基于冲击性负荷条件下的电能计量方法及技术研究

基于冲击性负荷条件下的电能计量方法及技术研究

李丽

国网四川省电力公司大英县供电分公司 四川遂宁 629000

摘要：传统的电能计量方法在冲击性负荷条件下无法进行准确计量，想要准确计量冲击性负荷，就要明确该条件下的谐波特性。基于此，本文针对冲击性负荷条件下的电能计量方法及技术进行研究，在简单了解传统电能计量方法中存在的问题，有针对性的提出全新的电能计量方法，以提高计量的准确性。

关键词：冲击性负荷；电能计量；技术手段；计量算法

引言：冲击性负荷是周期性、非周期性突发变化的负荷，一般情况下，额定容量较大的用电设备经常会出现这种情况。在冲击性负荷条件下，会对电力系统的频率产生负面影响，而且这种负荷的电气特性较为特殊，谐波分布不规律，对电能计量的方法和技术都带来全新挑战，因此需要对冲击性负荷条件进行分析研究。

一、冲击性负荷的特性

冲击性负荷具有负荷升降速度较快，升降过程间隔较短等特点，如果让冲击性负荷长期大量存在，会对地区供电的电能质量与计量准确度造成严重的负面影响，必须要提高重视。纵观当前工业技术的发展情况来看，出现了很多大容量冲击性负荷，这些设备的接入直接导致了负荷功率增加，即使在正常运行中，因其供电系统负荷波动的概率也相对较高。在分析冲击性负荷条件下的电能计量方法及技术，先要了解冲击性负荷的具体特性：电弧炉、轧钢机、电气化铁路等都是较常出现典型冲击性负荷的区域，在出现冲击性负荷后，时域、频域都会发生变化。以电弧炉为例，电弧炉的运行周期可以分为三个阶段，但是在冲击性负荷的条件下，负荷波形会呈现出正负半波不对称、波形轮廓不规则、随机变化等特性，尤其是在熔炼初期，这种瞬时变化现象最为明显。除此之外，在实际应用的过程中，频域特性也较为特殊，电弧炉本身的热量较大，在实际应用过程中容易受到多方面因素的影响，经常会出现非常明显的非线性特性，继而产生较为严重的谐波，不同周期内都会出现较为明显的波动，除了整次谐波之外，还包含次谐波、间谐波等。除此之外，大型轧机工作过程中也会产生冲击性负荷，从而引发电压波动，给电网造成频率问题、高次谐波问题等。想要有效解决这一问题，就要充分了解冲击性负荷对计量设备的影响，以此有针对性的提出电能计量技术及方法。

二、冲击性负荷对电能计量设备的影响

由上可知冲击性负荷中包含了多种不同性质的分量，包括：基波、谐波、间谐波、负序甚至零序等，严重的情况下，会出现电压闪变、波形畸变、电流巨变等情况，继而威胁到电能表、互感器等设备，在这样的情况下，就会导致计量误差。以河北省电网为例，在实际应用过程中，大部分电能计量表为机械表、电子表，这些设备都会受到冲击性符合的影响，造成误差的常见因素包括以下几种：第一，采样次数；第二，A/D转换精度；第三，乘法器误差；第四，电压、电流互感器；第五，放大线路元器件分散性等，都有可能造成较大幅值误差和相位误差。之所以，冲击性负荷会对电能表、低压电流互感器等计量设备造成影响，是因为，在冲击性负荷条件下，低压电流互感器会出现饱和现象，继而威胁到计量准确性，此外，冲击性负荷条件下还会出现闪变，闪变的发生是随机的，次数、幅值、时间都会出现一定的不同。从图1中就可以看出，闪变波形在正常波形上叠加了尖顶脉冲。对于机械表、电能表而言，在冲击性负荷下，设备本身的驱动力矩会发生变化，导致表盘发生阶段性的过度计量，此外设备本身的采样频率、电压闪变也影响到计量的准确性，冲击性负荷下，即使电子表具有一定的抗干扰能力，也无法完全采集高频谱谐波，最终导致计量装置出现误差^[1]。

图 1 闪变波形图

三、冲击性负荷下电能计量方法及技术

（一）谐波条件下电能计量的准确度分析

在实际计算的过程中，首先要明确谐波电压、电流波形的具体表达式，利用谐波的电压、电流波形的幅值、初始相角、功率等参数进行计算。然后将电压、电流波形离散化，最终得到电压、电流的瞬时值点积和，根据不同次谐波功率误差测试结果，就可以准确计算得出该次谐波的有功电能。

