受到严重影响。 对不同特性的负载进行电能计量时，目前的计量方法存在着不合理的问题。 例如在谐波条件下，按传统的计量方式，线性负载用户不仅要支付基波电能的 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 费用，还要负担对其毫无意义而且有害的、被迫吸收的谐波电能的费用；而非 线性负载则相反，它向供电系统注入谐波，污染电网，但却少负担由其注入的 谐波电能的费用。从效果上看，这种电能计量方式起到了鼓励用户向系统注入 谐波的作用，显然对提高电网电能质量极为不利。比较合理的办法之一是对基 波电能和谐波电能分别计量并判断谐波功率潮流方向，对注入系统的谐波电能 执行惩罚性电费，而对被迫吸收的谐波电能执行补偿性电费，通过经济手段促 使非线性负载用户采取措施减少注入系统的谐波量，从而提高系统的电能质量。 现在这种计量方式的电子式电能表( 谐波表) 已经达到了很高的准确度。但谐 波表并不能解决冲击信号等非稳态畸变信号条件下电能的合理计量问题。 在当前电网信号严重畸变的现状下，如何准确合理地计量功率、电能已经 成为电气测量技术及仪器仪表研究领域急需解决的问题。解决这个问题，既需 要能真实反映非线性负载电能消耗及合理计量的电功率新理论，又需要根据新 理论来研究工程上切实可行的硬件电路和算法。 研究和完善畸变信号条件下功率、电能计量的理论，既是电路理论中一个 重要的基础性研究课题，也是解决现代电力系统中功率、电能测量问题的理论 基础。本文对畸变信号条件下电能准确合理计量的问题进行了系统深入的研究， 建立了电网典型非稳态畸变信号的数学模型，分析了非稳态畸变信号条件下功 率的潮流方向，提出了一种合理计量电能的新方法。同时，针对目前电能计量 仪表存在的问题，提出了研制满足冲击信号等畸变信号暂态电能计量需要的抗 冲击电能表的技术方案。该研究将促使电功率的测量理论更加完善，为电能计 量技术的发展提供理论依据，为研发适用范围更广、计量更合理的电能表提供 基础的数据和技术先导。因此，该研究成果不仅具有理论意义，而且在电力网 功率、电能测量等领域具有现实意义和应用前景。 1 2 国内外畸变信号条件下电能计量方法及仪表的研究概况 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题可分为稳态和非稳态( 暂态) 两 类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，包括谐波、间谐波、电压波动和闪 变等；暂态电能质量问题以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉冲暂态和振 荡暂态。脉冲暂态主要指瞬时脉冲或突变，振荡暂态包括断电、电压下跌、电 压上升、电压切痕等。i e e e 第2 2 标准统筹委员会( 电能质量) 对以上术语均 有明确的表述f 3 j 。其中，对电能计量产生影响的主要因素是谐波、间谐波、瞬时 脉冲、电压上升及电压下跌。 第1 章绪论 1 2 1 稳态畸变信号条件下电能计量方法及仪表的研究概况 电能表出现和发展已有1 0 0 多年的历史，由于感应式电能表具有结构简单、 操作安全、价格低廉、坚固耐用、准确度较高，便于批量生产且使用维修方便 等一系列优点，一直是供用电部门首选的电能计量仪表。 随着电子技术、电子元件的发展及电力市场对电能计量、运营管理需求的 不断提高，出现了各种用途的机电式电能表”，如脉冲电能表、复费率电能表 和预付费电能表等。这些电能表沿用了感应式电能表的测量机构，其数据处理 机构则由电子电路和计算机控制系统实现。这些电能表基本解决了自动抄表、 收费等问题。