諧波對(duì)電能計(jì)量影響的研究

1、編號(hào)國(guó)家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目建議書(shū)項(xiàng)目名稱(chēng)：電力系統(tǒng)諧波對(duì)電能計(jì)量影響的研究申請(qǐng)單位：武漢大學(xué)起止時(shí)間：年 月至年 月項(xiàng)目負(fù)責(zé)人：通信地址：武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院郵政編碼：430072聯(lián)系電話:傳 真:申請(qǐng)日期:2005年7月項(xiàng)目名稱(chēng)電力系統(tǒng)諧波對(duì)電能計(jì)量的影響項(xiàng)目負(fù) 責(zé)人姓名單位性別年齡專(zhuān)業(yè)職稱(chēng)目類(lèi) 項(xiàng)分術(shù)關(guān) 技攻新技術(shù) 開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品 試制技術(shù)引進(jìn) 消化吸收應(yīng)用理論 基礎(chǔ)研究軟科學(xué) 研究推廣項(xiàng)目組 人數(shù)其中高級(jí)職稱(chēng)中級(jí)職稱(chēng)研究生初級(jí)職稱(chēng)協(xié)作單位武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院協(xié)作形式申請(qǐng)金額(萬(wàn)元)研究起止年月年 月至年 月其中資助自籌項(xiàng) 目 內(nèi) 容意 義 和 預(yù) 期 成 果 摘 要項(xiàng)目?jī)?nèi)容(1) 研制配電

2、網(wǎng)綜合測(cè)量箱，記錄配電網(wǎng)中各種不同特性負(fù)荷的電量參數(shù)；(2) 研究現(xiàn)有電能表的結(jié)構(gòu)和計(jì)量原理，建立其數(shù)學(xué)模型，分析其頻響特性；(3) 深入研究電力系統(tǒng)各類(lèi)負(fù)荷以及所產(chǎn)生的諧波、特性以及諧波分析方法；(4) 諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性影響的理論研究(系統(tǒng)電源畸變與無(wú)畸變、線性負(fù)荷與非線性負(fù) 荷等不同狀況及組合)；(5 )諧波對(duì)電能計(jì)量合理性影響的理論研究；(6)諧波網(wǎng)損的計(jì)量特性研究；(7 )利用matalab仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)理論研究進(jìn)行驗(yàn)證；(8)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究，并在實(shí)驗(yàn)室，利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(rtds)模擬電力系統(tǒng)的諧波，檢 驗(yàn)諧波對(duì)電磁感應(yīng)式電度表和電子式電度表計(jì)量的影響以及誤差。項(xiàng)目意義電能計(jì)量是電

3、力系統(tǒng)收費(fèi)的依據(jù)，而電網(wǎng)中諧波的存在，使電能計(jì)量的準(zhǔn)確性與合理性大 受影響，直接影響發(fā)、供、用電三方的經(jīng)濟(jì)利益及交易的公平性。針對(duì)這一實(shí)際問(wèn)題，本項(xiàng)目 從諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性影響和諧波對(duì)電能計(jì)量合理性影響兩方面出發(fā)，采用理論分析和仿真 實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究諧波對(duì)電能計(jì)量的影響。該項(xiàng)研究不但直接涉及到電力系統(tǒng)和電力用 戶的經(jīng)濟(jì)效益，也將影響到電力系統(tǒng)中許多技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全、有效、合 理運(yùn)行以及電力市場(chǎng)化有著重要意義。預(yù)期成果(1) 配電網(wǎng)綜合測(cè)量箱；(2) 電力系統(tǒng)諧波對(duì)電能計(jì)量的影響理論研究成果(電磁感應(yīng)式電度表和電子式電度表)；(3 )現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試報(bào)告，matalab仿真實(shí)驗(yàn)

