1、畸变信号条件下电能计量技术进展摘要：在综合分析国内外电能计量技术的基础上，说明现在使用的电能计量技术对非周期畸变信号所产生的电能消耗无法准确计量，介绍了畸变信号条件下电能计量技术的进展情况。 中图分类号：G353.11 文献标识码：A 文章编号： 前言 电能计量是否准确，直接影响到多项电力能源经济技术指标，关系到电力企业和电力用户之间的贸易公平。准确计量电能不但是电力企业参与市场化竞争的首要条件，还是其生产、科研和经营不可缺少的一项重要工作。电能计量还在一定程度上间接地影响着国计民生的社会效益。在能源匮乏的今天，节约资源被我国定为基本国策，国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略。
2、电能计量数据可以为电能的高效利用和合理调配提供依据。 当前电网中有大量的非线性、冲击性负荷，这些负荷导致电网信号的波形畸变，使电网信号在存在谐波、间谐波稳态畸变的同时还存在电流、电压剧变等暂态的畸变。目前采用的电能表还是基于传统工频正弦电网信号设计的，并未对这些非线性、冲击性负荷采取特别的计量手段，这十分不合理。传统电能表采用 FFT 分析方法来分析谐波，只能准确分析稳态周期信号，而不能正确计量暂态畸变信号条件下的电能。另外，目前使用的电能计量方案是对基波电能和谐波电能分别计量，并判断谐波功率的潮流方向，这样的计量方式也不能解决暂态畸变信号条件下电能合理计量问题。电网中不单只含有谐波信号，还含
3、有其他畸变信号，基波的电信号和畸变的信号之间存在着能量的交换，基于传统工频正弦电网信号所设计的电能表不适用于畸变信号条件下的电能计量。 1、波形畸变的基本概念 理想的电力系统为固定频率、电压幅值的标准正弦波，三相的相电压和相电流幅值大小相等、初相角依次相差 120、三相对称。如果是线性负荷，且负荷投切对电网造成的冲击很小，系统中的电压、电流信号与电源端的信号同步变化，是理想的三相正弦状态，电网波形没有畸变。波形畸变是由非线性、冲击性负荷引起的，使电网信号不再是正弦波信号，非正弦、非平衡反而成为电网的常态。 1.1 稳态畸变信号 大部分情况下，电网信号的畸变不是任意的，而是变化缓慢、呈现周期性的
4、规律。这些信号都属于稳态信号，包括次谐波、谐波、间谐波、电压波动、电压闪变等。 次谐波是指频率低于基波的电量，谐波是指频率为基波的整数倍的电量，间谐波是指频率为基波非整数倍的电量。次谐波、谐波、间谐波主要是由正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生的。 电压波动指供电系统中负荷改变，导致供电电压 U0 逐渐偏离标称电压 UN。电压闪变是指使照明灯闪烁，人眼能察觉到光线变化时的电压波动。 非线性负荷的主要特点是，当外加电压、电流变化时，其阻抗会随之变化，即非线性负荷的阻抗是电压或电流的函数。 1.2 暂态畸变信号 电压中的暂态畸变信号以频谱连续和持续时间短为特征，一般分为振荡暂态和脉冲暂态
5、。振荡暂态是指电压下降、电压上升、电压瞬时中断等；暂态脉冲是指瞬时脉冲或突变。这些信号主要由容量较大、且投切频繁的负荷产生，这类负荷被称为冲击性负荷。 2、国内外畸变信号条件下电能计量的研究现状 电能表先后有利用电解原理制作的直流表、利用旋转磁场理论的感应电能表和电子电能表。目前普遍使用的电子电能表具有精度高、实时测量、开放式通信技术应用、三相电能计量专用芯片、谐波电能计量的特性。 随着电网中各种非线性、冲击性负荷的投入使用，而产生大量的暂态信号，如电压骤升、骤降、脉冲造成的电网畸变导致一部分电量没有被计量。针对这些畸变的信号，要制备高过载能力、高运算速度、计量指标多的电能表。上世纪 80 年
6、代，国内外开始了谐波条件下和非稳态信号条件下电能合理计量方式和仪表的研究。这些研究分为四方面：一是电能计量数学算法；二是非线性、冲击性信号对计量准确性的影响以及进行硬件的改进；三是制定电能计量标准以及如何进行量值的传递；四是功率计量理论的发展。 2. 1 算法研究 在电能计量数学算法方面，有改进的 FFT 算法、Guass-Newton 算法，克服了 FFT 算法易受频率变化影响的不足；也有将现代谱估计法引入到谐波、间谐波的分析，通过基于互相关的互谱 Min-Norm，可以实现对谐波、间谐波的超分辨率检测，克服了 FFT 算法、小波分析存在的频谱泄露问题；还有采用小波变换与傅里叶变换相结合的暂
