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(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，電力企業(yè)很好地保障了民生經(jīng)濟的穩(wěn)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(wǎng)信號出現(xiàn)了嚴(yán)重畸變。例如，航空焊接和鐵軌焊接等，電網(wǎng)信號將具備一定的沖擊性和波動性，易影響電網(wǎng)系統(tǒng)運行的穩(wěn)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(chǔ)性研究課題，也是解決現(xiàn)代電力系統(tǒng)中功率及電能測量問題的理論基礎(chǔ)。

1 電網(wǎng)信號畸變產(chǎn)生的原因研究

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)中非線性負(fù)載信號的快速增長，電網(wǎng)信號的畸變概率增加，直接影響了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。當(dāng)負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生的電網(wǎng)信號與電力系統(tǒng)之間的能量交互復(fù)雜性提升后，負(fù)載設(shè)備的電能計量工作變得更加困難[1]。

非線性電網(wǎng)信號的產(chǎn)生增加了電能損耗。由負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生的畸變電流功率影響電網(wǎng)功率，使電網(wǎng)出現(xiàn)了畸變功率信號，使得電網(wǎng)覆蓋區(qū)域的電壓與電流出現(xiàn)了嚴(yán)重波動，產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖干擾波，直接影響電氣設(shè)備與電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性與安全性。通過對負(fù)載設(shè)備的電能計量方法進(jìn)行有效研究，依據(jù)負(fù)載設(shè)備的功率潮流進(jìn)行數(shù)據(jù)信息獲取，找出了影響電網(wǎng)信號畸變的核心要素。

傳統(tǒng)負(fù)載設(shè)備電能計量方法主要是將負(fù)載設(shè)備產(chǎn)生的畸變功率輸入到電能計量單元，從而計算出負(fù)載設(shè)備的實際電能消耗。隨著負(fù)載設(shè)備的不斷變化，產(chǎn)生的畸變功率信號將更加嚴(yán)重。因此，傳統(tǒng)的電能計量方式已經(jīng)不能準(zhǔn)確可靠地計算出相關(guān)設(shè)備的電力使用。

智能電網(wǎng)工程建設(shè)時，需研究新的電能計量方法，以解決行業(yè)難題。由于沖擊性電流和波動性電流都是隨機產(chǎn)生的，它們發(fā)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(fù)出現(xiàn)，從而對電能計量產(chǎn)生影響。在正常工作環(huán)境下，采用傳統(tǒng)的計量方案，對應(yīng)的設(shè)備用戶不僅需要支付基礎(chǔ)的電能費用，還需要支付負(fù)載設(shè)備運行過程中吸收的電能費用[2]。研究發(fā)現(xiàn)，諧波條件下電網(wǎng)的簡化模型、功率分析及電能計量方法，對現(xiàn)代電網(wǎng)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(shù)據(jù)信息，無法真實準(zhǔn)確地反映電網(wǎng)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(zhǔn)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(fù)載功率潮流的仿真研究分析

以復(fù)合系統(tǒng)的功率潮流為仿真研究對象，其中復(fù)合系統(tǒng)模型主要由SS1電力機車和半導(dǎo)體整流等設(shè)備構(gòu)成，仿真模型為泛函級數(shù)模型，數(shù)據(jù)采樣頻率為3 200 Hz，采樣點數(shù)為256。輸出電流分析時，應(yīng)用Db40小波設(shè)備對相關(guān)電流與電壓進(jìn)行4層分解，最后根據(jù)小波系數(shù)進(jìn)行0～100 Hz的基波模型分析并構(gòu)建畸變數(shù)據(jù)的模型。畸變電流與電壓的小波數(shù)據(jù)信息如圖1所示。

通過對復(fù)合系統(tǒng)的功率潮流進(jìn)行小波分解可知，該仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確等級可以達(dá)到10-2數(shù)量級，實際所得的功率潮流數(shù)據(jù)與理論分析數(shù)據(jù)一致，說明泛函級數(shù)的模型可以準(zhǔn)確反映負(fù)載設(shè)備的功率潮流變化[3]。復(fù)合系統(tǒng)的仿真誤差與真實數(shù)據(jù)的誤差為同一量級，說明利用復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行非線性負(fù)載設(shè)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(gòu)仿真結(jié)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(fā)現(xiàn)，當(dāng)基波電壓與電流產(chǎn)生的基波功率大于0時，非線性負(fù)載設(shè)備在運行中會吸收電網(wǎng)的基波功，因此需要計入設(shè)備電能計量。

當(dāng)基波電壓與電流產(chǎn)生的畸變功率大于0時，非線性負(fù)載設(shè)備會吸收電網(wǎng)中產(chǎn)生的畸變功率，因此需要計入總電能消耗。

當(dāng)畸變電壓與基波的電流耦合后產(chǎn)生的畸變功率小于0時，說明兩者耦合產(chǎn)生的畸變功率沒有被負(fù)載設(shè)備吸收，而是輸入了電網(wǎng)。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(wǎng)的正常運行造成影響，同樣需要計入負(fù)載設(shè)備的電能消耗。

當(dāng)畸變電流與畸變電壓耦合后產(chǎn)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(fù)載吸收，而是輸入了電網(wǎng)。由于該部分的電能是以畸變功率的方式輸入，會對電網(wǎng)的運行造成一定影響，因此此部分電能不予計量。

因此，規(guī)劃電能計量方案時，需升級傳統(tǒng)的電能計量設(shè)備轉(zhuǎn)換為基波電能計量設(shè)備，以保障基波電能計量設(shè)備的運行可靠性與安全性。

4 電能計量新方法對電網(wǎng)運行產(chǎn)生的影響分析

對半導(dǎo)體整流器和電力機車進(jìn)行電能計量研究時發(fā)現(xiàn)，實際復(fù)合系統(tǒng)的仿真誤差值與實際電能計量工作開展的數(shù)據(jù)誤差值處于同一等級。產(chǎn)生誤差的主要原因是仿真系統(tǒng)構(gòu)建時，計算機系統(tǒng)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(fù)載設(shè)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(tǒng)所得數(shù)據(jù)結(jié)果的真實性與可靠性[4]。

復(fù)合系統(tǒng)的功率潮流仿真工作開展中，發(fā)現(xiàn)實際的工作結(jié)果與理論分析結(jié)果相同。對類似非線性負(fù)載設(shè)備進(jìn)行功率潮流分析時，可以采取復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)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(wǎng)信號。將復(fù)合系統(tǒng)仿真模型計算的電功率數(shù)據(jù)信息輸入電網(wǎng)信號檢測儀，分析仿真模型信號與實際電網(wǎng)運行信號的差別。試驗證明，電網(wǎng)系統(tǒng)運行時，對非線性設(shè)備進(jìn)行基波電能計量可以有效提高電網(wǎng)電能計量工作的可靠性。

5 結(jié) 論

電網(wǎng)運行過程中的畸變電網(wǎng)信號直接影響電能計量工作的準(zhǔn)確性，因此提出了對非線性設(shè)備基波電能計量方法，可以很好地規(guī)避畸變電網(wǎng)信號造成的影響，確保電能計量工作的質(zhì)量。