畸變信號條件下的電能合理計最方法分析

蔡信華

摘要 在電力企業(yè)中，電能計量工作是否準(zhǔn)確合理是直接涉及到多項電力能源經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的，是電力企業(yè)和用電用戶兩者之間進(jìn)行公平交易的保障。在當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展理論貫徹落實的背景下，電力能源的節(jié)約使用符合我國的基本國策，而實現(xiàn)電能的高效利用和合理調(diào)配則離不開電能計量工作。從這方面來說，本文從電力運行系統(tǒng)的實際入手，分析了在畸變信號條件下的電能合理計量的基本方法。

關(guān)鍵字畸變信號；電能計量；方法

中圖分類號TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號1674-6708（2015） 153-0032-02

從當(dāng)前電網(wǎng)運行的實際來看，其存在著大量的非線性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷，采用傳統(tǒng)的電能表對于這些諧波的分析遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了全面性和綜合性的要求。本文根據(jù)用電實際狀況把小波分頻帶測量方法適用于非穩(wěn)態(tài)畸變信號條件下的功率分解測量，從而提出了一種新的合理計量電能的方法，這種方法可以在理論上準(zhǔn)確合理的對畸變功率進(jìn)行測量。

1 波形畸變的綜述

當(dāng)前社會用電需求的增加，使得電力企業(yè)的供電運行系統(tǒng)有了新的建設(shè)要求，根據(jù)電力系統(tǒng)自身運行的狀況，它的最為理想的系統(tǒng)是固定頻率、電壓幅值的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，三相的相電壓和相電流幅值大小相等、初相角依次相差120。、三相對稱。如果系統(tǒng)的運行負(fù)荷屬于是線性負(fù)荷的話，而且負(fù)荷投切對電網(wǎng)所帶來的沖擊力很小，電力系統(tǒng)中的電壓和電流信號與電源端的信號是屬于同時變化的，具有變化的一致性，是最為理想的三相正弦狀態(tài)，電網(wǎng)波形段是不存在畸變的。波形畸變一般是由于非線性和沖擊性負(fù)荷造成的，使電網(wǎng)信號發(fā)生了改變，非正弦和非平衡變成了電網(wǎng)的一種常態(tài)而存在。

1.1 穩(wěn)態(tài)畸變信號

在大多數(shù)情況下，電網(wǎng)信號的畸變發(fā)生并不是隨意的，它具有變化緩慢和周期性的規(guī)律特點，它的這些信號都屬于是一種穩(wěn)態(tài)信號，其中就涉及到次諧波、諧波、間諧波、電壓波動以及電壓的閃變等等。這里所講的次諧波主要是那些頻率在基波電量之下；諧波是頻率為基波的整數(shù)倍的電量；間諧波是頻率為基波的非整數(shù)倍的電量；次諧波、諧波和間諧波的產(chǎn)生主要是因為正弦電壓施壓于非線性負(fù)載，使基波電流發(fā)生了畸變而產(chǎn)生的。

本文中作者所講的電壓波動是因為在供電系統(tǒng)中，由于供電負(fù)荷發(fā)生了改變，導(dǎo)致供電電壓U。漸漸偏離標(biāo)稱電壓U。；電壓閃變主要指的是在照明燈閃爍的作用下，人眼可以直接觀察到的光線變化時的電壓波動。

1.2 暫態(tài)畸變信號

我們對于它的基本特征分析，它的特征是頻譜的連續(xù)時間和持續(xù)時間都很短，主要包括兩個方面，即振蕩暫態(tài)和脈沖暫態(tài)，兩者的定義和內(nèi)涵也各有差異，其中振蕩暫態(tài)指的是電壓下降、電壓上升以及電壓瞬時中斷等；而暫態(tài)脈沖指的是瞬時脈沖或者是突變，這些信號是負(fù)荷的頻繁所產(chǎn)生，那么對于這一類的信號我們可以將其稱之為是沖擊性負(fù)荷。

