高比例新能源接入下動(dòng)態(tài)電能計(jì)量信號(hào)特性分析

一、新型電力系統(tǒng)下的計(jì)量挑戰(zhàn)

“雙碳”目標(biāo)的提出，加速了我國(guó)能源轉(zhuǎn)型和能源革命的進(jìn)程。2021年3月，國(guó)家電網(wǎng)公司發(fā)布《“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案》，將以“碳達(dá)峰”為基礎(chǔ)前提，“碳中和”為最終目標(biāo)，加快構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)，支持新能源優(yōu)先就地、就近并網(wǎng)消納，加快推進(jìn)能源供給多元化、清潔化與低碳化，能源消費(fèi)高效化、減量化與電氣化。隨著我國(guó)電網(wǎng)新能源發(fā)電量不斷增大，新能源電力生產(chǎn)供應(yīng)能力持續(xù)提升，2020年以來(lái)，我國(guó)新增風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量連續(xù)兩年突破1億千瓦，占年新增全部發(fā)電裝機(jī)的六成左右。

然而，新能源發(fā)電易受到無(wú)法控制的太陽(yáng)輻照度和諸如風(fēng)速、溫度、濕度、結(jié)露等其他氣象因素的影響，輸出功率具有“強(qiáng)隨機(jī)性”、“大波動(dòng)性”和“快時(shí)變性”，高比例新能源接入電網(wǎng)，會(huì)影響傳統(tǒng)電能計(jì)量設(shè)備性能，并誘發(fā)電能計(jì)量超差，影響電能交易的準(zhǔn)確性和公正性。在目前動(dòng)態(tài)電能計(jì)量理論沒(méi)有取得突破的情況下，針對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下，電能計(jì)量算法、電能表校準(zhǔn)方法和電能瀕源理論，都面臨前所未有的挑戰(zhàn)；風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電輸出功率具有哪些導(dǎo)致電能計(jì)量超差的動(dòng)態(tài)特性及其演變規(guī)律，需要深入研究與理清，建立復(fù)雜動(dòng)態(tài)電能信號(hào)模型的方法還需要突破創(chuàng)新。

二、動(dòng)態(tài)計(jì)量技術(shù)體系的創(chuàng)新突破

（一）新能源電能計(jì)量信號(hào)幅度的提取

新能源電能計(jì)量信號(hào)基波分量的隨機(jī)波動(dòng)特性是影響電能表產(chǎn)生計(jì)量誤差超差的主要因素，提取基波幅度可有效去除噪聲的影響。針對(duì)離散瞬時(shí)電流、電壓信號(hào)，使用短時(shí)傅里葉變換（STFT）方法，提取信號(hào)的基波幅度。

（二）新能源電能計(jì)量信號(hào)模態(tài)分解

根據(jù)隨機(jī)過(guò)程理論，給定概率空間、時(shí)間參數(shù)集，新能源供電負(fù)荷電能計(jì)量信號(hào)幅度為信號(hào)幅度樣本空間。根據(jù)新能源電能計(jì)量信號(hào)的隨機(jī)屬性、波動(dòng)屬性、諧波屬性和噪聲屬性，建立新能源電能計(jì)量信號(hào)的非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程調(diào)制模型。

1.非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)CRAMER分解理論

風(fēng)電、光伏新能源電能計(jì)量信號(hào)可以看作一個(gè)非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，具有快速隨機(jī)波動(dòng)特性，同時(shí)還具有一定的循環(huán)周期性。根據(jù)Wold-Cramer定理，非平穩(wěn)復(fù)雜大動(dòng)態(tài)隨機(jī)信號(hào)可分解為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)項(xiàng)模態(tài)和動(dòng)態(tài)項(xiàng)模態(tài)。

風(fēng)電、光伏新能源電能計(jì)量信號(hào)電流幅度信號(hào)是非平穩(wěn)時(shí)間序列，因此，也是由循環(huán)波動(dòng)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)項(xiàng)模態(tài)和零均值隨機(jī)平穩(wěn)動(dòng)態(tài)項(xiàng)模態(tài)構(gòu)成。

2.動(dòng)態(tài)電流幅度域Hermite均值雙模態(tài)分解算法

針對(duì)風(fēng)電、光伏新能源電能計(jì)量信號(hào)電流幅度，提出了幅度域Hermite均值雙模態(tài)分解算法。為了判定準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)項(xiàng)與動(dòng)態(tài)項(xiàng)，定義如下判別準(zhǔn)則及篩選條件。