4、報(bào)告，實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(rtds )模擬電力系統(tǒng)諧波對(duì) 電磁感應(yīng)式電度表和電子式電度表計(jì)量誤差的試驗(yàn)報(bào)告.(4)提出電力系統(tǒng)存在諧波的條件下改進(jìn)電能計(jì)量方法的合理化措施及方法。一、本研究項(xiàng)目的科技依據(jù)（包括科技意義和應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外研究概況、水平 和發(fā)展趨勢(shì)；應(yīng)用理論基礎(chǔ)研究項(xiàng)目應(yīng)闡述學(xué)術(shù)思想，立論根據(jù)，特色或創(chuàng)新之 處，主要參考文獻(xiàn)目錄及出處；推廣項(xiàng)目說(shuō)明成果成熟程度，適用范圍，以及成 果的知識(shí)產(chǎn)權(quán)等問(wèn)題）項(xiàng)目背景隨著電力系統(tǒng)非線性用電負(fù)荷的日益增多，電力系統(tǒng)中的諧波不斷增加。電力系 統(tǒng)諧波不僅對(duì)供電系統(tǒng)造成污染，對(duì)電力設(shè)備構(gòu)成危害，而且對(duì)電能計(jì)量產(chǎn)生不良影 響。電能表是電能計(jì)量的核心部件和

5、基本量具，其計(jì)量準(zhǔn)確度直接關(guān)系到電能計(jì)量的 精度。由于諧波的存在使電能表產(chǎn)生誤差，造成電能表讀數(shù)與實(shí)際所用負(fù)荷數(shù)不符， 影響電能的正確計(jì)量。其中，感應(yīng)式電能表由于其計(jì)量原理的限制，對(duì)于諧波條件下 的電能計(jì)量有較大的計(jì)量誤差，而電子式電能表在諧波情況下也產(chǎn)生一定的計(jì)量誤差。 而且在諧波下，兩種電能表都存在計(jì)量準(zhǔn)確性和合理性相互矛盾的問(wèn)題。為此有必要 系統(tǒng)深入地研究在諧波影響下的電能計(jì)量方式和原理，對(duì)目前電能計(jì)量中存在的問(wèn)題 提出合理的改進(jìn)措施，以確保電能計(jì)量準(zhǔn)確，保障電力系統(tǒng)用戶的利益和營(yíng)運(yùn)企業(yè)的 經(jīng)營(yíng)效益。應(yīng)用前景電網(wǎng)中存在的日益增多的諧波污染大大影響著電力公司的成本和收入，今后電價(jià)的 制定必

6、須考慮諧波對(duì)電力的影響。針對(duì)大諧波用戶進(jìn)行諧波計(jì)費(fèi)，從而迫使其減小諧波 的排放，實(shí)現(xiàn)以經(jīng)濟(jì)手段治理電力諧波。因此，研究諧波對(duì)電能計(jì)量的影響，得出在諧 波情況下，現(xiàn)有電能計(jì)量是否準(zhǔn)確、合理的結(jié)論后，就能對(duì)減目前電能計(jì)量中存在的問(wèn) 題提出合理的改進(jìn)措施，進(jìn)而切實(shí)保障發(fā)、供、用電三方的經(jīng)濟(jì)利益及交易的公平性， 最終有利于電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外研究概況目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于諧波對(duì)電能計(jì)量的影響進(jìn)行了研究，也取得一些成 果，但缺乏系統(tǒng)的深入的理論研究和試驗(yàn)研究。感應(yīng)式電能表面世較早，研究 其在諧波情況下電能計(jì)量影響的必要性已得到廣泛的認(rèn)同，相關(guān)的研究也取得 一定的成果。但探討諧

