畸變信號條件下的電能合理計最方法分析

蔡信華

摘要 在電力企業中，電能計量工作是否準確合理是直接涉及到多項電力能源經濟技術指標的，是電力企業和用電用戶兩者之間進行公平交易的保障。在當前可持續發展理論貫徹落實的背景下，電力能源的節約使用符合我國的基本國策，而實現電能的高效利用和合理調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。

關鍵字畸變信號；電能計量；方法

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

從當前電網運行的實際來看，其存在著大量的非線性負荷和沖擊性負荷，采用傳統的電能表對于這些諧波的分析遠遠滿足不了全面性和綜合性的要求。本文根據用電實際狀況把小波分頻帶測量方法適用于非穩態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確合理的對畸變功率進行測量。

1 波形畸變的綜述

當前社會用電需求的增加，使得電力企業的供電運行系統有了新的建設要求，根據電力系統自身運行的狀況，它的最為理想的系統是固定頻率、電壓幅值的標準正弦波，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。如果系統的運行負荷屬于是線性負荷的話，而且負荷投切對電網所帶來的沖擊力很小，電力系統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，電網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荷造成的，使電網信號發生了改變，非正弦和非平衡變成了電網的一種常態而存在。

1.1 穩態畸變信號

在大多數情況下，電網信號的畸變發生并不是隨意的，它具有變化緩慢和周期性的規律特點，它的這些信號都屬于是一種穩態信號，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倍的電量；間諧波是頻率為基波的非整數倍的電量；次諧波、諧波和間諧波的產生主要是因為正弦電壓施壓于非線性負載，使基波電流發生了畸變而產生的。

本文中作者所講的電壓波動是因為在供電系統中，由于供電負荷發生了改變，導致供電電壓U。漸漸偏離標稱電壓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時間和持續時間都很短，主要包括兩個方面，即振蕩暫態和脈沖暫態，兩者的定義和內涵也各有差異，其中振蕩暫態指的是電壓下降、電壓上升以及電壓瞬時中斷等；而暫態脈沖指的是瞬時脈沖或者是突變，這些信號是負荷的頻繁所產生，那么對于這一類的信號我們可以將其稱之為是沖擊性負荷。

2 非穩態畸變信號條件下的電能合理計量的方法

對于這方面內容的分析，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，當非線性負載吸收的基波功率（P.）大于零的話，基波的電壓和基波電流所產生的功率屬于正狀態；第二，當基波電壓和畸變電流產生的功率（PIs）大于或等于零的話，基波電壓和畸變電流產生的功率為非負狀態，需要注意的是，這里只包含諧波時為零；第三，當畸變電壓和基波電流產生的功率（Psl）小于或等于零的話，畸變電壓和基波電流產生的功率處于非正狀態，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中，不會對電網產生較大的污染；第四，當畸變電壓和畸變電流產生的功率（Ps）小于零的話，畸變的功率為負狀態，并且按照畸變電流的方式回饋到電網中，會對電網產生一定的污染。那么基于這些層面的原因，合理計量的功率P就應該是如下所示：

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

上述表達式中，P。是計量節點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，那么上述表達式就可以轉換為：

P = PI + PIs + Psl = PI

按照上述表達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和實際電網情況相吻合的非穩態畸變信號的數學模型，因此，從理論上來講，就可以實現隨機的、時變信號條件下的電能合理計量，進而實現合理計量。但是，需要注意的是，實現合理計量的關鍵是把計量功率中的畸變功率準確合理的分離出來。

3 仿真分析

3.1 傳統的諧波信號仿真分析

在傳統的諧波信號中，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：

上述表達式中，K表示為整數。

具體的仿真結果如下表1所示。（表格為傳統諧波信號的仿真結果）

根據上述的仿真結果我們可以得出結論：第一，各個功率潮流方向和理性分析結果相一致時，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數量級內。

3.2 具有非穩態畸變信號的電網信號仿真

隨著工業技術的發展創新，現代煉鋼開始采用電弧爐進行煉鋼，它的負載呈隨機性變化，在煉鋼的過程中電流會產生非正弦畸變，包括諧波、間諧波、沖擊信號以及連續頻譜的畸變信號等，基于此，它的信號最能反映出電網的實際狀況，仿真結果如表2所示（表為電網信號仿真結果）。

如上可得結論：第一各個功率潮流方向是和理論分析結果相一致的，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數量級。

4 結論

通過對非穩態畸變信號條件下的新的電能合理計量方法的研究，進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成體系增加了新的內容，使其更為完善，為其創新提供了依據。