动态电能计量算法研究综述

史艳峰

摘要：随着科技的不断进步，能源互联网背景下,电网表现出“双高”和“双随机”特征,致使其电压、频率随机且频繁出现波动变化,引发新的电能质量问题。动态条件下如何实现电能的准确计量,以保证其公平公正,已越来越受到关注。文章从稳态和动态两方面对现有电能计量算法进行梳理和归纳,总结点积和与快速傅里叶变换等稳态算法的原理、技术特征及对信号动态变化的不适用性;对估计基波频率类动态算法,以及短时傅里叶变换、小波变换、希尔伯特-黄变换和S变换等时-频分析类动态算法的原理、技术特点、局限性等进行比较和分析;并重点归纳了小波变换方法的优缺点及应用前景。在此基础上,对动态电能计量算法的未来研究给出了建议。

关键词：动态；电能计量；算法研究；综述

引言

随着双碳目标的开展与落地应用，电力领域对终端侧电能计量与碳计量的需求迅速增加，当前的电力工业正日益面临着在更短的生产时间内提供更多定制电力计量产品的挑战]。因此，这反过来要求电力计量装备生产系统拥有灵活的生产线来应对，尽可能地缩短生产周期与配置时间，以满足市场需求。为了加强电网系统中现场计量设备异常或采集异常的运维工作,依托现有的计量自动化系统、营销系统,设计了一套支撑异常问题现场处理和计划巡检相结合的电能计量设备运维管理系统,完善了电网自动化计量体系。在信息物理融合的背景下，通过生产系统的数字孪生技术，可以通过在模拟环境中实现和测试重新配置的情景，满足产品快速迭代中面临的复杂系统参数变化带来的挑战。

1电能计量方式发展历程和现状

用于电能计量的仪表即电能表,是遵循需要考核的计量指标的定义而设计和制造的。因此,正确阐述功率流的物理机制,建立健全完善的、能够被普遍接受的功率理论,是研究电能计量算法的理论基础。现阶段普遍采用的电能计量方式,可分为全电能计量、基波电能计量和谐波电能计量三种方式。早期,数字式电能表采用最简单的点积和电能计量算法,所实现的,就是对全电能的计量。然而,由于投入电网的电力电子化非线性负荷越来越多,电网电压、电流中出现大量谐波,甚至还有间谐波以及直流衰减等成分。电网电压、电流中出现的谐波源,有些是由非线性负荷产生的,会向电网注入谐波电流,其方向与基波电流相反,产生的谐波有功功率会抵消部分基波有功功率;而线性负荷用电户则受到谐波的危害,消耗基波电能的同时,还会消耗谐波电能。如此,全电能计量方式下,非线性负荷产生谐波、污染电网的同时,在它上计量到的有功电能,反而会比其实际消耗的电能少,会少计电费;而线性负荷,则不仅受到谐波污染,还要多交电费。可见,当电网中存在非线性负荷时,采用全电能计量方式测算电能不尽合理。

2电力碳排放计量应用现状

2.1低碳发电调度

由于当前我国电力发生源主要仍依赖于火电，电力行业当前采取绿色电力证书交易制度与碳排放权交易制度来对碳排放进行调节与控制。发展新能源以及应用新能源发电能显著提高低碳发电比例，在已有的综合能源基础上加入冷热电负荷的需求响应，对碳交易成本、冷热负荷进一步分析考虑，提出了一种区域综合能源系统低碳经济调度模型，该方法有效地对峰谷差及负荷曲线进行调节，减少碳排放。由于新能源的推广和普及，提高综合资源的利用率受到业界的关注。

2.2低碳需求响应

在可再生能源的大规模应用背景下，为了解决新能源发电的随机性、波动性等不足，以及大规模并网时可能带来的安全性问题，设计了一种源网荷储柔性调控与运营模式，促进数据管控能力的提高，保障了电网清洁能源的消纳以及电网的安全性和稳定性。随着多微能网的发展，在考虑需求侧碳交易的基础上，多决策主体交互协调机制对分布式能源系统进行协同优化调度。在更加充分挖掘碳交易市场之后，提出了一种综合能源源荷低碳互补模型，将发电侧碳捕集与负荷侧的需求响应相结合，提升了风电消纳量、降低了碳排放量。在提升电网规划管理能力和精密程度的同时处理了新能源广泛应用后的大规模并网问题，提高分布式能源接入后的电力系统安全性和可靠性，为电网带来显著的经济效益和社会效益。

