电网信号四象限功率测量原理及实现方法

电 网信 号 四象 限 劝 率测 量原理及 实 现 方法修为明 1 !2 ! 宋雪雷 1 ! 李凤阁 1 ! 苗立杰 2 ! 程树康 1(1 . 哈尔滨 工 业 大学电气工程系 黑 龙 江 省 哈尔滨 市 150001 ; 2 . 哈尔滨 电 站 设备 集 团 公司 黑 龙 江 省 哈尔滨 市 150046 )摘要 ! 针 对 传 统电力 仪表测 量 的 功 率 不 能 正 确 反映 电 能 计 量 点 真实 功 率 状 态 的 缺陷 9提 出一种用子电 网 信 号 功 率测 量 与 分析的 四 象 限 功 率测 量 原 理 及 实现 方法 O 首先深入分析了 四 象 限 功 率测 量原 理 O 四 象 限 功 率测 量 原 理 从 矢 量 的 ：度 对 功 率 进 行 分析 9惟 一 确 定了电 能 交 换 的 真实 状 态 和数值 9提高 了 功 率测 量 的 准确度 和 适 用性 9是 测 量 与 分析电 网 信 号 功 率 的一种 有效 方法 9既适 用子 功率传 输 方 向 确 定的电 能 计 量 点的 功 率测 量 9也 适 应 子 功 率传 输 方 向 变 化的电 能 计 量 点的 功 率测 量 O然 后给出了 2 种 实现 方法 1间 接 法和 直接 法 O 最后给出了 仿真验 证 结果 9表 明 了 四 象 限 功 率测 量 原理 及 实现 方法的 正 确 性和 可行 性 O关键词 ! 功 率测 量 ; 功 率 状 态 ; 四 象 限 功 率测 量 ; 电 能 计 量 点中图分类号 ! TM 930 .1收稿日期 12006- 03- 01 ; 修回日期 12006-06- 01 O黑 龙江 省 青 年 科 学 技 术 专 项 资 金 资 助 项 目 CC05 C13 ; 黑龙江 省 博士 后资助 经 费 资助项目 LSZ H-04076 O引言近年来 电能 质 量因大量非 线 性 和 冲 击 性 负载引入 电 网 而日 益 下 降 已 成 为 衡 量 电 网 品 质 的 关键因 素 1- 3 这 就 对 功 率 测量的 准 确 度 和 适 用 性 提 出 了更 高 的要 求 大 多 数 情 况下 功 率 测量 主 要 针 对 用电 端 口 但 随着发 电 方 式和 电 力 结 构 负 荷 的 重 大 改变 以 火 电 站 水 电 站 风 电 站 核 电 站 和其 他 各种 小电 站 构成 的分 布 式 供 电系 统 已 成 为 一 个 发 展 趋 势在 这 种 情况下 对 供 电 端 口 的 功 率 测量 亦 成 为 一 种电力市 场 需 要 因 此 研究 同 时 适 应 于 供 电 端 口 和用 电 端 口 的 功 率 测量与分 析方 法 具有重要意义对 于一个 电能计量 点 包 括 供 电 端 口 和用 电 端口 其 有 功功 率 无 功功 率 和 视 在 功 率 用 来 表示该 电能计量 点 的电能 交 换 状 态和 数 值 相互 之 间 存 在 一定的 矢 量 关 系 不 仅 有 数 值 大 小 而 且 还 有 传 输 方向 因 而 应 从 矢 量 的 角 度 进 行 测量 和 分 析 但 是 传统电力 仪 表 大 多 只 考 虑功 率 数值 大 小 不 考 虑 功 率传 输 方向 4 因此不能 正确 反 映 电能计量 点 的 真 实功 率 状态 一般 只 适 用 于功 率 传 输 方向 确 定 的 电能计量 点 的 功 率 测量 ; 而 且 关 于 对 功 率 进 行 矢 量 分 析的 国 内外 文献 也 很 少 文 献 4- 5 中 虽 然 提 出 了 四象 限 无 功 的 概 念 但 没 有 从 矢 量的 角 度 对有 功功 率无 功功 率 及 四 象 限 功 率 测 量 原 理进 行 深 入 分 析 也没 有 给出其 实现 方 法本文在 从 矢 量 角 度 对 四 象 限 功 率 测量 原 理进行深 入 分 析 的 基 础 上 给 出 了 四 象 限 功 率 测 量 的 实现方 法 并 通 过 仿真 数 据 验 证 了 四 象 限 功 率 测量 原 理及 实现 方 法 的 正确 性 和 可 行 性 这将 为 具有 高 