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1、畸变信号条件下电能合理计量新方法的研究张晓冰颜颐欣曹伟吴海滨测控学会&哈尔滨理工大学通信工程学院摘要近年来，由于其实用性，对于信号失真引起的电能损失的精确测量越来越被关注。在本研究中，我们首先依据畸变信号条件下电网的简化模型，推导出推导出功率信号的数学表达式。其次，根据功率潮流方向分析的结果,提出了一种合理计量电能的新方法。同时，将小波分频带测量方法用于非稳态畸变信号条件下功率的测量。实验结果证明，利用模拟典型畸变信号，合适的测量方法能够产生与理论结论极其接近的准确结果。1.引言，随着电网中非线性负载的迅速增加,电能质量日趋恶化,这不仅严重影响电网的安全高效运行,而且对经典的电
2、能计量理论、方法和仪表的设计都提出了新的挑战。现代电网中,除了稳态的基波和谐波信号之外,信号还呈现出准周期、时变、非稳态的复杂特性,进而引发了复杂电网功率潮流的变化,深刻地暴露了现有电能计量方式的不合理性。在谐波条件下,根据谐波功率潮流方向,谐波源用户发出谐波功率而使电能计量减少,非谐波用户吸收谐波功率而使电能计量增加,因此传统的计量方式存在着严重的不合理性。在分析了稳态谐波源信号的功率潮流特点后,国内外许多学者提出了基波电能表的技术方案,该方案己经应用到非线性负载电能用户的电能计量中,通过实验取得了一定的成果。但是基波表对更具普遍性的时变、非平稳信号条件下电能的合理计量并不适
3、用。在目前电网信号严重畸变的条件下,如何对电能进行计量已经成为电能计量领域的一个难点和热点问题。在考虑了功率流和采用了多分辨率技术后，就像实验部分所显示的一样，本文在很大程度上解决了这个问题。本文设计结构如下：在2.1节和2.2节进行了深刻系统的畸变信号的研究；在第3节给出了小波域低频的测算方法；实验结果放在第4节，并在第5节给出了我们得出的结论。1.畸变信号条件下电能合理计量新方法2.1畸变信号条件下功率信号的数学描述在当前电网信号严重畸变的现状下,谐波模型己经不能真实反映电网信号的实际情况,尤其是冲击信号等非稳态畸变信号根本无法用谐波信号的数学模型描述。在非稳态畸变信号存在
4、的条件下,交流电网信号的数学模型将非常复杂,可以由以下公式来描述电网中某计量节点的电压和流入该节点的电流：ut=uIt+u0+uht+upt+uc(t)(1)it=iIt+i0+iht+ipt+ic(t)(2)式（1）中，uIt、u0、uht、upt和uc(t)分别为计量节点的基波电压、直流电压、谐波电压、间谐波电压与其他形式的畸变电压；式（2）中，iIt、i0、iht、ipt和ic(t)分别为流入该节点的基波电流、直流电流、谐波电流、间谐波电流与其他形式的畸变电流。由此可见，谐波条件下电网的简化模型、功率潮流分析及电能计量方法对现代电网中实际存在的畸变信号并不适用。畸变信号条
5、件下电网的简化模型如图1所示，电网电源电压u(t)为正弦电压源，i(t)为电网电流，Zl为线路阻抗，Z为非线性负载阻抗，a点位负载电能计量节点。a点电压可表示为：uat=uIt+us(t)(3)式中uIt和us(t)分别为a点的基波电压与畸变电压。流入a点的电流可表示为：i(t)=iIt+is(t)(4)式中iIt和is(t)分别为a点的基波电流与畸变电流。线路阻抗压降可表示为：Δu(t)=ΔuI(t)+Δus(t)(5)式中ΔuI(t)和Δus(t)分别为线路阻抗压降中的基波电压与畸变电压。在畸变信号条件下电网的简化模型中，us(t)、is(t)与Δus(t)均为随机畸变信号
6、。由功率理论可得a点的瞬时功率为：pat=uati(t)(6)把式（3）、（4）带入式（6）得：pat=[uI(t)+us(t)][iIt+is(t)]=uI(t)iIt+uI(t)is(t)+ustiIt+us(t)is(t)=PIt+PIst+PsIt+Ps(t)(7)A点的平均功率为Pa=1T0TPatdt=1T0T[PIt+PIst+PsIt+Ps(t)]dt=PI+PIs+PsI+PS(8)在式（8）中，PI代表非线性负载吸收的基波功率，PIs代表基波电压与畸变电流产生的功率，PsI代表畸变电压与基波电流产生的功率，PS代表畸变电压与畸变电流产生的功率，因此，PS也称
7、作畸变功率。1.2畸变信号条件下电能合理计量的新方法由功率潮流方向的理论分析和仿真结果可知：1）PI＞０,PI代表基波电压与基波电流产生的功率。2）PIs≥0，PIs代表基波电压与畸变电流产生的功率。3）PsI≤０，PsI代表畸变电压与基波电流产生的功率，它以基波电流的方式回馈电网，不会对电网产生污染。4）PS＜０，PS代表畸变功率，它以畸变电流的方式回馈电网，会对电网产生污染。合理计算的功率Ｐ应为： Ｐ＝PI+PIs+PsI＝PI+PIs+PsI+PS-PS ＝Pa-