2 非穩(wěn)態(tài)畸變信號條件下的電能合理計量的方法

對于這方面內(nèi)容的分析，我們可以由功率的潮流方向分析可以知道其存在如下四種狀況，即：第一，當(dāng)非線性負(fù)載吸收的基波功率（P.）大于零的話，基波的電壓和基波電流所產(chǎn)生的功率屬于正狀態(tài)；第二，當(dāng)基波電壓和畸變電流產(chǎn)生的功率（PIs）大于或等于零的話，基波電壓和畸變電流產(chǎn)生的功率為非負(fù)狀態(tài)，需要注意的是，這里只包含諧波時為零；第三，當(dāng)畸變電壓和基波電流產(chǎn)生的功率（Psl）小于或等于零的話，畸變電壓和基波電流產(chǎn)生的功率處于非正狀態(tài)，需要注意的是其只包含諧波時為零，但是以基波作為電流的方式會回饋到電網(wǎng)中，不會對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的污染；第四，當(dāng)畸變電壓和畸變電流產(chǎn)生的功率（Ps）小于零的話，畸變的功率為負(fù)狀態(tài)，并且按照畸變電流的方式回饋到電網(wǎng)中，會對電網(wǎng)產(chǎn)生一定的污染。那么基于這些層面的原因，合理計量的功率P就應(yīng)該是如下所示：

P = PI + PIs + Psl = （PI + PIs + Psl + Ps） - Ps= Pa - PS

上述表達(dá)式中，P。是計量節(jié)點a處的實測功率大小；P。是P。中的畸變功率大小。

如果a點的畸變電壓U=（t）和a點的畸變電流Iq（t）屬于是高次諧波信號的話，那么上述表達(dá)式就可以轉(zhuǎn)換為：

P = PI + PIs + Psl = PI

按照上述表達(dá)式所制造的電能表就會退化為基波電能表，因此，它的主要適用對象也就是針對于諧波用戶來說的。因為所提出的電能合理計量方法主要是根據(jù)和實際電網(wǎng)情況相吻合的非穩(wěn)態(tài)畸變信號的數(shù)學(xué)模型，因此，從理論上來講，就可以實現(xiàn)隨機(jī)的、時變信號條件下的電能合理計量，進(jìn)而實現(xiàn)合理計量。但是，需要注意的是，實現(xiàn)合理計量的關(guān)鍵是把計量功率中的畸變功率準(zhǔn)確合理的分離出來。

3 仿真分析

3.1 傳統(tǒng)的諧波信號仿真分析

在傳統(tǒng)的諧波信號中，其中最具有典型性和代表性的就是晶閘管半波整流信號，在這個信號中包含有豐富的諧波信號。我們假設(shè)晶閘管的控制角為a=π /4，線路的阻抗Z一IQ，電壓的幅值大小為Um -220V，電流的幅值大小為I。- 20A，那么就可以列出以下公式：

上述表達(dá)式中，K表示為整數(shù)。

具體的仿真結(jié)果如下表1所示。（表格為傳統(tǒng)諧波信號的仿真結(jié)果）

根據(jù)上述的仿真結(jié)果我們可以得出結(jié)論：第一，各個功率潮流方向和理性分析結(jié)果相一致時，可以驗證電能計量合理新方法的正確性；第二，依據(jù)于電能計量合理新方法，P - Pa - Ps，合理計量的功率理論值是956. 4768W，測量值是956. 8588W，誤差在101數(shù)量級內(nèi)。

3.2 具有非穩(wěn)態(tài)畸變信號的電網(wǎng)信號仿真

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，現(xiàn)代煉鋼開始采用電弧爐進(jìn)行煉鋼，它的負(fù)載呈隨機(jī)性變化，在煉鋼的過程中電流會產(chǎn)生非正弦畸變，包括諧波、間諧波、沖擊信號以及連續(xù)頻譜的畸變信號等，基于此，它的信號最能反映出電網(wǎng)的實際狀況，仿真結(jié)果如表2所示（表為電網(wǎng)信號仿真結(jié)果）。

如上可得結(jié)論：第一各個功率潮流方向是和理論分析結(jié)果相一致的，說明了計量新方法的正確合理性；第二，合理計量功率的理論值是900.OOOw，測量值是900. 2180W，誤差在10。4數(shù)量級。

4 結(jié)論

通過對非穩(wěn)態(tài)畸變信號條件下的新的電能合理計量方法的研究，進(jìn)一步驗證了這種方法的正確合理性，它為電功率測量的理論構(gòu)成體系增加了新的內(nèi)容，使其更為完善，為其創(chuàng)新提供了依據(jù)。