准 确度 和 广 泛 适 用 性的 新 型数 字 式 电能 质 量 监 测 装置 的功 率 测量 提 供 依据四象 限 劝 率测 量原理所 谓 四 象 限 功 率 测量 简单 地 说 就 是 在计 算 功率 数值 的 同 时 确 定 功 率 传 输 方向 对 于 有 功功 率无 功功 率 和 视 在 功 率 其数值 可 利用 相 关 的 算法 计算 求 得 ; 而 其 传 输 方向则由 交 流 电 压 电 流 之间 的 相位 差 即 阻 抗 角 确 定 也 可 由 通 过 离 散 采 样 算法 计 算的有 功功 率 和 无 功功 率 的 正 负 号 确 定. 阻抗角 和 电汪 相 量 的 四象 限分 布图 1 所 示为 供 电 端 口 和用 电 端 口 网 络 从 图 中可 以 看 出 供 电 端 口 和用 电 端 口 的 关 联 参 考方向是相 反 的 即 取 相 同 的电 压 方向 供 电 端 口 和用 电 端 口的电 流 方向 相 反 ; 同 样 地 取 相 同 的电 流 方向 供 电端 口 和用 电 端 口 的电 压 方向 相 反图 l 供 电 端口 和 用 电 端口 电汪与电 流 方 向Fi g .l Di r ecti ons of volt age and curr ent forpo wer suppl y and power consu mpti on设 电 能 计 量 点 的 端 口 电 压 和 端 口 电 流 分 别 为u (t ) 和 i (t ) :u (t ) = !2Ucos (wt + 表示 ;2 >功 率 方向 : 吸 收 功 率 为 正 向 ( > 输 出功 率 为反向 ( >;3 >阻 抗 角 功 率 因 数 X 方向 : 1 ＜ X ＜ 1 吸 收 有 功 功 率时 为 正 向 ( > 输 出 有 功功 率 时 为反向 ( >表 2 劝 率 状 态的 四象 限分 布Tabl e 2 Four- 复阻 抗性 质有 功功 率方向无 功功 率方向功 率因 数方向S- I 用 电 ( > 第 I 象 限 00 ＜ 第 H 象 限 900 ＜ 第 皿 象 限 1 00 ＜ 第 w 象 限 2700 ＜ 求 阻 抗 角 软 件法 通常 采 用 插 值 法 其 原 理是 : 对 交 流 电压 电 流 信号的 离 散 采 样 序列 进行 插 值 计 算 得 到 同一个周期 内 交 流 电 压 电 流 信号的 正 ( 反 >向 过 零 点的时 刻 然 后 计 算 交 流 电 压 电 流 信号的 正 ( 反 >向 过零 点 之间 的时 间 宽 度 再 根据 交 流 信号 周期 便 可 得到 确 定 功 率 状态 求 得 计 算 电 压 电 流 有 效 值 电 压 电 流 有 效 值U I 可 用 下 列 离 散 化 公 式 计 算 :U = 1N 】N - 1n = 0u 2 (n! >I = 1N 】N - 1n = 0i 2 (n!＜’（ >(3 >式 中 : N 为 每 个周期 的 采 样 点数 ;u (n > i (n >分 别为电 压 电 流 的 第 n 次采 样 值 ;n = 0 1 2 N - 14 >计 算 有 功功 率 P 无 功功 率 @ 视 在 功 率 S 和功 率 因 数 X 在 求 得 X 可 由 以 下 公 式求 得 :X = cos 150 研 制与 开 发 0 俺 为 明 等 电 网 信号 四 象 限 功 率 测量 原 理 及 实现 方 法X = PS (6 D2 .2 直接法先 计 算 有 功功 率 ~无 功功 率 ~视 在 功 率 和功 率 因数 的 数值 并 根据 有 功功 率 ~无 功功 率 的 正 负 号 和功率 状态 的 四 象 限 分 布 图 或 四 象 限 分 布 表 确 定 功 率 状态 进 而确 定 阻 抗 角 X 0 具 体 步 骤 如 下 :1 D计 算 有 功功 率 ~无 功功 率 的 数 值 0 通 常 有 傅里 叶 分 析 法 和 900 移相 法 2 种 方 法 0傅里 叶 分 析 法 是 按 式 (7 D对 u (n Di (n D进 行 离散 傅里 叶 变 换 并 将 变 换 结果 写 成 式 ( D的 形 式 0U (e D = 】N - 1n = 0u (n DG2。