机电式电能表与感应式电能表一样准确度再提高很困难，而且频 率范围也很窄。 到2 0 世纪7 0 年代，由于微电子技术的迅猛发展，微机技术的应用得到普 及，电能计量芯片可实现批量生产，瑞士诞生了一种全新的电能表一电子式电 能表。它不再使用感应式测量机构而由乘法器完成对电功率的测量。电子式电 能表准确度高、稳定性好、可高倍过载和容易实现远距离集中抄表等特点己被 电力企业和用户广泛认可与接受。2 0 世纪8 0 年代中后期，在工业发达国家相继 出现了一批准确度高、寿命长、可靠性高、适合现场使用的电子式电能表 6 1 a l ， 其中一些可在很宽的电压、电流和频率范围内使用。我国从2 0 世纪9 0 年代初 开始研制电子式电能表，经过引进、消化和吸收国外先进技术和经验，电子式 电能表的研制与生产已开始进入创新和符合国情的快速发展阶段。近2 0 年来， 电子式电能表发展很快，产品不断更新换代，准确度等级等性能指标不断提高。 随着经济的快速发展，非线性负载日益增多，这些负载的运行，使供电系 统中谐波电压和电流成分不断增加，导致电压、电流波形发生较大的畸变。电 网中的谐波不仅影响电网的安全可靠运行，引起电气、电子控制装置失灵，配 电线路的传输效率下降，损耗增大，干扰电力载波通讯系统，而且使功率、电 能计量装置的误差急剧增大并产生不合理性【9 l 1 0 l ，不利于电网的商业化运营。 首先，谐波影响电能表的准确度。感应式电能表是在工频附近很窄的频带 范围内设计的，只能计量基波电能和一定频率范围内的谐波电能，随着高次谐 波的增加，频响特性曲线衰减愈加严重，到9 次谐波时已衰减掉8 0 以上i l ”， 因此感应式电能表不能准确反映谐波的总电能，计量总电能有较大的误差。电 子式电能表的频响特性曲线则相对平坦，可近似认为没有衰减，这表明电子式 电能表具有较宽的频率响应范围。当电网电压和电流都发生畸变时，可以较准 确地测量基波和谐波的功率，因此仍能较准确地计量被测的总电能。 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 其次，由于国内目前采用全能量的计量方式( 即基波和谐波的综合功率) ， 使谐波下的电能计量存在着不合理性。根据谐波功率潮流方向，由于谐波源用 户发出谐波功率而使电能计量减少，而非谐波用户吸收谐波功率而使电能计量 增加，虽然计量误差不会太大，但随着总负载的增大，这种影响是很明显的【1 2 】， 按此进行电能计量收费显然是不合理的。电子式电能表虽然可以准确测量非正 弦系统中的谐波功率和电能，但由于计量的是基波电能和谐波电能的总和，因 而计量的不合理性要大于感应式电能表。 1 9 9 6 年，美国f l o r i d a 电气工程系的a d o m i j a n j r ，e e m b r i z - s a n t a n d c r 和 f l o r i d a 电力公司的c w w i l l i a m s 一道用实验研究了市场上广泛使用的电能表在 畸变波形下的计量准确度【1 3 l 。这项研究所用电能表包括了模拟乘法器型、数字 乘法器型和感应式三种类型。研究结果是令人吃惊的：在电流畸变率i r d h 8 0 ， 电压畸变率玢撕 2 时，这三种类型电能表的误差最大可达1 0 0 9 。据国内 资料报道【1 4 】；仅在兰州电网非线性负荷的电能计量中，目前使用感应式电能表 少计量电能约在0 3 一1 0 0 , 6 左右，按估计值0 5 计算，每年将少计量电量 2 0 g w h ，约合人民币6 0 0 万元。初步估算全国每年将少计量电量1 2 5 g k w h ， 相当于人民币3 7 5 亿元。