1、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)問(wèn)題綜述

      近年來(lái),隨著以電力電子裝置為代表的非線性負(fù)載的大量使用,以微機(jī)化為代表的各種復(fù)雜精密用電設(shè)備不斷普及,用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高。這一問(wèn)題已引起各級(jí)電力部門(mén)的高度重視,國(guó)家也頒布了有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。合格電能質(zhì)量是指提供給敏感設(shè)備的電力和為其設(shè)置的接地系統(tǒng)均適合于該設(shè)備正常工作。

      隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力用戶采用了大量時(shí)變控制的非線性設(shè)備;電能的使用范圍擴(kuò)大,電力用戶中涌入了大量的沖擊、非線性負(fù)載及不平衡負(fù)荷;新的發(fā)電方式與儲(chǔ)能方式的推廣使用、高壓直流輸電、新型控制方式，以及使用許多非線性元件對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高。以上種種原因產(chǎn)生了電能質(zhì)量問(wèn)題，主要包括斷電、頻率偏差、電壓下跌、電壓上升、瞬時(shí)脈沖、電壓波動(dòng)、電壓切痕、諧波、間諧波、過(guò)電壓、欠電壓等。

      電能質(zhì)量問(wèn)題會(huì)對(duì)電網(wǎng)及用戶設(shè)備造成嚴(yán)重的影響,主要表現(xiàn)為:

      (1)電壓波動(dòng)

      會(huì)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻,并危及電動(dòng)機(jī)運(yùn)行,影響產(chǎn)品質(zhì)量,引起照明的“閃變”,使人眼疲勞而降低工效。電壓波動(dòng)和閃變還會(huì)對(duì)數(shù)字系統(tǒng)形成干擾,造成誤動(dòng);

      (2)電網(wǎng)諧波含量增加

      導(dǎo)致電氣設(shè)備壽命縮短,甚至損壞,網(wǎng)損加大,系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加,同時(shí)可能引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng),儀表指示和電度計(jì)量不準(zhǔn)以及通信受干擾等一系列問(wèn)題;

      (3)三相電壓不平衡

      會(huì)引起電機(jī)附加振動(dòng)力矩和發(fā)熱、變壓器漏磁增加和局部過(guò)熱,電網(wǎng)線損增大,干擾通訊以及多種保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)等;

      (4)電壓暫降

      主要影響工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)電壓敏感的電氣設(shè)備(例如電子設(shè)備等)的正常工作,甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此,電壓暫降已成為現(xiàn)代電力用戶面臨的嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題之一。 

      2、諧波對(duì)電能計(jì)量影響的分析

      電能計(jì)量是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)核算的依據(jù),其精度關(guān)系到電力供需雙方的經(jīng)濟(jì)效益。而電力諧波的存在,使得電能計(jì)量失準(zhǔn),這給供用電雙方都帶來(lái)影響。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電網(wǎng)中的諧波污染越來(lái)越嚴(yán)重,電能表是否準(zhǔn)確、真實(shí)地反映非線性用戶的用電量還是一個(gè)正在探討的問(wèn)題。因此分析研究諧波對(duì)電能計(jì)量的影響具有重要意義。

      2.1諧波對(duì)電磁式電能表的影響

      傳統(tǒng)的電磁式電能表是利用處在交變磁場(chǎng)金屬中的感應(yīng)電流與有關(guān)磁場(chǎng)形成力的原理制成,由于這類(lèi)電能表是按照工頻正弦波設(shè)計(jì)制造的,只能保證在工頻范圍很窄的頻帶內(nèi)具有工作性能。當(dāng)電力系統(tǒng)中的波形發(fā)生畸變,感應(yīng)式電能表不可避免地會(huì)產(chǎn)生計(jì)量誤差。

      電磁式電能表的電能計(jì)量誤差頻率特性曲線呈迅速下降趨勢(shì);計(jì)量誤差隨頻率的增高而增大;諧波頻率為20倍頻(1000Hz)左右時(shí),誤差超過(guò)了-90%;不同功率因數(shù)下的誤差值有一定的差異。

      從計(jì)量原理上對(duì)電磁式電能表進(jìn)行分析,得出電磁式電能表在諧波條件下計(jì)量的電能一般不能正確反映用戶實(shí)際使用的電能,具體如下:

      (1)當(dāng)用戶為線性用戶時(shí),諧波與基波潮流方向一致,電能表計(jì)量的是基波電能和部分諧波電能,計(jì)量值大于基波電能。線性用戶不但受到諧波損害,而且還要多交電費(fèi)。

      (2)當(dāng)用戶為非線性用戶(即諧波源)時(shí),用戶除自身消耗部分諧波外,還向電網(wǎng)輸送諧波分量,向電網(wǎng)輸送的這部分諧波潮流與基波潮流方向相反,電能表計(jì)量的電能是基波電能和扣除這部分諧波電能,計(jì)量值小于基波電能值。非線性用戶雖然污染了電網(wǎng),反倒少交了電費(fèi)。所以隨著電網(wǎng)諧波的增多,人們對(duì)電能質(zhì)量的要求越來(lái)越高,電磁式電能表逐步會(huì)被淘汰。