7、波對(duì)感應(yīng)式電能表影響的研究主要是基于實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn) 也不夠精確，少數(shù)學(xué)者從理論上推導(dǎo)出的感應(yīng)式電能表的頻率響應(yīng)模型也不夠 精確。電子式電能表在近二十年被逐步推廣采用，對(duì)電子式電能表受諧波影響 的研究尚不夠深入也不夠系統(tǒng)。由于不同的電子式電能表計(jì)量方式不同，即使 在相同條件下，所獲得的結(jié)論也不盡相同，究竟那種電能計(jì)量方法正確或目前 電能計(jì)量方法都存在準(zhǔn)確性和合理性問(wèn)題，尚有待進(jìn)一步進(jìn)行研究。此外，諧 波潮流在電網(wǎng)中流動(dòng)，所引起的諧波網(wǎng)損特性，也需要進(jìn)一步研究，弄清諧波 網(wǎng)損的特性，為準(zhǔn)確計(jì)量諧波網(wǎng)損奠定理論基礎(chǔ)。二、研究、推廣應(yīng)用內(nèi)容和預(yù)期成果(說(shuō)明項(xiàng)目的具體研究、推廣內(nèi)容、技術(shù)關(guān)鍵和重 點(diǎn)解決的

8、技術(shù)問(wèn)題，預(yù)計(jì)達(dá)到的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，預(yù)期成果和提供的形式及其依托工程， 應(yīng)用該成果的單位落實(shí)情況和可能應(yīng)用的其它工程或單位及效益。)項(xiàng)目?jī)?nèi)容項(xiàng)目的主要內(nèi)容有：(1) 研制配電網(wǎng)綜合測(cè)量箱，該綜合測(cè)量箱能夠準(zhǔn)確測(cè)得負(fù)荷的有功電能、無(wú)功電能、 峰谷平電量、三相電壓、三相電流的各次諧波分量的有效值、相位角(125次)、 有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、功率方向等，并具備gprs和rs232等數(shù)據(jù)接口， 既可以遠(yuǎn)程遙測(cè)負(fù)荷的數(shù)據(jù)，也可以就地獲得負(fù)荷的數(shù)據(jù)。在深圳配電網(wǎng)中選取幾 種不同的典型負(fù)荷點(diǎn)安裝配電網(wǎng)綜合測(cè)量箱，取得這些負(fù)荷的第一手電量參數(shù)的數(shù) 據(jù)；(2) 研究現(xiàn)有電能表的結(jié)構(gòu)和計(jì)量原理，建立其數(shù)學(xué)模

9、型，分析其頻響特性；(3) 深入研究電力系統(tǒng)典型負(fù)荷以及所產(chǎn)生的諧波、特性以及諧波分析方法；(4) 諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性影響的理論研究(系統(tǒng)電源畸變與無(wú)畸變、線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷等不同狀況及組合)；(5 )諧波對(duì)電能計(jì)量合理性影響的理論研究；(6)諧波網(wǎng)損的特性及計(jì)量研究；(7 )利用matalab仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)理論研究進(jìn)行驗(yàn)證；(8)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試研究，并在實(shí)驗(yàn)室，利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(rtds)模擬電力系統(tǒng)的諧 波，檢驗(yàn)諧波對(duì)電磁感應(yīng)式電度表和電子式電度表計(jì)量的影響以及誤差。技術(shù)關(guān)鍵(1) 高精度的配電網(wǎng)綜合測(cè)量箱的研制；(2) 根據(jù)現(xiàn)有電能表的結(jié)構(gòu)和計(jì)量原理，建立其精確數(shù)學(xué)模型，分析其頻響特性，從

10、 理論上研究諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性的影響；(3) 建立電力系統(tǒng)非線性負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型，從理論上研究諧波在電網(wǎng)中的分布，對(duì)諧 波網(wǎng)損的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行研究；(4) 對(duì)線性負(fù)荷和非線性負(fù)載消耗電能進(jìn)行分析，研究諧波電能對(duì)電能計(jì)量合理性所 造成的影響；(5) 建立仿真模型，在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(rtds)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證相關(guān)的理論 分析結(jié)果。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(1) 研究成果將解決諧波對(duì)電能計(jì)量的影響，使電能計(jì)量的準(zhǔn)確性問(wèn)題，為發(fā)、供、 用電三方的經(jīng)濟(jì)利益及交易的公平性提供技術(shù)依據(jù)，有利于電力市場(chǎng)化。(2) 研究成果將為諧波條件下電能計(jì)量的合理性提供技術(shù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生諧波的 用戶進(jìn)行懲罰，有利于改善電網(wǎng)的環(huán)境