NenI (e D = 】N - 1n = 0i (n DG-2 。N＜’（en(7 DU (e D = U Re + U IeI (e D = I Re + I I＜’（ e( D式 中 :U (e DI (e D为 复 数 分 别表示 u (n Di (n D的 离散 傅里 叶 变 换 的 第 e 次 电 压 ~电 流 分 量 3e = 0 1 2“ N - 1 3U Re U Ie 分 别 为 U (e D的 实 部 与 虚 部 3I ReI Ie 分 别为 I (e D的实 部 与 虚 部 0根据 式 ( D给出 的 U Re U Ie I Re I Ie 按 下 式 计 算P 和 @ :P = U R0I R0 + 2N 2 】N - 1e = 1(U ReI Re + U IeI Ie D@ = 2N 2 】N - 1e = 1(U IeI Re - U ReI I e＜’（ D(9 D式 中 :U R0 I R0 分 别 为 交 流 电 压 ~电 流 直 流 分 量 的 实部 0900 移相 法 计 算 P 和 @ 的 离 散 化 公 式为 :P = 1N 】N - 1n = 0u (n Di (n D@ = 1N 】N - 1n = 0u (n + N4 Di (n＜’（ D(10 D2 D计 算 S 和 X 的 数值 0 用 傅里 叶 分 析 法 或 900移相 法 求 得 P 和 @ 后 即 可 按 式 (4 D~式 (6 D计 算 SX 03 D确 定 功 率 状 态 0 由 式 (9 D和 式 (10 D计 算 的P 和 @ 本 身 是 带 正 负 号 的 因 此 可 根 据 P @ 的 正负 号 和功 率 状态 的 四 象 限 分 布 图 或 四 象 限 分 布 表 确定 功 率 状态 04 D计 算 10 1 4 正 实 轴3 0 4 76 .31 40 2 75 .00 00 第 I 象 限9 0 2 .45 36 > 10 14 5 50 .00 00 正 虚轴14 5 3 .9 0 7 3 .90 7 第 H 象 限1 0 550 .0 000 3 . 4 69 > 10 1 4 负 实 轴20 0 516 . 309 1 .1 111 第 皿 象 限27 0 6 .0 230 > 1 0 14 55 0 .0 000 负虚轴35 0 5 41 .64 43 95 .5 065 第 w 象 限25 2006 30 (21 D从 表 3 中可 以 看 出 对 于 < 在 00 ＜ < ＜ 3600 范 围内 的不 同 取 值 P 和 @ 的 正 负 号 及 其象 限 分 布 与 功率 状 态 的 四 象 限 分 布 图 图 3 和 四 象 限 分 布 表表 2 完全一 致 从 而 验 证 了 四 象 限 功 率 测 量 原 理及 实现 方 法 的 正确 性 和 可 行 性4 结语1 本文 提 出 的 四 象 限 功 率 测 量 原 理 及 实 现 方法 不 仅 适 用于 只 作 为 用 电 端 口 或 只 作 为 供 电 端 口的 功 率 传 输 方向 确 定 的电 能计 量 点 的 功 率 测量 而且 也 适 用于 既 作 为用 电 端 口 也 作 为 供 电 端 口 的 功 率传 输 方向变 化的电能计量 点 的 功 率 测量2 四 象 限 功 率 测量 原 理 从 矢 量的 角 度 对 功 率 进行 分 析 根据 给出 的 功 率 状 态 的 四 象 限 分 布 图 和 四象 限 分 布 表 即 可 确 定有 功功 率 无 功功 率 的传 输 方向 四 象 限 功 率 测 量的 实 现 方 法 有 2 种 间 接 法 和直接法3 发 电 机 迟 相 和进 相 运 行 的 功 率 状态 分 别 对 应于功 率 状态 四 象 限 分 布 图 的 第 皿 第 H 象 限4 本文 提 出 的 四 象 限 功 率 测量 原 理 及 实现 方 法虽 然只 是 针 对 单 相 交 流 信 号 进行 讨 论 的 但 亦 适 用于 三 相交 流 信号 无论 三 相 对 称 与 否 先 根 据 本文给出 的 方 