另据国内文献报道1 1 5 】：某一非线性用户，谐波负荷总 和为0 0 8 8 m w ，基波负荷为1 1 4 8 1 m w ，谐波负荷总和占基波负荷的0 7 6 8 ， 按一年7 2 0 0 小时计算，基波电能为8 2 6 6 g w h ，谐波电能为6 3 3 6 m w h ，按该 地区0 4 4 8 元k w h 电价计算，在现有电能计量方式下，此用户一年内就要向 电力部门少交电费2 8 3 9 万元，全能量计量方式的不合理性显而易见。 如何准确合理地计量谐波条件下的电能成为众多专家学者研究的课题。2 0 世纪8 0 年代后期，国内外开始出现大量关于谐波条件下电能准确合理计量方式 及仪表的研究成果【1 6 1 - “。这些成果主要包括两个方面的内容：谐波对传统电能 计量方法及仪表准确性影响的研究及改进措施和谐波条件下电能合理计量方式 及仪表的研究。1 9 8 9 年，意大利d ib a r i 大学ga n d r i a 提出了一种加窗函数法 用于改善电能测量的准确度 2 5 1 。加窗函数法是改善电量测量准确度的有效手段， 但运算时间较长。与加窗函数法研究的同时，意大利的f f i l i c o r i 教授提出了随 机非同步采样方法嘲( 简称r a s s ) ，旨在将数字采样测量方法应用于开关电源 变频器等功率测量场合。1 9 9 6 年，哈尔滨工业大学的张建秋，赵新民和洪文学 教授提出一个模型化的测量方法，在对待测畸变瞬时功率信号建立一个参数化 模型的基础上，证明了畸变电功率可由其瞬时功率信号采样值的加权平均准确 获得，并推导出由采样值求权参数的理论公式1 2 ”。此方法的优点是允许畸变的 瞬时功率信号含有电网频率的非整数次谐波，缺点是处理过程比较复杂。1 9 9 9 第1 章绪论 年，湖南大学周军，李孝文等将双速率同步采样法用于谐波测量，导出相应的 d f t 计算模型。与单速率采样法相比，该算法具有更高的准确度嗍。2 0 0 0 年， 华北电力大学文俊、涂大石对负载与谐波及电能计量问题进行了深入的研究并 指出电能计量存在着准确性与合理性之间的矛盾，提出了一种合理收费的数学 模型f 2 9 l 。2 0 0 2 年，清华大学赵伟教授等对谐波条件下感应式电能表计量误差进 行了深入的分析，提出对感应系电能表进行改装p o l ，使其只计量基波电能量以 适应现代电能管理对电能计量高准确度及合理性的要求。同年，由甘肃省兰州 供电局和中国电力科学研究院共同完成的电网谐波对电能计量影响的实验研 究科研课题通过了专家鉴定1 3 “。总的来讲，这些研究成果基本上解决了谐波 条件下电能准确合理计量的问题。谐波条件下电能合理计量方式概括为： 1 基波表在电能的计量上是合理的，也较易实现。它只准确反映基波分量 电能，而完全不反映谐波分量电能。对于被迫从电网吸收谐波的线性用户，基 波表会比普通电表少计吸收的谐波电能；对于产生谐波电能并往电网馈送的非 线性用户，它可以比普通电表多计反送给电网的谐波电能。 + 二 2 纯粹的基波表无法判断谐波潮流方向，不能正确地计量正向或反向的谐 波电能，不能提供各种谐波电压、电流含有率和总畸变率等数据。将基波表与 计量谐波的普通电子式电能表并列运行，相互参照可以解决基波电能计量、谐 波电能计量及谐波电能方向的问题。在实际使用中采用与基波表同一系列、同 一准确度等级的电子式电能表作为比对电表更为合适。该方案计费合理，还使 非线性用户在经济上承担了对谐波这一公害的责任，但实施较难，且成本较高。 因此，这种方式仅适用于大中型电力用户和目前谐波污染较严重的供电系统， 而不适用于一般用户。 3 谐波表是谐波条件下电能合理计量的专用仪表，它能准确计量基波电能 及谐波电能并判断谐波潮流方向。 我国己研制出基波表和谐波表。基波表的实现方法常采用在全电子式电能 表表芯前加高阶低通滤波器实现基波计量。