11、污染；(3) 由于電力系統(tǒng)諧波是一個(gè)普遍的問(wèn)題，因此解決諧波條件下的電能計(jì)量的準(zhǔn)確 性和合理性有著巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。三、擬采取的研究方法和技術(shù)路線研究方法從理論上研究電力系統(tǒng)非線性負(fù)荷的基本特性和數(shù)學(xué)模型，掌握各種非線性負(fù)荷 產(chǎn)生的諧波特性；根據(jù)感應(yīng)式電能表和電子式電能表的基本結(jié)構(gòu)和基本工作原理，研 究系統(tǒng)供電電源波形無(wú)畸變和畸變條件下，非線性負(fù)荷產(chǎn)生諧波或吸收諧波的分布和 諧波潮流；結(jié)合實(shí)際電力系統(tǒng)模型（線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷混合系統(tǒng)），計(jì)算諧波潮 流的分布，并利用matalab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)；選擇諧波污染較為嚴(yán)重的有代表意義的觀 測(cè)點(diǎn)，利用自相研制的配電網(wǎng)綜合測(cè)量箱進(jìn)行諧波測(cè)試和

12、電能計(jì)量，獲取實(shí)際測(cè)試數(shù) 據(jù)；在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（rtds）上建立實(shí)際電力系統(tǒng)模型，模型輸出可控諧波電壓 和電流，經(jīng)放大器輸出接入感應(yīng)式電能表和電子式電能表，對(duì)不同諧波條件下的電能 進(jìn)行計(jì)量，獲取計(jì)量誤差，與理論結(jié)果進(jìn)行比較；根據(jù)理論研究、仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)時(shí) 數(shù)字仿真系統(tǒng)（rtds）模擬試驗(yàn)的結(jié)果，提出結(jié)論性意見(jiàn)或改進(jìn)方案。技術(shù)路線首先進(jìn)行調(diào)研，對(duì)各種諧波污染較為嚴(yán)重的用戶，如大型鋼鐵廠、軋鋼廠及電力機(jī) 車(chē)牽引變電站等進(jìn)行資料收集，了解所使用的電能表及電能計(jì)量準(zhǔn)確性等方面情況，掌 握第一手資料。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的資料，建立非線性負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型，研究有關(guān)非線性負(fù) 荷的諧波特性以及諧波在電力系統(tǒng)的潮流分

13、布，根據(jù)電能表的結(jié)構(gòu)和計(jì)量原理，建立其 數(shù)學(xué)模型并分析其頻響特性，對(duì)電能表的電能計(jì)量進(jìn)行推導(dǎo)和分析，研究諧波情況下對(duì) 電能計(jì)量準(zhǔn)確性和合理性的影響；在理論研究的基礎(chǔ)上，建立線性負(fù)載和非線性負(fù)載組 成的電力系統(tǒng)仿真模型，利用matalab進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)和分析；在matalab仿真實(shí)驗(yàn)的基 礎(chǔ)上，選擇諧波污染較為嚴(yán)重的有代表意義的觀測(cè)點(diǎn)，利用自行研制的配電網(wǎng)綜合測(cè)量 箱進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的諧波測(cè)試和電能計(jì)量，獲取實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)和觀測(cè)點(diǎn)的 實(shí)際情況，在實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)（rtds）上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)，模擬觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際諧波 情況，經(jīng)放大器將實(shí)際使用的感應(yīng)式電能表和電子式電能表接入模擬系統(tǒng)進(jìn)行電能計(jì)