7、态谐波分析方法，解决了频域上不同尺度的小波函数互相干扰的问题，能分离频率相近的分数次谐波和整数次谐波，提高了分析精度。但目前这些算法尚处于理论分析或仿真研究阶段，有待实践考验。 畸变功率测量的最新方法中，研究最广并取得一定成果的是采用小波变换的功率测量方法。小波变换在信号的分频带分解、测量方面取得了一些理论成果，有小波子空间的采样理论、非二进小波变换在电力系统微机保护数字滤波器算法等新的研究成果。小波变换已经开始应用于电能质量分析中，主要用于非稳态信号的准确定位和小波分析，还出现了离散多小波变换、小波包变换在电能计量方面的应用。但采用小波变换的方法计量电能还刚刚起步，一些问题有待解决： （1）
8、动态畸变信号复杂多变，选用哪种小波函数才能满足抗频谱混叠和能量泄露的要求，尚缺乏这方面的研究。 （2）第一代小波变换计算量大、耗时长，不能满足信号的实时测量，同时占用内存量大，难以用芯片来实现。 2. 2 降低误差 传统电能表在非线性、冲击性负荷条件下，不同表计计量的结果差异较大，研究显示冲击性负载对电能计量存在影响，且对不同原理电能表的影响程度各不相同。在冲击性负荷的情况下，负荷的电流变化过大，甚至现场校验仪本身都不能正常工作，无法判断计量的结果的准确性。传统电能表面对畸变信号时容易产生误差的因数主要有： 2.2.1 带宽有限引起的误差。电能表计量的频带宽度受输入电路和采样频率的限制，当电网
9、信号中含有大量高次谐波或存在频繁启停的冲击负荷时，波形畸变严重，脉冲越窄，频域的范围会越宽，频谱函数随频率的增加衰减得十分缓慢，这样就对电能表的计量频带提出了更高的要求。电能表的电流输入电路往往不能达到需要的频带宽度。目前，电流输入电路普遍采用的是电流互感器变为小电流信号，再经高精度、高稳定的金属膜电阻转换为电压信号经一个模拟低通滤波器后输入 A/D。电流互感器存在非线性的情况，对不同频率的信号转换比例不一致，且误差随着频率的增加非线性地加大，偶次谐波的波形变换误差比奇次谐波的误差更大。因此，冲击性负荷在经过互感器以后，又再次发生了附加的畸变，即使引入相位补偿，也只能针对特定的频率如基波频率，
10、不能补偿其他频率的相移。电流互感器的频带最高也只有几百赫兹，显然达不到计量高次谐波的要求。 2.2.2 过载误差。大功率的冲击性负荷启停时，将产生很大的冲击电流，使电能表高度过载，由此产生过载误差，过载越严重，误差越大。过大的冲击电流还会使互感器的铁芯趋于饱和，误差急剧增大，不同的互感器，饱和电流的大小也是不同的。铁芯的饱和还会引起发热，导致二次回路的阻抗增大，进一步增大误差。 2.2.3 频谱泄露误差。在技术上保证同步采样是较为困难的，采样时容易产生频谱泄露，这是因为冲击性负荷产生的电网信号中除谐波外还含有间谐波及次谐波，在两个离散的采样点之间会出现幅值较小的假谱，将会造成采样信号的相位在始
11、端与终端不连续。而信号的随机变化也更加大了同步采用的难度，增加了频率泄露误差。 由采样与信号同步的原理来分，可分为软件同步采样、硬件同步采样、准同步采样三类。软件同步采样是依靠对频率的准确测量，根据测量到的频率值来设置采样间隔，调用定时中断服务程序来实现的。软件同步采样虽然在理论上拥有很高的准确率，但在实际应用中，因为总是根据上一个采样周期所测量的频率来修订下一个采样周期的频率，当电网频率存在波动时，就不能实现真正的同步采用。另外，处理器中断响应时间具有分散性，一般是 3-11，这样会造成采样间隔时间的不同，并会积累同步误差。因为软件同步采样必须要以频率的精确测量为前提，所以在电能表领域很少使