如湖北电力试验研究所研制开发的 f e e 3 型基波电能表口“，其主要功能是利用低通滤波器实时衰减畸变信号功率中 的谐波功率，只计其中的基波功率，从而使电能计量更趋合理。该表曾获国家 专利并通过技术鉴定，谐波影响o 3 。谐波表一般采用全数字处理技术设计， 如威胜公司最新开发的o 2 级谐波表d t s d 3 4 1 d s s d 3 3 1 9 1 3 3 l ，它采用实时积分 算法计算电能，同时通过f f t 算法提供基波电能、谐波电能。通过谐波电能的 方向可以区分用户是谐波源用户还是非谐波源用户，因此该表可为电力管理部 门对用户用电管理的奖罚提供依据。清华大学与河南新乡电业局联合研制的微 啥尔滨理工大学工学博士学位论文 机化采样式电能表p j ，可同时测量基波电能和总电能，据此判断用户是线性还 是非线性的以及谐波水平，其准确度为0 2 。由于谐波、基波分别计量的收费 政策和考核办法还未形成，因此基波表、谐波表还没有被推向市场。而基波表、 谐波表并不能解决冲击信号等非稳态畸变信号条件下电能合理计量的问题。 1 2 2 非稳态畸变信号条件下电能计量方法及仪表的研究概况 现代科学技术的飞速发展，高电压、大容量的冲击性或波动性设备，如电 弧炉、轧钢机、电焊机、粉碎机、电力牵引机、电气化铁路、地铁机车等广泛 应用，使电网信号严重畸变，不仅谐波和间谐波的严重性正在增加，而且出现 了新的电能质量问题，如持续时间为毫秒级的动态电压升高，脉冲、电压下跌 等。 这一问题引起了一些专家、学者的广泛关注。2 0 0 1 年，由东北电力局在大 连举办的全国电能计量研讨会上，我国广东、浙江和山东等经济发达地区的代 表指出：经济越发达的地区电网畸变越严重，畸变导致电能计量中电量大量丢 失，国外发达国家如此，国内经济发达地区也是如此。贵州、甘肃和辽宁等电 气化铁路较集中地区的电力部门代表同样指出电气化铁路导致相关的电网畸变 严重、电能计量不准确、不合理问题必须引起足够的重视，他们迫切提出并呼 吁解决电网信号严重畸变情况下功率电能的测量等问题。2 0 0 3 年，华北电力科 学研究院谭志强，彭楚宁高级工程师设计了一套实验方案，定量地研究了冲击 负载对电能计量的影响并指出冲击负载对不同原理电能计量表计都有影响且影 响的大小各不相同 2 1 。2 0 0 4 年，长沙理工大学粟时平博士、王长城教授等在分 析电能计量传统理论及算法不足的基础上，提出了适用于冲击负载电能计量的 实用化算法p ”。2 0 0 5 年，武汉大学周莉博士、刘开培教授探讨了暂态情况下电 能计量问题和用户类型对电能转换的影响，同时对有功计费提出了一些建议闱。 非稳态畸变信号条件下电能准确合理计量的问题依赖于一种正确有效的功 率分解测量理论与方法，它能够识别功率的频域分布及各个频率上功率潮流等 现象，实施基波功率、畸变功率的准确测量。近十几年来，畸变波形下功率的 分解测量问题一直是国内外电工界研究的热点，它直接与生产实际和经济利益 紧密联系。国际电工界对畸变波形下功率的分解测量给予极大重视，发表的大 量文章分别从时域和频域等不同角度对非正弦电压、电流和功率进行研究和探 讨。主要包括：研究了功率和电流的时域和频域分解方法，研究了时域无功功 率和谐波电流的测量及补偿方法，研究了时域稳态有功功率测量方法及误差， 第1 章绪论 探索了畸变功率的物理意义等。这些研究工作按其对功率分解测量方法的不同 可分为时域方法、频域方法和时频域方法，主要包括时域瞬时功率电流分解方 法、频域稳态功率电流分解方法和小波变换功率测量方法。 近几年来，一些学者在功率信号的分频带分解、测量方面取得了一定的理 论成果1 3 7 1 - 1 4 ”。