2非线性负荷工况下智能电能表的计量性能评估-0515最终版--袁瑞铭
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2
袁瑞铭
一、背景与意义
二、典型非线性负荷特性分析与建模
三、非线性负荷模拟方案研究 四、智能电能表动态误差测试 五、总结
背景和意义
电能表作为国家法定计量器具和测量电能的专用仪表，已广泛应用于
发电、输电、配电和用电各个环节，是计量收费与电网技术管理现代
化的基础设备，电能表的误差性能和测试技术水平将直接影响电能计 量管理的质量。
瞬时电流幅度波动曲线 0~100秒
18
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
瞬时功率幅度变化范围与变化速率
轧钢机A相功率幅度曲线 35 30 25 20
幅值/MW
幅值/MW
以轧钢机为例
轧钢机A相瞬时功率幅度曲线：0-200s 30
25
20 15 10 5 0 0
15
10
5
200
400
电压基波相位时变特性
电流基波相位时变特性
电压基波相位变化范围为-7.52°~8.52° 电流基波相位变化范围为-179.90°~179.8° 电流电压基波相位差范围为-179.04°~179.30°
16
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
瞬时电流幅度变化范围与变化速率
轧钢机A相电流波动时间长度曲线 35 30 25
7
背景和意义
3、对电能计量影响
长久以来电能表误差测试都是在稳态功率条件下进行的，目 前有关电能表的各类标准和检定规程都不包含动态功率条件 下的准确度试验项目和方法。
现状
问题
在稳态功率条件下检定合格的电能表，在动态功率条件下可 能无法满足电能计量要求，甚至产生较大的计量误差，影响 电能计量的公正合理。
2017年电力行业用电信息技术交流会
非线性负荷工况下 智能电能表的计量性能评估
袁瑞铭
国网冀北电科院 2017.05 南宁
报告人简介
博士，高工，国网冀北电力有限公司电力科学研究院 计量中心副主任，国网公司营销专业领军和优秀专家人才 ，全国 TC549 、 TC104 、 TC525 标委会委员，中国电机工 程学会测试技术与仪表专委会副秘书长。
9
一、背景与意义
二、典型非线性负荷特性分析与建模
三、非线性负荷模拟方案研究 四、智能电能表动态误差测试 五、总结
典型非线性负荷特性分析与建模
1、典型非线性负荷现场采集
负荷信号采集点： 1、分布式光伏电源：在接入电网计量点； 2、电弧炉、电气化铁路和轧钢机：电能计量点电压、电流互感器二次侧； MR8875-30 存储录波仪
12
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
定义为电压、电流信号基 波和谐波的幅值随时间变 化的关系 定义为电压、电流信号基 波和谐波的相位随时间变 化的关系 定义为电压与电流信号的 基波频率随时间变化的关 系 定义为瞬时电流幅值在相 邻的若干个工频周期内的 变化速率 幅值时变特性 反映动态负荷信号的 幅值的变化趋势或规 律 反映动态负荷信号的 相位的变化趋势或规 律 反映动态负荷信号的 基波频率变化规律或 特点 反映动态负荷瞬时电 流幅度波动的快慢特 性与负荷功率的冲击 性
15
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
电压、电流基波相位时变特性
轧钢机电压基波相位时变特性
10
以轧钢机为例
轧钢机电流基波相位时变特性
200
(t=1438.581s, PhaVoltageMax=8.5249° )
8
(t=557.128s，PhaCurrentMax=179.7684° )
150
6
100
4
50
相位/度
相位/度
2 0 -2 -4 -6
0
-50 -100
-150
(t=1656.448s,PhaCurrentMin=-179.8977° )
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 时间 /秒
研究思路
1、典型非线性负荷现场采集、特性分析与建模； 2、非线性负荷模拟方案研究及信号发生器样机试制； 3、电能表动态误差测试。
8
背景和意义
3、对电能计量影响
案例一：某钢板材有限公司110KV变压器高压侧的计费用电能表和参 考电能表，在用可控硅供电轧钢的16天时间内的电能计量值相差达 32%。
案例二：某供电公司安装了某款三相电能表作为低压台区公变用考核 表后，40余个综合台区出现线损异常，供电量低于售电量，线损最高 达到-30%。电能表在实验室检测时无异常，在现场检测时却发现误差 不稳定，最高可达-11%，但大部分时间都小于-0.5%。
瞬时功率幅度变化 范围与变化速率
瞬时电流游程长度
反映动态负荷电流波 动变化的暂态模式、 短时模式和长时模式
三相电流不平衡度
反映动态负荷瞬时电 流幅度波动的快慢特 性与负荷电流的冲击 性
14