3动态(非稳态)电能计量算法

3.1估计基波频率

当电力系统频率发生变化时,可通过使采样频率与电力系统频率同步,即调整采样频率为实际基波频率的整数倍来创造整周期采样条件,进而再基于IEEEStd.1459-2010功率理论求取相关电参量,以达到准确计量电能的目的。同步技术可分为两类,即重采样和插值重构。在重采样方面,首先要对电力系统的基波频率进行估计,然后根据基波频率估计结果控制ADC,以对分析后的信息进行重采样。

3.2改进的FFT算法

FFT算法虽有缺少时域信息的本征缺陷,但计算速度快,易于在数字式电能表中实现,故许多人仍不愿彻底放弃它,而是在为克服它的缺陷上开展了不少修补性研究和尝试,以使其也可用于动态条件下的电能计量。为削弱频谱泄漏带来的影响,有人提出了加窗FFT算法,且根据窗函数的频域特性和时域特性(时间窗边界的连续性),提出了多种不同类型的窗函数。

4电能计量设备运维技术实现

4.1远程诊断数据流程

计量自动化系统涉及面广,采集过程链条长,任何一个环节出现偏差,均有可能导致采集失败或者错误。因此,针对整个采集链条进行故障分析,可以得出影响范围,下面根据采集不同环节逐个进行分析。电能计量设备运行异常远程异常诊断的目的就是充分利用计量自动化系统的采集数据、通讯采集记录、应用异常信息,根据设定的规则进行综合分析判断,形成初步的数据采集异常、终端通讯异常、现场计量异常等异常信息。然后对于部分异常信息,结合远程巡检功能进行进一步的分析判断,形成最终的现场异常信息。

4.2电能计量设备运维闭环管理

基于采集运维知识库中的典型案例,结合主站的采集数据、事件信息、通讯链路信息、远程巡检,定位现场故障类型及故障现象,进行自动派工。现场作业人员通过现场智能作业设备下载工单,导航到现场排查异常,排查结果通过移动终端及时反馈处理结果,实现运维全流程闭环管理,提高营销各专业协同作业能力和问题解决效率。现场工单分为两大类:异常排查工单和例行巡检工单。

4.3表计模块

对于能够采集到数据的电能表,从主站通过远程诊断发现计量问题时需要安排运维人员到现场排查,例如由非接线或者窃电原因产生的问题,通过直接更换电能表解决;对于采集不到数据的电能表,运维人员到达现场排查,其中比较明显的现场问题有通信故障、电能表黑屏、烧毁、显示故障等,对于计量超差、潜动等问题需要拆回检验进行判断。

结语

在构建能源互联网背景下,电网信号动态变化的特征更为明显。应该在动态条件下实现对电能足够高准确度的计量,以维护供、输、用电三方的经济利益,保证电能计量的公平公正;同时,实现新能源为主条件下更合理地计量电能,这无疑有益于以新能源为主体新型电力系统即能源互联网的加快建设和技术进步。在动态电能计量方面待解决的问题主要有两点:一是尽快确立相关功率理论,对如何计及间谐波电能做出明确规定,使对间谐波电能的计量有标准可依;二是在现有功率理论和标准下,加大对时-频分析方法的研究力度，应对结合两者的已有方法或相应理论再进行优化和改进,使之能有效应用于动态电网条件下更准确计量电能的实际中去。

参考文献

[1]肖湘宁,罗超,陶顺.电气系统功率理论的发展与面临的挑战[J].电工技术学报,2013,28(9):1-10.

[2]何学农.现代电能质量测量技术[M].北京:中国电力出版社,2014:6-13.