CN106771552B - 一种畸变功率计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种畸变功率计量方法，包括以下步骤：步骤一、获取基波视在功率S₁、全波电压V及基波电压V₁，计算电压畸变率THD_V，并进一步计算无责任视在功率S′；步骤二、根据全波视在功率S、无责任视在功率S′，计算畸变功率D_H。本发明基于IEEE 1459‑2010的功率定义，其应用能准确的量化负荷产生的谐波污染，提高电能计量的公平性。

Description

一种畸变功率计量方法

技术领域

本发明涉及电能计量技术，具体是一种畸变功率计量方法。

背景技术

电能计量是供电方与用电方进行结算的依据，电能计量的公平性和合理性直接关系到供用电双方利益。随着电力电子技术的发展，非线性负荷日益增多，导致电压、电流波形发生较严重的畸变，系统谐波污染越来越严重，对设计用于传统正弦基波的电能表的计量公平性和准确性造成了影响。

目前电能计量方式主要有全波计量、基波计量、以及基波和谐波分别计量三种计量模式，其中，前两者在波形畸变条件下计量公平性存在不足，基波和谐波分别计量的计量模式是一种较好的选择。现有基波和谐波分别计量的计量模式应用时，基波计量技术较为成熟，但是谐波计量主要针对谐波有功功率，无法准确判断负荷是否产生谐波，无法准确量化负荷产生的谐波。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种畸变功率计量方法，该方法基于IEEE 1459-2010的功率定义，其应用能准确的量化负荷产生的谐波污染，提高电能计量的公平性。

本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：一种畸变功率计量方法，包括以下步骤：

步骤一、获取基波视在功率S₁，全波电压V及基波电压V₁，计算电压畸变率THD_V，并进一步计算无责任视在功率S′；

步骤二、根据全波实在功率S、无责任视在功率S′，计算谐波畸变功率D_H。

进一步的，所述步骤一中电压畸变率THD_V的计算公式如下：

其中，V₁为基波电压，V_H为谐波电压，V_h为第h次谐波电压有效值。

进一步的，所述步骤一中无责任视在功率S′的计算公式如下：

S′＝S₁(1+THD_V ²)。

进一步的，所述畸变功率D_H的计算公式如下：

D_H＝S-S′＝S-S₁(1+THD_V ²)。

进一步的，所述畸变功率D_H计算公式的推导步骤如下：

在平稳条件下，波形畸变的电压v分解为工频电压分量v₁和剩余电压分量v_h，波形畸变的电流i分解为工频电流分量i₁和剩余电压分量i_h，则有

v＝v₁+v_h

i＝i₁+i_h

其中：

式中，t为时间，w为基波角频率，h为谐波次数，以基波电压为参考相量，θ₁为基波电流相位角，α_h为h次谐波电压相位角，β_h为h次谐波电流相位角；

用有效值可表示为：

V²＝V₁ ²+V_H ²；

I²＝I₁ ²+I_H ²；

式中，V₁为基波电压，V_H为谐波电压，V_h为第h次谐波电压有效值，I₁为基波电流，I_H为谐波电流，I_h为第h次谐波电流有效值；

因此，视在功率S可以分解如下：

S²＝V²I²＝(V₁ ²+V_H ²)(I₁ ²+I_H ²)

＝(V₁I₁)²+(V₁I_H)²+(V_HI₁)²+(V_HI_H)²

＝S₁ ²+D_I ²+D_V ²+S_H ²

式中，根据IEEE 1459-2010定义，D_I为电流畸变功率，D_V为电压畸变功率，S_H为谐波视在功率；

总谐波电压、电流波形畸变率定义为：

因此可得，

认为不会产生任何与电压谐波次数不一致的电流的负荷为无责任负荷，即该类负荷的各次电压、电流值满足线性，则其电压畸变率、电流畸变率一致，则此时无责任视在功率可以表示为：

S′²＝S₁ ²+D_I ²+D_V ²+S_H ²

＝S₁ ²+S₁ ²(THD_I)²+S₁ ²(THD_V)²+S₁ ²(THD_V)²(THD_I)²

＝S₁ ²+S₁ ²(THD_V)²+S₁ ²(THD_V)²+S₁ ²(THD_V)²(THD_V)²

＝S₁ ²(1+THD_V ²)²

即S′＝S₁(1+THD_V ²)

定义畸变功率D_H为视在功率S与无责任视在功率S′之差，则其表达式为：

D_H＝S-S′＝S-S₁(1+THD_V ²)