      2.2諧波對(duì)電子式電能表的影響

      目前,電子式電能表在城市電網(wǎng)中已經(jīng)得到普遍使用,我國(guó)的電子式電能表主要采用模擬式分割乘法器實(shí)現(xiàn)測(cè)量電功率和電能。隨著電力系統(tǒng)諧波含量的不斷增加,電子式電能表在諧波下的計(jì)量不可避免地出現(xiàn)誤差。

      電子式電能表具有更寬的頻率響應(yīng)。電子式電能表的計(jì)量誤差也是隨著諧波頻次的升高而增加,但電子式電能表計(jì)量誤差比電磁式電能表計(jì)量誤差小得多,20倍頻諧波的頻率特性誤差值不超過(guò)4%。

      通過(guò)對(duì)電子式電能表進(jìn)行誤差分析得出:電子式電能表由于頻帶較寬,對(duì)基波電能和諧波電能都能較準(zhǔn)確計(jì)量,但值得注意的是它把諧波功率和基波功率同等對(duì)待,這樣計(jì)量誤差會(huì)增大。它的電能計(jì)量模型為:E=E1+∑Eh。

      2.3諧波對(duì)數(shù)字式電能表的影響

      數(shù)字式電能表是在電子式電能表的基礎(chǔ)上提出的,它是使用數(shù)字乘法器,采用A/D轉(zhuǎn)換器將電壓和電流進(jìn)行數(shù)字化相乘,可以達(dá)到很高的測(cè)量準(zhǔn)確度。數(shù)字式電能表通常在一定周期內(nèi)對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采樣處理,當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí),采樣周期很難達(dá)到與實(shí)際的信號(hào)頻率同步,就會(huì)出現(xiàn)頻譜泄漏和柵欄效應(yīng),使電能計(jì)算出現(xiàn)誤差。

      以下介紹幾種減小采樣誤差的方法:

      (1)先測(cè)頻后采樣

      先通過(guò)測(cè)量信號(hào)波形相繼過(guò)零點(diǎn)間的時(shí)間寬度來(lái)計(jì)算頻率,再根據(jù)得到的頻率確定采樣周期進(jìn)行采樣和諧波分析。

      (2)測(cè)頻和采樣同時(shí)進(jìn)行

      由于電力系統(tǒng)中的頻率是經(jīng)常波動(dòng)的,所以采樣時(shí)間間隔應(yīng)該隨著系統(tǒng)頻率f1的波動(dòng)而變化,這就是頻率跟蹤算法。同步采樣跟蹤系統(tǒng)頻率的變化，采樣頻率fS不再是恒定不變的，當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)，采樣頻率fS自動(dòng)在中心采樣頻率fS0上下波動(dòng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣周期TS來(lái)實(shí)現(xiàn)fS/f1=N為不變整數(shù)，以保證采樣頻率與信號(hào)頻率同步。

      (3)先采樣后測(cè)頻

      這是在傳統(tǒng)FFT算法的基礎(chǔ)上提出的,是針對(duì)解決FFT算法在非同步采樣時(shí)存在較大誤差問(wèn)題提出的方法,而且這兩種算法可以明顯地提高測(cè)量精度。

      ①基于修正采樣序列的FFT算法:主要是用于當(dāng)采樣頻率與系統(tǒng)頻率不同步時(shí)，進(jìn)行諧波分析。當(dāng)采樣不同步時(shí),首先對(duì)原始采樣序列做泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi),忽略高階系數(shù),得到新序列,從而對(duì)信號(hào)采樣序列進(jìn)行一次修正,得到基本滿足整周期采樣的采樣序列。然后再應(yīng)用FFT進(jìn)行諧波分析,計(jì)算出各次諧波的幅值和相角,得到基波功率和基波電能。

      ②基于插值同步化的FFT算法:它是從非同步采樣數(shù)據(jù)的同步化角度尋求解決頻譜泄漏問(wèn)題的方法。該同步化方法的思想是在截取M個(gè)非同步采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上構(gòu)造整周期的N個(gè)理想同步采樣點(diǎn),即通過(guò)在時(shí)域上采用插值方法得到近似理想同步采樣點(diǎn)序列。

      由于目前各種數(shù)據(jù)采樣技術(shù)和算法已經(jīng)發(fā)展得比較成熟,因此,數(shù)字式電能表可以在諧波存在的條件下,比較好地對(duì)電能進(jìn)行計(jì)量。

      3、結(jié)束語(yǔ)

      總之,電能作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的主要能源,電能計(jì)量關(guān)系到發(fā)電、供電和用電三方的經(jīng)濟(jì)利益,所以電能計(jì)量必須準(zhǔn)確合理。由于電網(wǎng)中諧波的普遍存在,對(duì)電能計(jì)量造成了較大的影響,因此,有必要開(kāi)展對(duì)這一問(wèn)題的深入研究。