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【摘 要】本文以谐波、间谐波时频域特性以及应对冲击性负荷的措施进行分析。
【关键词】冲击性负荷条件；电能计量方法；技术
引言
冲击性负荷因快速、随机的功率波功带来了严重的波形畸变，传统的电能计量方式在冲击性负荷条件下难以准确计量，为了准确计量冲击性负荷，通过对冲击性负荷下谐波特性的分析，从不同计量算法角度对计量误差展开测试研究，针对传统谐波电能计量误差较大的问题，提出冲击负荷条件下电能计量误差补偿方案，设计了电能计量软硬件方案，为冲击性负荷条件下的计量准确性提供了理论和技术支撑.
1谐波、间谐波时频域特性
典型的冲击性负荷主要包括电弧炉、轧钢机、电气化铁路等，本研究也将针对选取其中电弧炉的时域和频域展开分析.
1.1时域特性
冲击性负荷因含有大量非线性元件，负荷波形在时间轴上会呈现出不规则与随机变化的特性，从宏观上来看，其产生的各次谐波的含量會随机发生变化，从微观特性上来看，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.在各种类型的冲击性负荷中，以电弧炉产生的波形时变特性最为明显，特别是电弧炉熔炼初期，其波形的瞬时变化现象极为明显.电弧炉的运行周期一般分为熔化期、氧化期和还原期3个阶段.熔化期的主要任务是迅速熔化炉料，该阶段消耗的电能占整个运行周期的60%70%.电弧是由于热游离作用而产生一种动态不稳定的放电现象，其电阻及长度主要受炉内影响游离作用的运行条件影响.电极与炉料的距离、炉内的温度、炉料的性质，甚至炉内表面光滑程度等均关系到电弧燃烧条件.在熔化期电极会对炉料放电，从而产生电弧，电弧点则会根据最优的燃烧条件，从炉料的一个尖端或末梢跳跃到另一个尖端或末梢，频繁的经历截断和重燃，会不断地产生有功和无功冲击，且电流/电压波形的变化剧烈，上下半个周期内的波形不对称，波形幅值、相位、频率在不同周期内会出现波动，当三相运行工况不平衡时，系统中会出现较大的负序和零序分量.图1所示为某一小型铸钢厂电弧炉熔化期实录电流波形.从图1可以看到，负荷波形的随机性变化从稳态谐波角度已经难以进行分析，对电能计量的准确性提出了较高的要求，特别在信号采样端能够及时跟踪波形的细微变化，是准确计量电能的前提保证.
1.2频域特性
电弧炉是一种利用气体电离燃弧时产生的巨大热量来熔炼金属的装置.电弧电阻受弧长、弧柱半径、弧柱温度等各种因素的影响，在熔炼过程中由于炉料的转动、熔解、崩塌，电弧电阻呈现出明显的非线性特性.加上电弧炉供电系统中往往会存在限流电抗器和无功补偿装置，电弧炉供电系统中会出现较为严重的3、5、7、9次谐波.此外，电流波形的幅值在不同周期内会出现较为明显的波动，存在调幅波，即波形中除了整次谐波外，还包含有次谐波及间谐波.
2应对冲击性负荷的措施
在实验室模拟现场冲击负荷试验中，由于标准电能表准确性要求在功率稳定情况下工作，对于电流冲击情况下有些标准电能表可能无法正常工作，为了解决此问题，设计将0.05级标准电能表与被试表计电流串接，通过给被试表电流回路并联可控制通断1个继电器，模拟测试冲击性负荷下电能表的电流变化，进行误差测试。在现场实际进行电能表误差测试过程中，由于某些标准电能表量程有自动切换功能等原因，发现电能表误差不能正常显示且重复性较差，该方法无法测量冲击性负荷对电能表的影响。同样在现场测试中，用现场校验仪对电能表进行测试，负荷平稳时，电能表均符合等级要求；在轧钢阶段出现冲击性负荷时，现场校验仪本身无法正常工作，不能正常评估电能表误差。为了分析冲击性负荷的影响，可采用母线电量平衡分析方法，即在一定负荷下，比较处于冲击性负荷下的电能表电量和母线平衡电量。数字采样式电能表，采样速度较快，基本可以正确计量冲击负荷的电能值。但如果采样速度较慢，实时性不好，电能表无法满足计量冲击负荷下电能值的需要。在实际运行环境中，为减少冲击性负荷对设备的影响，应减少运行设备的谐波、冲击污染，创造清洁电网环境。对于冲击性负荷影响较重的区域，计量设备应具有压敏热敏保护电路。由于谐波经过变压器后有一定衰弱，会减少谐波污染对计量设备的影响，因此采用“高供高计”计量方式，能够减少部分冲击性负荷对计量设备的影响。同时为避免冲击性负荷造成低压电流互感器和电能表长期处于饱和和过负荷状态，应使用较大变比的低压电流互感器，以保证运行安全。
结语
当负荷波形中含有不同次数的间谐波分量时，单个周期的电能计算会出现不同程度的失准，计量误差会随着采样频率及纳入计算的周期数的增加而逐渐减小，且傅立叶算法与点积和算法的理论精度不同，傅立叶算法因为存在频谱泄漏现象，会导致能量的损失，误差会大于点积和算法.针对冲击性负荷条件下传统谐波电能计量方式误差较大的问题，提出了电能计量误差补偿软硬件方案，能有效减小冲击性负荷条件下产生的谐波计量误差。
参考文献：
[1]胡楷，翁飞兵，张忠怀.冲击性负荷的电能质量问题及其治理[C]//首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集.北京：中国电源学会电能质量专业委员会，2017：439-445.