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
电压基波幅值时变特性
轧钢机电压基波幅值时变特性
51.1
以轧钢机为例
时间/s
长时游程
20
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—随机性
问题的提出 非线性动态负荷 随机信号具有复 杂的随机特性
如何描述随机信号的 典型随机特性？
研究确定了均值、方差、众数、自相关函数、功率 问题的解决 谱密度和概率密度函数6个随机特征参量表示非线
性动态负荷随机信号的典型特性
技术手段
随着智能电网中引入的新型电源容量和新型用电负荷的不断增加，使 得智能电网中的电能准确计量面临着新的挑战。
4
背景和意义
1、新型电源容量增加
由于风能、太阳能、潮汐能 等 间歇式能源 的引入，使电 网新型电源输出功率呈现 大 范围波动等动态特性
5
背景和意义
2、新型用电负荷增加
炼钢电弧炉
轧钢机
高铁电力机车
最高采样频率 为500kHz
11
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
1、幅值时变特性 2、相位时变特性 3、基波频率特性 4、三相不平衡度 确定性 特征量
5、瞬时电流幅值的变化范围 6、瞬时电流幅值的变化速率
7、瞬时功率幅值的变化范围 8、瞬时功率幅值的变化速率 9、瞬时电流游程长度
非线性动态负荷信号去除趋势项和周期项 非平稳随机过程转化为弱平稳随机过程
21
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—随机性
22
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—随机性
以轧钢机为例
23
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—随机性
瞬时电流自相关函数和功率谱密度
1 0.8 轧钢机 0-10s瞬时电流随机样本自相关函数
时间长度/s
以轧钢机为例
轧钢机A相电流幅度曲线 700 600 500 400 300 200 100 0 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
15 10 5 0 0
200
400
600
800
瞬时电流幅度波动时间长度曲线 0~2100秒 电流信号幅度变化范围为19.2A~617.2A 瞬时电流幅度变化速率可达-33.744A/20mS和754.78A/20mS；
0 -100 -200
400 600
轧钢机A相瞬时电流曲线
短时游程
时间/s
-300 -400 2.1 2.102 2.104 2.106 2.108 2.11 时间/s 2.112 2.114 2.116 2.118 2.12
幅值/A
200
0
暂态游程
-200
-400
-600 597.2 597.4 597.6 597.8 598 598.2 598.4 598.6 598.8 599
时间长度/s
以轧钢机为例
轧钢机A相电流幅度曲线 500 450 400 350 300
幅值/A
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 30 40 50 60 时间/s 70 80 90 100
250 200 150 100 50 0 30 40 50 60 时间/s 70 80 90 100
瞬时电流幅度波动时间长度曲线 0~100秒
以轧钢机为例
轧钢机 0-10s瞬时电流随机样本功率谱密度
20
0
0.6
自相关值R(m)
功率W/dB
0.5 1 时间延迟 m 1.5 x 10 2
电弧炉、轧钢机、高铁电力机车、电弧焊机和大功率变频调速装置等
新型用电负荷越来越多，且容量也越来越大，使用电负荷的电流和功 率呈现出快速冲击性变化、随负荷端点电压和系统频率变化、次谐波
分量增加等动态特性。
6
背景和意义
3、对电能计量影响
在稳态功率条件下检定合格的电能表，在动态功率条件下可能无法满 足电能计量要求，甚至产生较大的计量误差。
1000 1200 时间/s
1400
1600
1800
2000
幅值/A
20
200
400
600
800
瞬时电流幅度波动曲线 0~2100秒
1000 1200 时间/s
1400
1600
1800
2000
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典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
瞬时电流幅度变化范围与变化速率
轧钢机A相电流波动时间长度曲线 5 4.5 4 3.5
瞬时功率幅度波动曲线 0~200秒
19
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
瞬时电流的游程长度
轧钢机A相瞬时电流曲线：2.1~2.12s 400 300 200 100