12、用。硬件同步采样一般使用硬件锁相环电路来对信号锁相、倍频、触发处理器硬件中断。造成硬件同步采样误差的，主要有锁相环的锁相精度以及处理器每次响应时间的不一致，但可以采用多种措施来消除。准同步采样，即取样频率不是信号基波频率的整数倍，这种采用将将引起频谱泄露和截断误差。频谱泄露导致分析结果的频率偏差，新谐波分量的产生，截断误差导致测量值与真值存在偏差。要弥补准同步误差，需要对频率变换进行补偿，如采用固定的采样间隔，加大采样窗、调整采样次数等措施，能取得较为理想的精度。准同步采样因为其算法简洁，可采用性价比较高的转换器，在电能表领域应用广泛。 设计畸变信号条件下的电能表，除了考虑前述的前置电路的抗冲
13、击、抗饱和等因素，还要选择高采样速率的 A/D 和高计算能力的数字处理器件。这是因为非稳态畸变信号里含有多种不同性质的分量，如基波、谐波、间谐波等，提取这些分量的算法较为复杂，对硬件系统提出了很高的要求。 综上所述，传统的电能表普遍存在着带宽有限、量限低、响应速度慢等问题，不能准确计量含有丰富高频信号、冲击信号等畸变信号条件下的电能。 2. 3 畸变信号条件下电能计量标准和量值传递 为了评估电能表的准确性和精度，国内外针对谐波测量和电能计量方面制定了一系列标准，国内谐波测量方面的标准中规定了电网允许的谐波电流、电压含量。如 GB/T17215 对谐波信号条件下的电能计量准确度提出了要求，在 5
14、 次谐波电流含量 I5=40%和 5 次谐波电压含量 U5=10%时必须满足要求，且规定了谐波信号对电能计量准确度的影响。这其中没有提及谐波电能的计量，而只把电压、电流中的谐波看做对功率计量精度的影响量，规定当谐波存在时，应达到的计量精度。这些标准都相对宽松，目前的电子表均能满足要求。 对动态、暂态电信号的电能计量的研究尚处于初始阶段，更没有制定动态、暂态信号条件下的电能计量标准，现阶段也存在对复杂用电环境下功率定义的物理意义不明确，计量精度难以溯源的问题。我国还未制定非正弦有功、无功功率测量或无功电能计量的行业标准或国家标准，非正弦电网信号条件下的无功功率和电能的计量精度溯源也无法展开。随着
15、更多的非线性、冲击性负荷投入电网，相信国家和用户对畸变信号条件下功率、电能的计量会提出更高的要求。 目前电能表的溯源和量值传递主要依靠与高精度的电能表测量值的比较来完成，这些表被称为标准表。欧洲制造了三相 0.01 级具有谐波功率计量功能的标准表，美国制造的多相功率标准源，既可以产生基波电压电流，还能设定前 100 次谐波的失真，谐波幅值最高可设置为基波值的 30%，设置总谐波失真（THD）最高达 50。不过这些装置还是建立在稳态信号条件下的，研究非稳态条件下的高精度电能计量设备才是准确的溯源和量值传递的当务之急。 2. 4 功率计量理论的发展 频域法和时域法是目前功率定义的两大主要派别，但传
16、统功率定义在非正弦情况下并不能完全解决问题。正弦情况下单、三相功率满足“功率三角”关系，非正弦情况下如仍采用传统定义，计算的功率将不能满足功率三角关系。 上世纪 70-80 年代，学者们在频域法功率理论的基础上进一步对电流进行频域分解，也在时域法功率理论的基础上对电流进行进一步的分解。HAkagi 则以功率的瞬时性为前提形成了瞬时功率理论，这一理论广泛应用于无功补偿领域。中国学者则分析了电流分解、派克变换、向量积之间的相互关系。但目前还没有那种功率理论得到广泛认同。 随着各种非线性、冲击性电力负荷广泛投入使用，功率理论又得到学界的广泛关注。90 年代，学者提出了针对非正弦电路的广义功率以及与其
17、相关的特征数的定义，2004 年，又有学者提出了冲击负荷电能计量理论与算法研究，这样就形成了一种广义的功率体系。但广义功率理论还在发展和完善之中，对广义功率方面的研究是非正弦功率理论中最有前途的发展方向。 结语 非线性、冲击性负荷给电网带来各种污染，使电能质量下降，危害网内其它用电设备的安全、可靠运行的同时，也直接影响到电能计量的准确度。在这种情况下，基于传统正弦功率理论的表计难以胜任对电能准确计量的任务；而一些基于传统非正弦功率理论的高端电能表，在具有严重的功率冲击 、三相不平衡 、谐波、间谐波、电压与电流剧变等复杂电气特性的电网环境下，也存在功率定义的物理意义不明确、计量精度难以溯源的问题。解决任意波形下的准确计量以及精度溯源问题，是电力系统发展新形势下对电能计量系统提出的新要求，解决此难题，有赖于电能计量技术的进一步发展。