法得 到 每 相交 流 信号 的 功 率 大 小 和 方 向然 后根据 功 率 叠 加 原 理 即 可 得 到 三 相交 流 信号的 功率 大小 和方向5 仿真 结果 证 明了 四 象 限 功 率 测量 原 理 及 实现方 法 的 正确 性 和 可 行 性 此 方 法 已 经 在 新 型 电能 质量 监 测 装置 上 成 功 实现 并 取 得 了非常 好 的 效果参 考 文 献1 L O RE DA N A C A L E SS A N D R OF SI MO N AS . Ad st I b ut Gdsyst Gmf oI Gl GctI c p o WGI Cu Hl t y mGHs uIGmG t . I EE E TI H soI stI u mG t Ht o H d MGHsuI GmG t 20 02 5 1 4 7 76- 7 1 .2 剧 高 峰 罗 安 . 离 散 小 波 变 换 用 于 电 能 质 量 扰 动 数 据 实 时 压 缩 .电力系统 B动化 20 02 2 6 1 9 6 1- 6 3 .J U GHof G g L U O A . DWT Hp pl cHt o t o I GHl- t mGco mpI Gss o o f p o WGI Cu Hl t y d st uI bH cGd Ht H .A ut o mHt o o fEl GctI cP o WGI Syst Gms 20 02 2 6 19 61- 63 .3 王志 群 朱 守真 周 双 喜 . 电能 质 量 扰 动的 专 家概 率 分 类 器 模型 .电力系统 B动化 20 04 2 45- 4 9 .WA N G Zh Cu Z HU Sh ouzhG Z H O U Sh uH g X .E XpGI tp I o bHb l t y cl Hss f cHt o f oI po WGI Cu Hl t y d st u I b H cGs .Au t o mHt o o fE l GctI cP o WGI Sy st Gms 2 00 4 2 45- 49 .4 苏 志 杨 . 四 象 限 无 功 电 能 测 量 . 电 测 与 仪 表 1 99 9 36 11 11-1 3 .S UZ h yH g . Af ouI- CuHdI H tm GHsuI GmG tm Gt h odo I GHct vG-p o WGI Gl Gct I c G GI g y . El Gct I cHl MGHsu I GmG t H dI stI u mG t Ht o 19 99 3 6 11 11-13 .5 方 俊 候 涛 . 数 字 式 真 无 功 电 能 表 测 量 原 理 及 四 象 限 无 功 概 念 .云 南 电力 技术 20 03 3 1 2 50- 51 .F A N GJ u H O U THo .T hG mGHs uI GmG t pI c pl Go fd g t Hlt I u G- I GHct v G- p o WGI Gl GctI c G GI g y st I u mG t H d t h Gc o cGpt off ou I- CuHdI H t I GHct vG- po WGI . Yu H E l Gct I c Po WGI 20 03 3 12 5 0- 51 .伶 为 明 (1964 HH 9男 9博士 9教授 9博士生 导 师 9主要 研究方 向为 数 字 式 继 电 保 护 与 监 控 技 术 现 场 总 线 技 术 谐 波 抑制 电 磁兼 容 永磁 电 器 D E- mHl I d H C ＠ h t .Gdu .c宋 雪 雷 (1979 HH 9男 9博士 研究 生 9研究方 向为 电 能 质 量监 测 与 分析 现 场 总 线技术 及 应 用 小 波 分析及 应 用 D李 凤阁 (1967 HH 9女 9博 士 研 究 生 9高 级 工 程 师 9主 要 研究方 向为 网 络 与 智 能 电 器 技术 数 控 技术 及 其应 用 DPri nci ples and I mpl e ment at i ono f Four-