综上所述，本发明具有以下有益效果：(1)本发明应用时结合标准定义，能有效量化负荷产生的谐波污染，采用本发明对智能电表畸变功率计量时，能提高电能计量的公平性。

(2)本发明在进行畸变功率计量时，仅需在现有电能计量芯片的基础上，计算电压畸变率、无责任视在功率，经过简单数学计算即可得到畸变功率，算法简单，计算量较小，采用现有智能电表即可实现，具有工程实用性和可行性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一个具体实施例的流程图；

图2为实施例1提供的同时存在线性负荷和非线性负荷的单向电路图；

图3为某钢厂精炼炉2h电压、电流畸变率变化趋势图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，一种畸变功率计量方法，包括以下步骤：步骤一、获取基波视在功率S₁，全波电压V及基波电压V₁，计算电压畸变率THD_V，并进一步计算无责任视在功率S′；步骤二、根据全波实在功率S、无责任视在功率S′，计算谐波畸变功率D_H。

本实施例在具体实施时，步骤一中电压畸变率THD_V的计算公式如下：

其中，V₁为基波电压，V_H为谐波电压，V_h为第h次谐波电压有效值。

本实施例步骤一中无责任视在功率S′的计算公式如下：

S′＝S₁(1+THD_V ²)。

本实施例畸变功率D_H的计算公式如下：

D_H＝S-S′＝S-S₁(1+THD_V ²)。

本实施例畸变功率D_H计算公式的推导步骤如下：

在平稳条件下，波形畸变的电压v分解为工频电压分量v₁和剩余电压分量v_h，波形畸变的电流i分解为工频电流分量i₁和剩余电压分量i_h，则有

v＝v₁+v_h

i＝i₁+i_h

其中：

式中，t为时间，w为基波角频率，h为谐波次数，以基波电压为参考相量，θ₁为基波电流相位角，α_h为h次谐波电压相位角，β_h为h次谐波电流相位角。

用有效值可表示为：

V²＝V₁ ²+V_H ²；

I²＝I₁ ²+I_H ²；

式中，V₁为基波电压，V_H为谐波电压，V_h为第h次谐波电压有效值，I₁为基波电流，I_H为谐波电流，I_h为第h次谐波电流有效值；

因此，视在功率S可以分解如下：

S²＝V²I²＝(V₁ ²+V_H ²)(I₁ ²+I_H ²)

＝(V₁I₁)²+(V₁I_H)²+(V_HI₁)²+(V_HI_H)²

＝S₁ ²+D_I ²+D_V ²+S_H ²

式中，根据IEEE 1459-2010定义，D_I为电流畸变功率，D_V为电压畸变功率，S_H为谐波视在功率。

总谐波电压、电流波形畸变率定义为：

因此可得，

认为不会产生任何与电压谐波次数不一致的电流的负荷为无责任负荷，即该类负荷的各次电压、电流值满足线性，则其电压畸变率、电流畸变率一致，则此时无责任视在功率可以表示为：

S′²＝S₁ ²+D_I ²+D_V ²+S_H ²

＝S₁ ²+S₁ ²(THD_I)²+S₁ ²(THD_V)²+S₁ ²(THD_V)²(THD_I)²

＝S₁ ²+S₁ ²(THD_V)²+S₁ ²(THD_V)²+S₁ ²(THD_V)²(THD_V)²

＝S₁ ²(1+THD_V ²)²

即S′＝S₁(1+THD_V ²)

定义畸变功率D_H为视在功率S与无责任视在功率S′之差，则其表达式为：

D_H＝S-S′＝S-S₁(1+THD_V ²)

进一步地，定义的畸变功率可以衡量负荷的谐波责任的原理与实例证明如下：

现有谐波计量主要针对谐波有功功率，其表达式为：

式中，h为谐波次数，θ_h为h次谐波电压与h次谐波电流的相位差。此时应用的参数：谐波电压、谐波电流可能由系统和用户共同产生，没有明确各自的责任。而所述的畸变功率D_H为视在功率S与无责任视在功率之差，定义无责任负荷，与其他负荷的视在功率区分开以此量化谐波责任，下述根据实例证明。

利用Simulink建立同时存在线性负荷和非线性负荷的单相电路，具体电路结构如图2所示，设系统存在背景谐波电压，系统基波电压幅值为1kV，而3、5、7次谐波电压分别为基波电压的3％、1％和0.5％。系统阻抗Zu由50Ω的电阻组成。线性负载Z_l由100Ω的电阻组成，此时Z₁为无责任负荷。而非线性负载Z₂由100Ω的电阻和二极管串联组成。仿真步长为50us，总时间为5s，仿真获得如表1所示的负荷Z₁和负荷Z₂在关注点处基波、全波电压、电流、视在功率。由表1数据可知，负荷Z₁虽为线性负荷，但其谐波有功功率为36.04W，Z₁并未发出谐波但谐波有功功率不为0；负荷Z₂为非线性负荷，其谐波有功功率与基波功率方向相反，使得全波功率反而减小，因此谐波有功功率无法用于量化负荷谐波责任。