表 1 不同次谐波功率误差测试结果

（二）间谐波条件下电能计量的准确度分析

间谐波的影响相比较谐波来讲，更为复杂，因此如果冲击性负荷条件下，含有间谐波时想要准确计算电能计量就要考虑到采样频率及选用的计算周期数影响。利用基波电压、电流波形的幅值、初始相角、功率等参数以及间谐波次数进行计算，同时考虑到计算的准确性，将所有的初始相角设置为0，同时间谐波为基波含量的50%，就可以得到有功功率的理论值。一般情况下，有功功率采取单周期平均值，在此基础上使用仿真软件对理论积分和离散点积和算法开展建模仿真的们就可以得到间谐波条件下电能计量的误差问题。最终发现，不同采样频率但同一间谐波条件下，电能计量误差趋势走向相同，同时采样频率越高、误差越小^[2]。

（三）电能计量的方法及技术分析

针对上述分析，本文提出了软件计量法，考虑到上述内容中提出的点积和算法在间谐波条件下会出现较大的误差，但可以通过仿真软件指导变化率，因此借助软件计量法可以更好的捕捉波形快速细微变化，减小误差。比如：较高采样频率25.6kHz、周期采样点数为512点。这种软件计量法可以针对逐不同频率谐波进行非线性相位补偿，在冲击性负荷条件下，电能质量必须要得到解决，常规的谐波分析会导致误差的出现，但是通过这一技术可以将谐波进行相移修正，以此消除误差，且这种方法较为便捷，数据的准确性极高。除此之外，硬件计量技术也是一种应对冲击性负荷的计算方式，通过设置合理的阈值，就可以对采样点进行逐一判断。比如：可以将阈值以下的微弱信号放大8倍，避免有效值判断过程中可能引起的冲击饱和，结合PGA放大后，采用上述24位AD芯片，在1%I_n时的计量精度提高到-0.13%。通过对冲击性负荷下电能计量的研究，结合冲击性符合产生的谐波、间谐波特性分析，得到了软件计量和硬件计量两种方式，可以有效减少冲击性负荷条件下带来的计量误差，让谐波电能分摊的合理性及谐波污染的治理得到进一步发展，但是在实际应用过程中，还需要制定相应的应对措施，以此进一步提高电能计量的准确性。

四、冲击性负荷下电能计量的应对措施

除了建立完善冲击性负荷下电能计量方法及技术之外，还可以有针对性的采取应对措施，根据现场实际研究来看，想要尽可能地减少冲击性负荷带来的影响，让电能表正常工作，可以准确分析这一负荷条件下的影响。比如：母线电量平衡分析方法，通过比较冲击性负荷下的电能表电量和母线平衡电量之间的区别，可以达到缩短误差的目的，但是这种方法的实时性误差较大^[3]。除此之外，在电能计量实际运行环境中，想要减少冲击性负荷对电能计量的影响，就要考虑到冲击性负荷条件下的对电流特征，有针对性地减少运行设备的谐波、冲击污染等情况，在一个良好的电网环境下，就可以准确计量。如果是一些冲击性负荷影响较重的区域，可以给计量设备安装相应的压敏热敏保护电路，以此降低影响。这一措施是利用了谐波经过变压器后出现一定时间段的衰弱现象，来达到减降低谐波污染的目的。除此之外，在实际应用的过程中，还要重点针对计量设备受到的冲击性负荷的影响进行分析，以此有效保证运行安全。值得一提的是，除了上文中提及的冲击性负荷下电能计量方法及技术之外，“高供高计”计量方式也可以减少冲击性负荷对计量设备的影响。不仅如此，这种方式还能够有效避免低压电流互感器和电能表长期处于饱和状态或者过负荷状态，在一些变比较大的低压电流互感器中应用，具有良好的效果。

总结：综上所述，冲击性负荷条件下电能计量方法及技术都要进行创新发展，以此保证电能计量的准确性，规避传统电能计量方法中存在的问题。通过本文分析，对冲击性负荷条有了全面的了解，有针对性的提出了误差补偿这一电能计量方案，提出了电能计量硬件技术，有效降低了计量误差，为其他电能研究提供参考。

参考文献：

[1]魏伟,汪旭祥,李帆,唐登平,丁黎.冲击性负荷条件下的电能计量方法及技术[J].湖北大学学报(自然科学版),2019,41(04):383-390.

[2]林国营,张永旺,赵伟.电气化铁路牵引变电站现场电能参数的测量分析[J].电测与仪表,2017,54(15):81-85.

[3]李海东.非线性负荷计量系统研究[D].山东大学,2017.