其中将小波变换应用于有效值与功率的频域分解和准确测量，为 畸变信号条件下功率测量带来了新的思路。1 9 9 8 年，美国m i s s o u r i 大学w e o n - k i y o o n 博士提出第一代小波变换功率测量方法1 4 6 1 ，2 0 0 0 年，又提出第一代小波变 换的无功功率测量方法【4 1 。之后，日本大阪大学z e n i c h i r ok a w a s a k i 教授提出了 第一代小波包功率测量方法1 4 ”。第一代小波变换功率测量方法的特点是可以将 小波变换的级与功率的各个频带上的值联系起来，从而实现了功率能量分频带 测量。2 0 0 3 年，中国计量学院林志一、陈希武研究了d b 4 0 小波用于功率测量 的方法 4 9 1 ，哈尔滨工业大学王祁教授和沈国锋博士研究了h a a r 小波变换的有效 值测量方法例。2 0 0 6 年，北京化工大学王学伟教授提出了小波变换有效值、有 功功率分频带测量的基本原理与算法唧l 。第一代小波变换功率测量方法通过伸 缩和平移运算对功率信号进行多尺度分解，从理论上讲小波变换的时频窗能够 有效地从功率信号中获取不同时间各频带上的功率值，是分析非稳态功率信号 的一种有效的手段。但此方法的研究正处于初始阶段，还有许多问题尚不清楚 并有待解决，其中包括如下一些主要问题： 1 功率信号的频带分解对所选用的小波函数的频域紧支度要求较高，小波 滤波器整体性能对功率分解产生什么影响( 如频率混叠和能量泄漏) 尚不清楚。 2 目前的功率信号小波分频带分解测量算法在非稳态信号高准确度要求的 实际测量中存在的优缺点尚不是非常明确。 3 依赖于频域傅立叶变换的第一代小波变换运算时间较长，不能解决功率 信号频带分解的实时性问题，因而，需要研究构造不依赖于傅立叶变换的、可 进行数据本位操作的高效功率分解算法。 4 第一代小波变换功率测量算法在d s p 芯片上实际实现的效率问题仍不 清楚。 只有解决了上述问题，才有可能从根本上解决分频带功率( 电压、电流) 准确快速测量的问题。目前功率分解测量的方法还远不能解决现代电力系统中 非稳态功率信号分频带分解测量的新问题，现有的功率分解测量理论与方法远 远不能满足电工领域当前状况和未来发展的需求。 在技术层面上，目前的电能计量仪表带宽有限、量限低、响应速度较慢， 不能满足冲击信号等非稳态畸变信号计量的需要。例如，国外的电能表尤其单 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 相电能表的过载能力都达到规定电流的4 6 倍，高的达l o 一2 0 倍。美国 s a n g a m o 公司的e 4 型单相表过载能力达到了1 0 倍，前苏联电度表的过载能 力最高为l o 倍标定电流。我国浙江一些电能表制造厂和软件公司先后研制出4 倍过载的电能表，但这些宽量限仪表与国外产品仍有很大的差距。但由于非稳 态畸变信号中含有基波、谐波、间谐波等多种不同性质的分量，需要计量的电 能指标很多，而且涉及各种不同性质分量的检测方法，因此算法很复杂。对硬 件系统也有较高要求，不仅需要高性能的数字处理器件如高速d s p 、m c u 等， 还需要高速采样的a d 转换器件。尤其对冲击电流的检测需要研制线性范围很 宽的电流变换器，这也是目前没有电能表制造企业愿意涉足该领域的重要原因 之一。 从目前国内外公开发表的论文来看，非稳态畸变信号条件下电能计量方法 及仪表的研究还处于初始阶段，虽然在功率测量理论及算法等方面进行了卓有 成效的探索，但对技术层面问题的深入分析和研究只有极少量的报道；而非稳 态畸变信号条件下功率潮流分析及电能合理计量的问题尚未得到足够的重视， 这是亟需解决的问题。 