畸变信号条件下电网功率潮流分析与电能计量新方法研究

摘要

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安全高效的运行，而且对经典的电能计量理论、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，该方案已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用。因此，在目前电网信号严重畸变的条件下，如何进行电能计量已经成为电能计量领域的一个难点和热点问题。针对这个问题，本学位论文进行了深入系统的理论研究和相关的实验研究。 本文首先综述了国内外畸变信号条件下电能计量方法及仪表的研究概况和电能计量技术的发展及应用，重点研究了畸变信号条件下电能计量存在的问题，建立了电网典型非稳态畸变信号的数学模型，深入系统地分析了非稳态畸变信号功率潮流的方向，提出了一种合理计量电能的新方法，并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分解测量，在理论上实现了畸变功率的准确测量。其次，对电网典型畸变信号进行了仿真实验，给出了仿真结果。再次，设计了模拟电网信号源及畸变信号条件下电能计量实验装置，对模拟的电网典型畸变信号进行了实验测试。仿真及实验结果验证了所提方法的正确性。最后，针对目前电能计量仪表存在的问题，提出了研制满足冲击信号等非稳态畸变信号暂态电能计量需要的宽频带、高过载能力的电能表的技术方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题研究的目的及意义

1.2国内外畸变信号条件下电能计量方法及仪表的研究概况

1.2.1稳态畸变信号条件下电能计量方法及仪表的研究概况

1.2.2非稳态畸变信号条件下电能计量方法及仪表的研究概况

1.3畸变信号条件下电能计量技术的发展及应用

1.3.1采样法的发展及应用

1.3.2傅立叶变换法的发展及应用

1.3.3小波变换法的发展及应用

1.4本论文的主要工作

第2章畸变信号条件下电网信号的数学模型与功率潮流分析

2.1畸变信号条件下电网简化模型和功率信号的数学描述

2.1.1畸变信号条件下电网简化模型

2.1.2畸变信号条件下功率信号的数学描述

2.2现有电能计量方法计量的不合理性

2.2.1传统电能计量方法计量的不合理性

2.2.2基波表计量的不合理性

2.3电网典型非稳态畸变信号的数学模型

2.3.1冲击性负载的模型

2.3.2随机波动性负载的模型

2.4畸变信号条件下电网功率潮流分析

2.4.1基波功率潮流分析

2.4.2基波电压与畸变电流产生的功率潮流分析

2.4.3畸变电压与基波电流产生的功率潮流分析

2.4.4畸变功率潮流分析

2.5本章小结

第3章畸变信号条件下电能计量新方法及仿真分析

3.1畸变信号条件下电能计量新方法

3.2畸变信号条件下电能计量新方法的实现

3.2.1小波变换

3.2.2小波变换分频带测量方法的基本原理

3.2.3畸变功率的测量

3.3电网典型畸变信号的仿真分析

3.3.1小波函数的选择及分解层数的确定

3.3.2半导体变流器信号仿真

3.3.3电弧炉信号仿真

3.4本章小结

第4章畸变信号条件下电能计量实验装置及实验结果

4.1下位机系统的设计

4.1.1模拟电网信号源

4.1.2数据采集模块和通信接口

4.2上位机系统的设计

4.3实验结果

4.3.1谐波和间谐波信号实验结果

4.3.2直流、谐波和间谐波信号实验结果

4.3.3连续频谱信号实验结果

4.3.4间谐波和连续频谱信号实验结果

4.4本章小结

第5章畸变信号条件下电能计量新方法的工程实现方案

5.1电子式电能表的典型结构

5.2畸变信号条件下电子式电能表的主要误差

5.2.1带宽有限引起的误差

5.2.2过载误差

5.2.3频谱泄漏误差

5.3畸变信号条件下电能表的技术方案

5.3.1输入电路的选择

5.3.2用于三相四线制系统的电能表

5.3.3用于三相三线制系统的电能表

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