幅值/A
幅值/A
以轧钢机为例
轧钢机A相瞬时电流曲线
300 200
100
0
-100
-200
-300
-400 20.3 20.35 20.4 20.45 20.5 20.55
600
800
1000 1200 时间/s
1400
1600
1800
2000
0 0
20
40
60
80
100 时间/s
120
140
160
180
200
瞬时功率幅度波动曲线 0~2100秒 瞬时功率幅度变化范围为3.45~34.10MW 瞬时功率幅度变化速率可达-1.853MW/20mS和12.121MW/20mS
频率/Hz
50.1
200
400
600
800
电压基波幅值时变特性
电压、电流基波频率特性 电压基波频率变化不超过0.1Hz 电流基波频率变化不超过0.3Hz
1000 1200 时间/秒
1400
1600
1800
2000
U t=1205s时，最小值 1_ min =49.79kV t=1440s时，最大值U1_ max =51.004kV
长期从事电测计量、用电信息采集、智能用电等相关 的科研、生产与管理工作，主持过多次电动汽车充换电设 施、智能量测设备的大型质量评测试验，负责完成了多台 大型火电机组调试任务。主持及主要负责国家科技重点研 发计划项目 1 项、国家自然科学基金项目1项、国家电网 总部科技项目5项，曾获省部级科技奖5项、省公司级科技 奖项20余项，参编国标8项、行标2项、国网公司企标16项 ，发表核心及以上论文30 余篇，出版专著3 本，授权国家 专利70余项。
13
相位时变特性
基波频率特性
瞬时电流幅度变化 范围与变化速率
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
定义为瞬时功率幅值在 相邻的若干个工频周期 内的变化速率。该特性 量可以反映动态负荷瞬 时功率幅度波动的快慢 特性 定义该两个时间节点之 间包含的负荷电流完整 周期个数为瞬时电流游 程长度 定义为三相电力系统中三 相电流的不平衡程度，用 电流的负序基波分量或零 序基波分量与正序基波分 量的方均根百分比表示 反映动态负荷瞬时功 率幅度波动的快慢特 性与负荷功率的冲击 性
-200 -8 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 时间 /秒
(t=289.9979s,PhaVoltageMin=-7.5167° )
电压、电流基波频率特性
50.5 50.4 50.3 50.2 50.1 50 49.9 49.8 49.7 49.6 49.5 0 50.5 50.4 50.3 50.2 50.1 50 49.9 49.8 49.7 49.6 49.5 0 轧钢机电压基波频率
(t=1440s, Vmax=51.0039kV)
50.9
频率/Hz
50.7
幅值/kV
50.5
200
400
600
800
1000 1200 时间/秒 轧钢机电流基波频率
1400
1600
1800
2000
50.3
49.9
(t=1205s,Vmin=49.7901kV)
49.7 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 时间 /秒
袁瑞铭
一、背景与意义
二、典型非线性负荷特性分析与建模
三、非线性负荷模拟方案研究 四、智能电能表动态误差测试 五、总结
背景和意义
电能表作为国家法定计量器具和测量电能的专用仪表，已广泛应用于
发电、输电、配电和用电各个环节，是计量收费与电网技术管理现代
化的基础设备，电能表的误差性能和测试技术水平将直接影响电能计 量管理的质量。
瞬时电流幅度波动曲线 0~100秒
18
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
瞬时功率幅度变化范围与变化速率
轧钢机A相功率幅度曲线 35 30 25 20
幅值/MW
幅值/MW
以轧钢机为例
轧钢机A相瞬时功率幅度曲线：0-200s 30
25
20 15 10 5 0 0
15
10
5
200
400
电压基波相位时变特性
电流基波相位时变特性
电压基波相位变化范围为-7.52°~8.52° 电流基波相位变化范围为-179.90°~179.8° 电流电压基波相位差范围为-179.04°~179.30°
16
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
瞬时电流幅度变化范围与变化速率
轧钢机A相电流波动时间长度曲线 35 30 25
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背景和意义
3、对电能计量影响
长久以来电能表误差测试都是在稳态功率条件下进行的，目 前有关电能表的各类标准和检定规程都不包含动态功率条件 下的准确度试验项目和方法。
现状
问题
在稳态功率条件下检定合格的电能表，在动态功率条件下可 能无法满足电能计量要求，甚至产生较大的计量误差，影响 电能计量的公正合理。