定義1：準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)項(xiàng)信號(hào)判別準(zhǔn)則。10秒內(nèi)，若信號(hào)幅度在相鄰的最大值與最小值之間的波動(dòng)范圍小于信號(hào)額定值的 10.2% ，則稱(chēng)之為準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)項(xiàng)信號(hào)。

定義2：波峰篩選條件。定義波峰凸起度為信號(hào)中單個(gè)波峰中最大值點(diǎn)和最小值點(diǎn)高度差的絕對(duì)值。

定義2：波谷篩選條件。定義波谷凹陷度為信號(hào)中單個(gè)波谷中最大值點(diǎn)和最小值點(diǎn)高度差的絕對(duì)值。

根據(jù)以上定義，按照如下步驟進(jìn)行模態(tài)分解。

步驟1：埃爾米特模態(tài)分解

首先將新能源電能計(jì)量信號(hào)電流幅度序列作為原始信號(hào)，提取全部極值點(diǎn)，根據(jù)波形特點(diǎn)，按照波峰、波谷篩選條件選取有效的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)；其次采用次埃爾米特插值的方式擬合出極大值幅度、極小值幅度；最后計(jì)算極大值幅度、極小值幅度的平均幅度線(xiàn)作為第一次模態(tài)分解結(jié)果。

步驟2：樣條插值模態(tài)分解 首先根據(jù)波形特點(diǎn)，按照波峰、波谷篩選條件 篩選的有效極值點(diǎn)；其次采用樣條插值方式擬合出 極大值幅度和極小值幅度；最后計(jì)算第二次模態(tài)分 解結(jié)果。

步驟3：擬合準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)項(xiàng)

根據(jù)步驟1、步驟2分解結(jié)果，計(jì)算非固態(tài)模函數(shù)；然后選取適當(dāng)?shù)牟蓸娱g隔對(duì)進(jìn)行抽樣；最后對(duì)抽樣點(diǎn)進(jìn)行擬合。

步驟4：計(jì)算動(dòng)態(tài)項(xiàng)動(dòng)態(tài)項(xiàng)為光伏電能計(jì)量電流幅度信號(hào)減去穩(wěn) 態(tài)項(xiàng)。

（三）風(fēng)電、光伏新能源電源側(cè)電流幅度域特征提取

針對(duì)風(fēng)電、光伏新能源電能計(jì)量信號(hào)，需在幅度域定義特性參量、特征函數(shù)，據(jù)此分析動(dòng)態(tài)負(fù)荷信號(hào)的幅度域特征。

首先是幅度域特征函數(shù)和特征參量構(gòu)建。

特征函數(shù)1：電流幅度概率密度函數(shù)

特征函數(shù)2：電流幅度自相關(guān)函數(shù)，表征動(dòng)態(tài)電流信號(hào)幅度序列在不同時(shí)間延遲下的相關(guān)性特征。

特征參量1：方差，表征負(fù)荷循環(huán)周期內(nèi)動(dòng)態(tài)負(fù)荷信號(hào)幅度偏離均值的統(tǒng)計(jì)特征。

特征參量2：期望，表征負(fù)荷循環(huán)周期內(nèi)動(dòng)態(tài)負(fù)荷信號(hào)幅度的均值總體統(tǒng)計(jì)特征。

特征參量3：循環(huán)周期，反映動(dòng)態(tài)負(fù)荷信號(hào)幅度長(zhǎng)期的慢速循環(huán)周期特性。

特征參量4：統(tǒng)計(jì)調(diào)制系數(shù)

三、未來(lái)展望

根據(jù)風(fēng)電、光伏電源側(cè)電壓與電流信號(hào)的特性分析，形成電能計(jì)量模型及小電流、低功率因數(shù)下電能標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量模型及技術(shù)方案。

電能計(jì)量不僅是技術(shù)問(wèn)題，更是公平正義的體現(xiàn)。隨著新能源比例持續(xù)提高，精準(zhǔn)計(jì)量的重要性愈發(fā)凸顯。動(dòng)態(tài)計(jì)量的研究成果為解決新型電力系統(tǒng)下的計(jì)量難題提供了“中國(guó)方案”，未來(lái)將繼續(xù)為推動(dòng)全球電能計(jì)量技術(shù)進(jìn)步貢獻(xiàn)力量?！?/p>