[2]乔文俞，吕丹.强谐波环境下微电网电能计量改进与误差分析[J].科学技术与工程，2018，16（31）：182-187.
[3]祈才君，王小海.基于插值FFT算法的间谐波参数估计[J].电工技术学报，2018，18（1）：92-95.
[4]李晶，裴亮，郁道银，等.一种用于电力系统谐波与间谐波分析的超分辨率算法[J].中国电机工程学报，2017，26（15）：35-39.
[5]岳靓婧，徐勇，熊文清，等.基于提升小波变换的冲击性负荷电能表设计[J].传感器与微系统，2017，31（5）：110-114.
[6]杜天军，陈光，雷勇.基于混叠补偿小波变换的电力系统谐波检测方法[J].中国电机工程学报，2018，25（3）：54-59，134.
[7]向世强，唐求，宋鹏，等.非线性负荷电能计量方法研究[J].电子测量与仪器学报，2018，32（4）：181-186.
（作者单位：1国网新疆电力有限公司电力科学研究院；2国网新疆电力有限公司建设分公司）
【关键词】冲击性负荷条件；电能计量方法；技术
引言
冲击性负荷因快速、随机的功率波功带来了严重的波形畸变，传统的电能计量方式在冲击性负荷条件下难以准确计量，为了准确计量冲击性负荷，通过对冲击性负荷下谐波特性的分析，从不同计量算法角度对计量误差展开测试研究，针对传统谐波电能计量误差较大的问题，提出冲击负荷条件下电能计量误差补偿方案，设计了电能计量软硬件方案，为冲击性负荷条件下的计量准确性提供了理论和技术支撑.
1谐波、间谐波时频域特性
典型的冲击性负荷主要包括电弧炉、轧钢机、电气化铁路等，本研究也将针对选取其中电弧炉的时域和频域展开分析.
1.1时域特性
冲击性负荷因含有大量非线性元件，负荷波形在时间轴上会呈现出不规则与随机变化的特性，从宏观上来看，其产生的各次谐波的含量會随机发生变化，从微观特性上来看，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.在各种类型的冲击性负荷中，以电弧炉产生的波形时变特性最为明显，特别是电弧炉熔炼初期，其波形的瞬时变化现象极为明显.电弧炉的运行周期一般分为熔化期、氧化期和还原期3个阶段.熔化期的主要任务是迅速熔化炉料，该阶段消耗的电能占整个运行周期的60%70%.电弧是由于热游离作用而产生一种动态不稳定的放电现象，其电阻及长度主要受炉内影响游离作用的运行条件影响.电极与炉料的距离、炉内的温度、炉料的性质，甚至炉内表面光滑程度等均关系到电弧燃烧条件.在熔化期电极会对炉料放电，从而产生电弧，电弧点则会根据最优的燃烧条件，从炉料的一个尖端或末梢跳跃到另一个尖端或末梢，频繁的经历截断和重燃，会不断地产生有功和无功冲击，且电流/电压波形的变化剧烈，上下半个周期内的波形不对称，波形幅值、相位、频率在不同周期内会出现波动，当三相运行工况不平衡时，系统中会出现较大的负序和零序分量.图1所示为某一小型铸钢厂电弧炉熔化期实录电流波形.从图1可以看到，负荷波形的随机性变化从稳态谐波角度已经难以进行分析，对电能计量的准确性提出了较高的要求，特别在信号采样端能够及时跟踪波形的细微变化，是准确计量电能的前提保证.