2017年电力行业用电信息技术交流会
非线性负荷工况下 智能电能表的计量性能评估
袁瑞铭
国网冀北电科院 2017.05 南宁
报告人简介
博士，高工，国网冀北电力有限公司电力科学研究院 计量中心副主任，国网公司营销专业领军和优秀专家人才 ，全国 TC549 、 TC104 、 TC525 标委会委员，中国电机工 程学会测试技术与仪表专委会副秘书长。
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一、背景与意义
二、典型非线性负荷特性分析与建模
三、非线性负荷模拟方案研究 四、智能电能表动态误差测试 五、总结
典型非线性负荷特性分析与建模
1、典型非线性负荷现场采集
负荷信号采集点： 1、分布式光伏电源：在接入电网计量点； 2、电弧炉、电气化铁路和轧钢机：电能计量点电压、电流互感器二次侧； MR8875-30 存储录波仪
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典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
定义为电压、电流信号基 波和谐波的幅值随时间变 化的关系 定义为电压、电流信号基 波和谐波的相位随时间变 化的关系 定义为电压与电流信号的 基波频率随时间变化的关 系 定义为瞬时电流幅值在相 邻的若干个工频周期内的 变化速率 幅值时变特性 反映动态负荷信号的 幅值的变化趋势或规 律 反映动态负荷信号的 相位的变化趋势或规 律 反映动态负荷信号的 基波频率变化规律或 特点 反映动态负荷瞬时电 流幅度波动的快慢特 性与负荷功率的冲击 性
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典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
电压、电流基波相位时变特性
轧钢机电压基波相位时变特性
10
以轧钢机为例
轧钢机电流基波相位时变特性
200
(t=1438.581s, PhaVoltageMax=8.5249° )
8
(t=557.128s，PhaCurrentMax=179.7684° )
150
6
100
4
50
相位/度
相位/度
2 0 -2 -4 -6
0
-50 -100
-150
(t=1656.448s,PhaCurrentMin=-179.8977° )
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 时间 /秒
研究思路
1、典型非线性负荷现场采集、特性分析与建模； 2、非线性负荷模拟方案研究及信号发生器样机试制； 3、电能表动态误差测试。
8
背景和意义
3、对电能计量影响
案例一：某钢板材有限公司110KV变压器高压侧的计费用电能表和参 考电能表，在用可控硅供电轧钢的16天时间内的电能计量值相差达 32%。
案例二：某供电公司安装了某款三相电能表作为低压台区公变用考核 表后，40余个综合台区出现线损异常，供电量低于售电量，线损最高 达到-30%。电能表在实验室检测时无异常，在现场检测时却发现误差 不稳定，最高可达-11%，但大部分时间都小于-0.5%。
瞬时功率幅度变化 范围与变化速率
瞬时电流游程长度
反映动态负荷电流波 动变化的暂态模式、 短时模式和长时模式
三相电流不平衡度
反映动态负荷瞬时电 流幅度波动的快慢特 性与负荷电流的冲击 性
14
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
电压基波幅值时变特性
轧钢机电压基波幅值时变特性
51.1
以轧钢机为例
时间/s
长时游程
20
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—随机性
问题的提出 非线性动态负荷 随机信号具有复 杂的随机特性
如何描述随机信号的 典型随机特性？
研究确定了均值、方差、众数、自相关函数、功率 问题的解决 谱密度和概率密度函数6个随机特征参量表示非线
性动态负荷随机信号的典型特性
技术手段
随着智能电网中引入的新型电源容量和新型用电负荷的不断增加，使 得智能电网中的电能准确计量面临着新的挑战。
4
背景和意义
1、新型电源容量增加
由于风能、太阳能、潮汐能 等 间歇式能源 的引入，使电 网新型电源输出功率呈现 大 范围波动等动态特性
5
背景和意义
2、新型用电负荷增加
炼钢电弧炉
轧钢机
高铁电力机车
最高采样频率 为500kHz
11
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
1、幅值时变特性 2、相位时变特性 3、基波频率特性 4、三相不平衡度 确定性 特征量
5、瞬时电流幅值的变化范围 6、瞬时电流幅值的变化速率
7、瞬时功率幅值的变化范围 8、瞬时功率幅值的变化速率 9、瞬时电流游程长度