14、量，分析計(jì)量誤差，驗(yàn)證相關(guān)的理論分析結(jié)果。在完成上述研究和試驗(yàn)后，根據(jù)理論分 析、仿真實(shí)驗(yàn)和rtds模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，給出諧波對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性和合理性影響的結(jié) 論，并對(duì)減少諧波對(duì)電能計(jì)量的影響以及目前電能計(jì)量中存在的問(wèn)題提出合理的改進(jìn)措 施。四、工作總體安排和年度進(jìn)度序號(hào)時(shí)間段內(nèi)容123456789五、實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)已具備的條件（包括過(guò)去的研究工作基礎(chǔ)，現(xiàn)有 的主要儀器設(shè)備、研究技術(shù)人員及協(xié)作條件，從其它渠道已得到、已申請(qǐng) 或申請(qǐng)的經(jīng)費(fèi)情況及金額等）項(xiàng)目負(fù)責(zé)人已具備的條件具備完成本項(xiàng)目所需要的測(cè)試設(shè)備，特別是擁有加拿大rtds公司的實(shí)時(shí)仿真系 統(tǒng)（價(jià)值700萬(wàn)），該系統(tǒng)能不僅能進(jìn)行數(shù)字仿真，

15、而且將模擬電力系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn) 換為模擬信號(hào)輸出，與電能表物理連接，進(jìn)行電能計(jì)量，該系統(tǒng)可模擬諧波源（諧波 次數(shù)、相角以及諧波含量等）。本課題組長(zhǎng)期從事電力系統(tǒng)諧波方面的研究工作，為本項(xiàng)目打下了堅(jiān)實(shí)的理論基 礎(chǔ)和工作基礎(chǔ)。項(xiàng)目組成員均具有電力系統(tǒng)諧波以及電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面的 扎實(shí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，多數(shù)成員具有自動(dòng)化理論和技術(shù)、數(shù)字信號(hào)分析和處理以及數(shù)學(xué)建模 等方面的科研經(jīng)驗(yàn)，能夠勝任本項(xiàng)目相關(guān)的所有科研和實(shí)驗(yàn)工作。本課題組早在幾年前就諧波對(duì)電能計(jì)量影響的研究做了相關(guān)基礎(chǔ)研究，并在實(shí)時(shí) 數(shù)字仿真系統(tǒng)（rtds）上進(jìn)行了初步的仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)于諧波對(duì)電能計(jì)量影響已經(jīng)有了 一定的認(rèn)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。六、研究項(xiàng)目

16、組成人員情況序 號(hào)姓名年齡職務(wù)職稱(chēng)專(zhuān)業(yè)本項(xiàng)目中分工投入項(xiàng)目工 作總月數(shù)作位 工單1234567891011121314151617181920七、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 單位：29萬(wàn)元科目金額申請(qǐng)資助自籌備注(-)直接費(fèi)用1人員費(fèi)(1)研究機(jī)構(gòu)人員費(fèi)(2)臨時(shí)工工資2.設(shè)備及軟件費(fèi)(1)購(gòu)置元器件(2)編制軟件3 業(yè)務(wù)費(fèi)(1)材料費(fèi)(2)資料費(fèi)(3)外協(xié)測(cè)試試驗(yàn)及加 工費(fèi)(4)會(huì)議費(fèi)(5)差旅費(fèi)4 其他直接費(fèi)用(二)間接費(fèi)用1 現(xiàn)有儀器設(shè)備使用費(fèi)2 直接管理費(fèi)用3 其他間接費(fèi)用(三)協(xié)作研究支出協(xié)作支出1合計(jì)注：與項(xiàng)目有關(guān)的前期研究(包括階段性成果)支出的各項(xiàng)經(jīng)費(fèi)不列入本項(xiàng)目預(yù)算;八、合作單位意見(jiàn)（對(duì)合作研究?jī)?nèi)容、參加人員及