基于功率潮流分析的電能計量新方法

張 凱

（陜西省地方電力（集團）有限公司榆林電力分公司，陜西 榆林 719000）

0 引 言

隨著我國科學技術的快速發展，電力企業很好地保障了民生經濟的穩定與安全。在一些特殊的用電場所，由于用電的特殊性，使得電網信號出現了嚴重畸變。例如，航空焊接和鐵軌焊接等，電網信號將具備一定的沖擊性和波動性，易影響電網系統運行的穩定性。研究和完善畸變信號條件下功率及電能計量的理論，既是電路理論中一個重要的基礎性研究課題，也是解決現代電力系統中功率及電能測量問題的理論基礎。

1 電網信號畸變產生的原因研究

隨著電網系統中非線性負載信號的快速增長，電網信號的畸變概率增加，直接影響了電網系統的穩定運行。當負載設備產生的電網信號與電力系統之間的能量交互復雜性提升后，負載設備的電能計量工作變得更加困難[1]。

非線性電網信號的產生增加了電能損耗。由負載設備產生的畸變電流功率影響電網功率，使電網出現了畸變功率信號，使得電網覆蓋區域的電壓與電流出現了嚴重波動，產生相應的脈沖干擾波，直接影響電氣設備與電網運行的穩定性與安全性。通過對負載設備的電能計量方法進行有效研究，依據負載設備的功率潮流進行數據信息獲取，找出了影響電網信號畸變的核心要素。

傳統負載設備電能計量方法主要是將負載設備產生的畸變功率輸入到電能計量單元，從而計算出負載設備的實際電能消耗。隨著負載設備的不斷變化，產生的畸變功率信號將更加嚴重。因此，傳統的電能計量方式已經不能準確可靠地計算出相關設備的電力使用。

智能電網工程建設時，需研究新的電能計量方法，以解決行業難題。由于沖擊性電流和波動性電流都是隨機產生的，它們發生的時刻、存在的時間、沖擊和波動的強度都是隨機的，且在整個電能計量期間會大量重復出現，從而對電能計量產生影響。在正常工作環境下，采用傳統的計量方案，對應的設備用戶不僅需要支付基礎的電能費用，還需要支付負載設備運行過程中吸收的電能費用[2]。研究發現，諧波條件下電網的簡化模型、功率分析及電能計量方法，對現代電網中實際存在的畸變信號并不適用，從而無法為工作人員提供有效真實的數據信息，無法真實準確地反映電網的運行情況[2]。反之，基波電能是有益的電能，采取基波計量不僅能準確計量用戶電量，還能有效降低線損。因此，開展電能計量工作，可以采取基波計量方案。

2 負載功率潮流的仿真研究分析

以復合系統的功率潮流為仿真研究對象，其中復合系統模型主要由SS1電力機車和半導體整流等設備構成，仿真模型為泛函級數模型，數據采樣頻率為3 200 Hz，采樣點數為256。輸出電流分析時，應用Db40小波設備對相關電流與電壓進行4層分解，最后根據小波系數進行0～100 Hz的基波模型分析并構建畸變數據的模型。畸變電流與電壓的小波數據信息如圖1所示。

通過對復合系統的功率潮流進行小波分解可知，該仿真系統的準確等級可以達到10-2數量級，實際所得的功率潮流數據與理論分析數據一致，說明泛函級數的模型可以準確反映負載設備的功率潮流變化[3]。復合系統的仿真誤差與真實數據的誤差為同一量級，說明利用復合系統進行非線性負載設備的功率潮流電能計量具有很強的可行性。

圖1 電壓與電流信號分解與重構仿真結果

3 基于功率潮流分析的電能計量新方法論證

分析仿真研究發現，當基波電壓與電流產生的基波功率大于0時，非線性負載設備在運行中會吸收電網的基波功，因此需要計入設備電能計量。

當基波電壓與電流產生的畸變功率大于0時，非線性負載設備會吸收電網中產生的畸變功率，因此需要計入總電能消耗。

當畸變電壓與基波的電流耦合后產生的畸變功率小于0時，說明兩者耦合產生的畸變功率沒有被負載設備吸收，而是輸入了電網。由于該部分的電功率是以基波電流的方式輸入，因此不會對電網的正常運行造成影響，同樣需要計入負載設備的電能消耗。

當畸變電流與畸變電壓耦合后產生的畸變功率小于0時，說明該部分畸變功率沒有被非線性負載吸收，而是輸入了電網。由于該部分的電能是以畸變功率的方式輸入，會對電網的運行造成一定影響，因此此部分電能不予計量。

因此，規劃電能計量方案時，需升級傳統的電能計量設備轉換為基波電能計量設備，以保障基波電能計量設備的運行可靠性與安全性。

4 電能計量新方法對電網運行產生的影響分析

對半導體整流器和電力機車進行電能計量研究時發現，實際復合系統的仿真誤差值與實際電能計量工作開展的數據誤差值處于同一等級。產生誤差的主要原因是仿真系統構建時，計算機系統的儲存速度和計算頻率存在一定差異。因此，為了更好地反饋非線性負載設備的功率潮流變化情況，建立仿真模型時可以采取一定量的樣本，以確保仿真系統所得數據結果的真實性與可靠性[4]。

復合系統的功率潮流仿真工作開展中，發現實際的工作結果與理論分析結果相同。對類似非線性負載設備進行功率潮流分析時，可以采取復合系統進行仿真模型研究，從而研究新的電能計量方法。

驗證工作開展時，采用電能計量實驗儀研究分析畸變的電網信號。將復合系統仿真模型計算的電功率數據信息輸入電網信號檢測儀，分析仿真模型信號與實際電網運行信號的差別。試驗證明，電網系統運行時，對非線性設備進行基波電能計量可以有效提高電網電能計量工作的可靠性。

5 結 論

電網運行過程中的畸變電網信號直接影響電能計量工作的準確性，因此提出了對非線性設備基波電能計量方法，可以很好地規避畸變電網信號造成的影響，確保電能計量工作的質量。