（电工理论与新技术专业论文）电压闪变和暂降对电能计量的影响.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 在电压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。文章在分析了两种电能表的原理和结构的基础上，建立了电子式电能表 的数学模型和感应式电能表的数学模型，并验证了模型的正确性。研究了电压闪变和暂 降对两种电能表准确度的影响和对电能计量的影响，在此基础上推导出电压闪变和暂降 条件下电能计量的表达式，并利用小波变换实现了电压闪变和暂降的电能计量，仿真实 验证明了该方法的正确性。 关键词电压闪变，电能表，畸变功率，计量误差，电压暂降 a b s t r a c t t h ev o l t a g ef l i c k e ra n ds a ge f 诧c to nt h ep o w e re n e r g ym e t e r i n g o nm ec o n d i t i o no fs e n o u sd i s t o n i o no ft h ee l e c t r i c a ln e t w o r ks i 盟a 1a tp r e s e n t ，h o wt o c a n 了o nm ee l e c t r i ce n e 唱ym e a s u r 锄e n th a sa l r e a d yb e c o m ead i 伍c u l t ya n dt h eh o tt o p i ci l l t l l ed o m a i no fe l e c 硒ce n e r g ym e a s u r e m e n t t h em a t h e i l l a t i c a lm o d e l so fe l e c t r d n i ce 1 1 e 玛y m e t e r 孤di n d u c t i o nw a t t - h o u re n e 唱ym e t e ra r ee s t a b l i s h e do nt l l eb a s i so f 孤a l y s i so f p r i n c i p l e s 觚d 南衄o ft w ol 【i n d so fe l l e r g ym e t 舐n ga n dt l l e i rc o r r e c t r i e s sa r ew 秭f i e d t h e n t h et h e o r e t i c a l 锄dt h ep o w e r 鲥df 0 rt h et r e n d 锄a l y s i so ft h ev o l t a g es a ga n df l i c k e rs i 黟a li s s t u d i e d ，b 弱e do nw r h i c he i l e r g ym e t 丽n ge x p r e s s i o ni sd 嘶v e d a n a l y s i ss h o w st h a tt l l e e x i s t i n gw a y o fm e a s u r i n gu n d e rt h ed i s t o r t i o ni su n r e a s o n a b l e ，s 0t h eu s eo fe x 仃a c t i n gd e t a i l s o fm es i 盟a lc h a r a c t e s t i c so fw a v e l e lt r 锄s f o 姗a t i o nc a na c h i e v ear e a s o n a b l em e a s u r e m e n t o fe l e c t r i c a le n e f 阱t 1 1 es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt l l a tm i sm e t h o di sc o n e c t z h a ox i a n ( t h e o r ya n dn e w r e c h n o l o g yo fe 1 e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o l ib a o s h u k e y w o r d s ：v o l t a g en i c k e r ， e l e c t r o n i ce n e r g ym e t e r ，d i s t o r t i o np o w e r ，m e a s u r e m e n t e r r o r ， v o l t a 呈r es a g 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 电压闪变和暂降对电能计量的 影响，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印 或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式 在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 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、输电和用电方而均需要对电能进行准确合理地计量，这关系 到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、间谐波、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变信号的电能。例如，电动机的启动、电阻性负载的冷 态投入等都要产生5 l o 倍甚至更大的冲击电流，起动电流在短时间内将产生巨大的 起动功率( 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自地流失。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 ；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二者竟相差3 2 。由此可见，不解决非稳态 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。 在当前电网信号严重畸变的现状下，如何准确合理地计量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【1 5 1 。 l 华北电力人学硕士学位论文 1 2 国内外研究现况 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。其中，对电能计量 产生影响的主要因素是谐波、问谐波、瞬时脉冲、电压上升及电压下跌。 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，电压波动和闪变、电压暂降等。