1 3 畸变信号条件下电能计量技术的发展及应用 1 3 1 采样法的发展及应用 非正弦波形下功率、电能测量主要采用数字采样测量技术( 简称d s m ) 。 传统的数字采样测量方法属于时域稳态功率测量方法，在功率测量中占有重要 的地位。d s m 建立在数值分析基础上，通过快速s h 放大器和a d 转换器对连 续变化的模拟信号进行离散化，用数字量代替模拟量运算测量正弦、非正弦周 期电压、电流及功率。经过二十多年的深入研究和探索发展，出现了同步采样 算法、准同步采样算法、非同步采样算法、加窗函数法、补偿法、双速率采样 法、非均匀采样法、随机采样法和模拟数字混合采样法等测量方法1 5 2 1 4 s 1 。 1 9 7 4 年，美国n a s ( 国家标准局) r s t u r g e l 博士提出了时域稳态功率测量 的同步采样测量算法1 5 7 j ，1 9 8 4 年，n b s 的g n s t e n b a k k e n 博士提出了非同步采 样算法网，1 9 8 2 年，英国n p l ( 国家物理研究院) c h d i x 教授研究了时域稳 态功率测量算法的误差 5 9 1 ，为解决畸变信号条件下时域稳态功率的测量问题奠 定了基础。1 9 8 9 年，ga n d r i a 等人提出采用数字滤波器的功率测量方法并研究 了时域实现的算法( 6 0 1 。1 9 8 4 年，清华大学戴先中博士提出了准同步采样功率测 - 8 - 量的方法1 6 t l ，并于1 9 9 4 年研究了准同步采样功率测量的误差及应用1 6 2 1 。1 9 9 2 年和1 9 9 9 年，东南大学潘文教授分别提出了数字滤波器功率测量算法1 6 3 1 和准同 步采样的补偿算法 6 4 1 1 9 9 9 年至2 0 0 1 年，北京化工大学王学伟教授分别研究了 a d 特性对非同步采样和准同步采样算法的影响唧1 以及模拟数字混合采样功率 测量方法的误差1 6 6 1 。2 0 世纪9 0 年代末，非均匀采样技术在我国出现，利用非均 匀采样方法测量功率电能的理论研究取得了一定的成果1 6 7 j 。 进入2 0 0 0 年以来，采样测量方法向多元化发展，新方法、改进方法不断出 现。其中有s t o c h a s t i c 采样法1 6 8 1 ，交错低频采样法i 6 9 1 ，自适应窗函数法【7 0 l ，无 s h 采样法【7 l i 等m i 。在最新的发展中，值得重视的是，无功功率的新进展、采用 小波变换的功率测量方法和采用神经网络电量的测量方法。我国在畸变波形下 的无功功率理论研究 7 3 1 1 7 4 1 和无功电流检测j 【”i 方面都进行了有益的尝试，推动 了功率测量技术及无功补偿技术的发展。神经网络以往多用于模式识别，计算 机视觉等领域，由于神经网络具有高度并行处理能力、高度的非线性全局作用、 高度的容错性和联想记忆功能、自适应和自学习能力，近年来，它引起了有关 人员的关注。 总的来讲，采样测量法准确度较高，在功率、电能测量、负荷监控、功率 变送器等许多变电站二次设备中被广泛采用。但传统的采样算法只适合解决整 体频带上的功率测量问题，而且应用该方法的前提为功率是稳态的。该方法不 适合谐波成分变化较大的非稳态功率测量和频域的分频带功率分解测量，不能 按不同的频带分解测量功率值。而现代电力系统的实际情况却要求不仅要给出 全频带的功率测量值，而且还要给出分频带的功率分解测量值，这一点在2 0 0 2 年颁布的国际标准“正弦、非正弦下功率测量的定义”i e e es t d1 4 5 9 2 0 0 0 中已 经明确规定【，5 i 。 1 3 2 傅立叶变换法的发展及应用 在电子式电能表实际测量系统中，大多采用快速傅立叶变换算法i 7 9 1 【