1.2频域特性
电弧炉是一种利用气体电离燃弧时产生的巨大热量来熔炼金属的装置.电弧电阻受弧长、弧柱半径、弧柱温度等各种因素的影响，在熔炼过程中由于炉料的转动、熔解、崩塌，电弧电阻呈现出明显的非线性特性.加上电弧炉供电系统中往往会存在限流电抗器和无功补偿装置，电弧炉供电系统中会出现较为严重的3、5、7、9次谐波.此外，电流波形的幅值在不同周期内会出现较为明显的波动，存在调幅波，即波形中除了整次谐波外，还包含有次谐波及间谐波.
2应对冲击性负荷的措施
在实验室模拟现场冲击负荷试验中，由于标准电能表准确性要求在功率稳定情况下工作，对于电流冲击情况下有些标准电能表可能无法正常工作，为了解决此问题，设计将0.05级标准电能表与被试表计电流串接，通过给被试表电流回路并联可控制通断1个继电器，模拟测试冲击性负荷下电能表的电流变化，进行误差测试。在现场实际进行电能表误差测试过程中，由于某些标准电能表量程有自动切换功能等原因，发现电能表误差不能正常显示且重复性较差，该方法无法测量冲击性负荷对电能表的影响。同样在现场测试中，用现场校验仪对电能表进行测试，负荷平稳时，电能表均符合等级要求；在轧钢阶段出现冲击性负荷时，现场校验仪本身无法正常工作，不能正常评估电能表误差。为了分析冲击性负荷的影响，可采用母线电量平衡分析方法，即在一定负荷下，比较处于冲击性负荷下的电能表电量和母线平衡电量。数字采样式电能表，采样速度较快，基本可以正确计量冲击负荷的电能值。但如果采样速度较慢，实时性不好，电能表无法满足计量冲击负荷下电能值的需要。在实际运行环境中，为减少冲击性负荷对设备的影响，应减少运行设备的谐波、冲击污染，创造清洁电网环境。对于冲击性负荷影响较重的区域，计量设备应具有压敏热敏保护电路。由于谐波经过变压器后有一定衰弱，会减少谐波污染对计量设备的影响，因此采用“高供高计”计量方式，能够减少部分冲击性负荷对计量设备的影响。同时为避免冲击性负荷造成低压电流互感器和电能表长期处于饱和和过负荷状态，应使用较大变比的低压电流互感器，以保证运行安全。
结语
当负荷波形中含有不同次数的间谐波分量时，单个周期的电能计算会出现不同程度的失准，计量误差会随着采样频率及纳入计算的周期数的增加而逐渐减小，且傅立叶算法与点积和算法的理论精度不同，傅立叶算法因为存在频谱泄漏现象，会导致能量的损失，误差会大于点积和算法.针对冲击性负荷条件下传统谐波电能计量方式误差较大的问题，提出了电能计量误差补偿软硬件方案，能有效减小冲击性负荷条件下产生的谐波计量误差。
参考文献：
[1]胡楷，翁飞兵，张忠怀.冲击性负荷的电能质量问题及其治理[C]//首届全国电能质量学术会议暨电能质量行业发展论坛论文集.北京：中国电源学会电能质量专业委员会，2017：439-445.
[2]乔文俞，吕丹.强谐波环境下微电网电能计量改进与误差分析[J].科学技术与工程，2018，16（31）：182-187.
[3]祈才君，王小海.基于插值FFT算法的间谐波参数估计[J].电工技术学报，2018，18（1）：92-95.
[4]李晶，裴亮，郁道银，等.一种用于电力系统谐波与间谐波分析的超分辨率算法[J].中国电机工程学报，2017，26（15）：35-39.
[5]岳靓婧，徐勇，熊文清，等.基于提升小波变换的冲击性负荷电能表设计[J].传感器与微系统，2017，31（5）：110-114.
[6]杜天军，陈光，雷勇.基于混叠补偿小波变换的电力系统谐波检测方法[J].中国电机工程学报，2018，25（3）：54-59，134.
[7]向世强，唐求，宋鹏，等.非线性负荷电能计量方法研究[J].电子测量与仪器学报，2018，32（4）：181-186.
（作者单位：1国网新疆电力有限公司电力科学研究院；2国网新疆电力有限公司建设分公司）