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提出：经济越发达的地区电 压和电流畸变越严重，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 同样提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 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。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。电压波动和 暂态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。国际电工界对非稳态畸变波形 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，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。 2 华北电力人学硕士学位论文 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0 1 。 1 3 本论文主要工作 稳态畸变信号条件下电能准确合理计量的问题已经解决，而非稳态畸变信号条件 下电能准确合理计量的问题尚处于研究的初始阶段。非线性负载向电网注入畸变功 率，使公共连接点的电压波形严重畸变，导致电网电压波动，产生瞬时脉冲等各种电 能质量问题，对电网、敏感电气设备的正常运行产生了严重影响和危害，因此应该对 这些负载的功率潮流进行分析并对其电能进行合理的计量。根据目前电能计量存在的 问题，本论文研究内容包括以下几个主要方面： ( 1 ) 研究感应式电能表的结构及工作原理，并在此基础上建立闪变和暂降条件下 感应式电能表的仿真模型，分析电压闪变和暂降对电能计量的影响，推导误差数学表 达式，分析误差影响因素，通过仿真结果验证模型的正确性。 ( 2 ) 研究电子式电能表的结构和工作原理，在此基础上建立电子式电能表的仿真 模型，仿真验证模型的正确性。 ( 3 ) 分析在电压闪变和暂降对电子式电能表计量的影响，给出误差数学表达式， 分析误差影响因素。 ( 4 ) 提出电压闪变和暂降信号条件下电能计量的方法，利用小波变换实现该方法 并仿真验证方法的正确性。 3 华北电力人学硕士学位论文 第二章电压闪变和暂降对感应式电能表计量的影响 2 1 电压闪变对感应式电能表计量的影响 2 1 1 电压波动与闪变 一个理想的供电系统其三相交流电源对称、电压均方根值恒定，并且负荷特性与 系统电压水平无关。这就要求电力用户的负荷分配三相平衡，并以恒定功率汲取电能， 同时也要求公共连接点的短路容量无穷大，系统的等值电抗为零。而实际上，这些条 件是不可能满足的，供电系统电压每时每刻都发生着变化。因此一般而言，凡不保持 电压均方根值恒定不变的现象，或者说，实际电压偏离系统标称电压的现象统称为电 压变动( v o l t a g ec h a n g e ) 【1 1 1 【1 2 1 。 通常以电压整周期的均方根值来衡量电压的大小。电压均方根值的离散计算公式 为 1 r 。专酗 ( 2 - 1 ) 式中：为一个周期内的采样点数；“。为第七点的电压瞬时值。 电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 定义为电压均方根值一系列相对快速变动或连续改 变的现象。其变化周期大于工频周期。在配电系统运行中，这种电压波动现象有可能 是多次出现，变化过程可能是规则、不规则的，亦或是随机的。 o 弋、v 八八一一 v v一一 - 一 ( a ) 相对电压变动特性( b ) 调幅波变化曲线 图2 1 电压波动的波形示意图 为了更具体地描述电压波动的特性，把一系列电压波动中的相邻两个极值之间的 变化成为一次电压波动，其波动大小为 4 华北电力入学硕士学位论文 d ：坐：丝正型堕1 0 0 ( 2 2 ) u n u n 、 j 、 其中己，为电压方均根值的两个极值吒和蛔之差。为了形象地了解电压波动 的过程，实际上可在波动负荷的一个工作周期或规定的一段检测时间内，沿时间轴对 被测电压每半个周期求得一个均方根值并按时间轴顺序排列，即可形象的看到连续的 电压波动的包络线图形，成为电压均方根值曲线u ( f ) ，如图2 1 ( a ) 。当以系统标称电 压的相对百分数表示时，电压波动随时间变化的函数转化为相对电压变动特性j ( f ) 。 若将图2 1 ( a ) 中的包络线提取出来，它可表示调幅波变化曲线，如图2 1 ( b ) 所示。 在波动性负荷中，以电弧炉引起的电压波动最为明显。多数国家在制定的电压波 动与闪变标准中的条款通常是针对电弧炉负荷设定的。供电电压波动对用电设备和系 统安全运行的影响主要决定于波动值的大小和变动的频度。因此，国标g b l 2 3 2 6 2 0 0 0 中对各级电压在一定频度范围内的电压波动限值作了规定，如表2 1 所示【l 【1 4 l 。 表2 1 各级电网电压波动限值 变动频度波动限值j ( )变动频度 波动限值d ( ) ，( - 1 )l v 、m vh v厂( - 1 )l v 、m v h v ，l43 l o ，1 0 021 5 ，1 032 51 0 ，s1 0 01 2 51 表中公共连接点标称电压等级划分为 ( 1 ) 低压( l v ) ：l k v ； ( 2 ) 中压( m v ) ：1 k v 3 5 k v ； ( 3 ) 高压( h v ) ：3 5 k v r 时，睨o 基波电流和畸变电压产生的瞬时功率为 儿( 后) = 一口( f ) lc o s ( 吼f + ) c o s ( f + 力 ( 3 3 6 ) 基波电流和畸变电压产生的平均功率为 己= 一专萋口( f ) l c o s ( 吼饵+ 沙) c o s ( 圮+ d ( 3 - 3 7 ) 发生电压暂降的一段时间内基波电流和畸变电压产生的电能为 陟0 = 一，玎u - 埘lc o s ( 1 吵一目) ( f 2 一f i ) ( 3 - 3 8 ) 当乞一f ijo 时，形，一o ，形，可近似等于0 ：当吒 丁时，o 。 畸变电压和畸变电流产生的瞬时功率为 只( 后) = 口2 ( f ) 吮lc o s ( 纨七巧+ ) c o s ( 七z + 秒)( 3 - 3 9 ) 畸变电压和畸变电流产生的平均功率为 e = 专善口2 ( f ) 厶c o s ( 纨饵+ ) c o s ( 纨圮+ 印= 一圭所2 l c o s ( y 一秒) ( 3 4 。) 发生电压暂降的一段时间内畸变电流和畸变电压产生的电能为 形= 一吾m 2 lc o s 缈一口) ( f 2 一) ( 3 4 1 ) 当乞一f i 专。时，彬专0 ，彬可近似等于o ；当吒 丁时，彬o 。 所以电压暂降时f 时间内产生的电能为 形= 彤+ 睨+ + 形( 3 4 2 ) 误差为 = 等1 0 。 ( 3 - 4 3 )= l u u 【3 - 4 3 ) 3 3 2 仿真实验 假设电网电压为a 相发生电压暂降，模拟的工频状态下的电压暂降信号波形，其 华北电力人学硕士学位论文 发生和结束时间为1 4 s 和1 5 s ，电压下降枞，持续5 个周期，计量时间为3 s 。即发 生电压暂降时 “( f ) = 2 2 0 夏l 一口( f ) 】c o s ( 1o o 耐) m ) = 两l - 口( f ) 】c o s ( 1 0 0 耐一3 0 。) 黼叽，= 。州4 9 巍 ( 3 - 4