根据表1数据，计算电压畸变率，负荷Z₁和负荷Z₂的无责任视在功率，并进一步计算畸变功率。由表2数据可得到，负荷Z₁的畸变功率近似为0，满足其不产生谐波污染的特性，而负荷Z₂为非线性负荷，其畸变功率值为297.09VA，可以用于衡量谐波责任。

表1线性、非线性负荷电压、电流值

表2线性、非线性负荷畸变功率

实施例2：

本实施例以某钢厂精炼炉2h实测数据为例进行畸变功率计量，图3为电压、电流畸变率变化趋势图，表3为精炼炉的功率值。精炼炉为电弧性负荷，是钢厂的主要非线性负荷，在观测时间段THD_V最高4.09％，THD_I最高92％，波形畸变严重。

表3精炼炉功率值(VA)

	最大值	最小值	平均值
				S	10584.63	636.067	3455.364
S<sub>1</sub>	9377.49	553.0139	3584.671
				D<sub>H</sub>	1091.45	83.04	330.74

谐波畸变功率D_H在测试时段内的最大值为1091.45VA，平均值为330.74VA，如果精炼炉一年运行3000小时，按测试阶段的平均功率计算，每年精炼炉的畸变电量为496110度，如果对此不进行计量，必将造成计量不公平性和经济损失。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种畸变功率计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、获取基波视在功率S₁、全波电压V及基波电压V₁，计算电压畸变率THD_V，并进一步计算无责任视在功率S′；

所述步骤一中电压畸变率THD_V的计算公式如下：

其中，V₁为基波电压，V_H为谐波电压，V_h为第h次谐波电压有效值；

所述步骤一中无责任视在功率S′的计算公式如下：

S′＝S₁(1+THD_V ²)；

步骤二、根据全波视在功率S、无责任视在功率S′，计算畸变功率D_H；

所述畸变功率D_H计算公式的推导步骤如下：

在平稳条件下，波形畸变的电压v分解为工频电压分量v₁和剩余电压分量v_h，波形畸变的电流i分解为工频电流分量i₁和剩余电压分量i_h，则有

v＝v₁+v_h

i＝i₁+i_h

其中：

式中，t为时间，w为基波角频率，h为谐波次数，以基波电压为参考相量，θ₁为基波电流相位角，α_h为h次谐波电压相位角，β_h为h次谐波电流相位角；

用有效值可表示为：

V²＝V₁ ²+V_H ²；

I²＝I₁ ²+I_H ²；

式中，V₁为基波电压，V_H为谐波电压，V_h为第h次谐波电压有效值，I₁为基波电流，I_H为谐波电流，I_h为第h次谐波电流有效值；

因此，视在功率S可以分解如下：

S²＝V²I²＝(V₁ ²+V_H ²)(I₁ ²+I_H ²)

＝(V₁I₁)²+(V₁I_H)²+(V_HI₁)²+(V_HI_H)²

＝S₁ ²+D_I ²+D_V ²+S_H ²

式中，根据IEEE 1459-2010定义，D_I为电流畸变功率，D_V为电压畸变功率，S_H为谐波视在功率；

总谐波电压、电流波形畸变率定义为：

因此可得，

不会产生任何与电压谐波次数不一致的电流的负荷为无责任负荷，即该类负荷的各次电压、电流值满足线性，则其电压畸变率、电流畸变率一致，认为无责任负荷不应额外计量谐波功率，此时的视在功率认为是无责任视在功率，可以表示为：

S′²＝S₁ ²+D_I ²+D_V ²+S_H ²

＝S₁ ²+S₁ ²(THD_I)²+S₁ ²(THD_V)²+S₁ ²(THD_V)²(THD_I)²

＝S₁ ²+S₁ ²(THD_V)²+S₁ ²(THD_V)²+S₁ ²(THD_V)²(THD_V)²

＝S₁ ²(1+THD_V ²)²

即S′＝S₁(1+THD_V ²)

定义畸变功率D_H为视在功率S与无责任视在功率S′之差，则其表达式为：

D_H＝S-S′＝S-S₁(1+THD_V ²)。