高比例新能源接入下動態電能計量信號特性分析

一、新型電力系統下的計量挑戰

“雙碳”目標的提出，加速了我國能源轉型和能源革命的進程。2021年3月，國家電網公司發布《“碳達峰、碳中和”行動方案》，將以“碳達峰”為基礎前提，“碳中和”為最終目標，加快構建堅強智能電網，支持新能源優先就地、就近并網消納，加快推進能源供給多元化、清潔化與低碳化，能源消費高效化、減量化與電氣化。隨著我國電網新能源發電量不斷增大，新能源電力生產供應能力持續提升，2020年以來，我國新增風電、太陽能發電裝機容量連續兩年突破1億千瓦，占年新增全部發電裝機的六成左右。

然而，新能源發電易受到無法控制的太陽輻照度和諸如風速、溫度、濕度、結露等其他氣象因素的影響，輸出功率具有“強隨機性”、“大波動性”和“快時變性”，高比例新能源接入電網，會影響傳統電能計量設備性能，并誘發電能計量超差，影響電能交易的準確性和公正性。在目前動態電能計量理論沒有取得突破的情況下，針對復雜動態場景下，電能計量算法、電能表校準方法和電能瀕源理論，都面臨前所未有的挑戰；風力、光伏等新能源發電輸出功率具有哪些導致電能計量超差的動態特性及其演變規律，需要深入研究與理清，建立復雜動態電能信號模型的方法還需要突破創新。

二、動態計量技術體系的創新突破

（一）新能源電能計量信號幅度的提取

新能源電能計量信號基波分量的隨機波動特性是影響電能表產生計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。針對離散瞬時電流、電壓信號，使用短時傅里葉變換（STFT）方法，提取信號的基波幅度。

（二）新能源電能計量信號模態分解

根據隨機過程理論，給定概率空間、時間參數集，新能源供電負荷電能計量信號幅度為信號幅度樣本空間。根據新能源電能計量信號的隨機屬性、波動屬性、諧波屬性和噪聲屬性，建立新能源電能計量信號的非平穩隨機過程調制模型。

1.非平穩隨機信號CRAMER分解理論

風電、光伏新能源電能計量信號可以看作一個非平穩隨機過程，具有快速隨機波動特性，同時還具有一定的循環周期性。根據Wold-Cramer定理，非平穩復雜大動態隨機信號可分解為準穩態項模態和動態項模態。

風電、光伏新能源電能計量信號電流幅度信號是非平穩時間序列，因此，也是由循環波動的準穩態項模態和零均值隨機平穩動態項模態構成。

2.動態電流幅度域Hermite均值雙模態分解算法

針對風電、光伏新能源電能計量信號電流幅度，提出了幅度域Hermite均值雙模態分解算法。為了判定準穩態項與動態項，定義如下判別準則及篩選條件。

定義1：準穩態項信號判別準則。10秒內，若信號幅度在相鄰的最大值與最小值之間的波動范圍小于信號額定值的 10.2% ，則稱之為準穩態項信號。

定義2：波峰篩選條件。定義波峰凸起度為信號中單個波峰中最大值點和最小值點高度差的絕對值。

定義2：波谷篩選條件。定義波谷凹陷度為信號中單個波谷中最大值點和最小值點高度差的絕對值。

根據以上定義，按照如下步驟進行模態分解。

步驟1：埃爾米特模態分解

首先將新能源電能計量信號電流幅度序列作為原始信號，提取全部極值點，根據波形特點，按照波峰、波谷篩選條件選取有效的極大值點和極小值點；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；最后計算極大值幅度、極小值幅度的平均幅度線作為第一次模態分解結果。

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

步驟3：擬合準穩態項

根據步驟1、步驟2分解結果，計算非固態模函數；然后選取適當的采樣間隔對進行抽樣；最后對抽樣點進行擬合。

步驟4：計算動態項動態項為光伏電能計量電流幅度信號減去穩 態項。

（三）風電、光伏新能源電源側電流幅度域特征提取

針對風電、光伏新能源電能計量信號，需在幅度域定義特性參量、特征函數，據此分析動態負荷信號的幅度域特征。

首先是幅度域特征函數和特征參量構建。

特征函數1：電流幅度概率密度函數

特征函數2：電流幅度自相關函數，表征動態電流信號幅度序列在不同時間延遲下的相關性特征。

特征參量1：方差，表征負荷循環周期內動態負荷信號幅度偏離均值的統計特征。

特征參量2：期望，表征負荷循環周期內動態負荷信號幅度的均值總體統計特征。

特征參量3：循環周期，反映動態負荷信號幅度長期的慢速循環周期特性。

特征參量4：統計調制系數

三、未來展望

根據風電、光伏電源側電壓與電流信號的特性分析，形成電能計量模型及小電流、低功率因數下電能標準裝置計量模型及技術方案。

電能計量不僅是技術問題，更是公平正義的體現。隨著新能源比例持續提高，精準計量的重要性愈發凸顯。動態計量的研究成果為解決新型電力系統下的計量難題提供了“中國方案”，未來將繼續為推動全球電能計量技術進步貢獻力量。■