非线性动态负荷信号去除趋势项和周期项 非平稳随机过程转化为弱平稳随机过程
21
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—随机性
22
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—随机性
以轧钢机为例
23
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—随机性
瞬时电流自相关函数和功率谱密度
1 0.8 轧钢机 0-10s瞬时电流随机样本自相关函数
时间长度/s
以轧钢机为例
轧钢机A相电流幅度曲线 700 600 500 400 300 200 100 0 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
15 10 5 0 0
200
400
600
800
瞬时电流幅度波动时间长度曲线 0~2100秒 电流信号幅度变化范围为19.2A~617.2A 瞬时电流幅度变化速率可达-33.744A/20mS和754.78A/20mS；
0 -100 -200
400 600
轧钢机A相瞬时电流曲线
短时游程
时间/s
-300 -400 2.1 2.102 2.104 2.106 2.108 2.11 时间/s 2.112 2.114 2.116 2.118 2.12
幅值/A
200
0
暂态游程
-200
-400
-600 597.2 597.4 597.6 597.8 598 598.2 598.4 598.6 598.8 599
时间长度/s
以轧钢机为例
轧钢机A相电流幅度曲线 500 450 400 350 300
幅值/A
3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 30 40 50 60 时间/s 70 80 90 100
250 200 150 100 50 0 30 40 50 60 时间/s 70 80 90 100
瞬时电流幅度波动时间长度曲线 0~100秒
以轧钢机为例
轧钢机 0-10s瞬时电流随机样本功率谱密度
20
0
0.6
自相关值R(m)
功率W/dB
0.5 1 时间延迟 m 1.5 x 10 2
电弧炉、轧钢机、高铁电力机车、电弧焊机和大功率变频调速装置等
新型用电负荷越来越多，且容量也越来越大，使用电负荷的电流和功 率呈现出快速冲击性变化、随负荷端点电压和系统频率变化、次谐波
分量增加等动态特性。
6
背景和意义
3、对电能计量影响
在稳态功率条件下检定合格的电能表，在动态功率条件下可能无法满 足电能计量要求，甚至产生较大的计量误差。
1000 1200 时间/s
1400
1600
1800
2000
幅值/A
20
200
400
600
800
瞬时电流幅度波动曲线 0~2100秒
1000 1200 时间/s
1400
1600
1800
2000
17
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
瞬时电流幅度变化范围与变化速率
轧钢机A相电流波动时间长度曲线 5 4.5 4 3.5
瞬时功率幅度波动曲线 0~200秒
19
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
瞬时电流的游程长度
轧钢机A相瞬时电流曲线：2.1~2.12s 400 300 200 100
幅值/A
幅值/A
以轧钢机为例
轧钢机A相瞬时电流曲线
300 200
100
0
-100
-200
-300
-400 20.3 20.35 20.4 20.45 20.5 20.55
600
800
1000 1200 时间/s
1400
1600
1800
2000
0 0
20
40
60
80
100 时间/s
120
140
160
180
200
瞬时功率幅度波动曲线 0~2100秒 瞬时功率幅度变化范围为3.45~34.10MW 瞬时功率幅度变化速率可达-1.853MW/20mS和12.121MW/20mS
频率/Hz
50.1
200
400
600
800
电压基波幅值时变特性
电压、电流基波频率特性 电压基波频率变化不超过0.1Hz 电流基波频率变化不超过0.3Hz
1000 1200 时间/秒
1400
1600
1800
2000
U t=1205s时，最小值 1_ min =49.79kV t=1440s时，最大值U1_ max =51.004kV
长期从事电测计量、用电信息采集、智能用电等相关 的科研、生产与管理工作，主持过多次电动汽车充换电设 施、智能量测设备的大型质量评测试验，负责完成了多台 大型火电机组调试任务。主持及主要负责国家科技重点研 发计划项目 1 项、国家自然科学基金项目1项、国家电网 总部科技项目5项，曾获省部级科技奖5项、省公司级科技 奖项20余项，参编国标8项、行标2项、国网公司企标16项 ，发表核心及以上论文30 余篇，出版专著3 本，授权国家 专利70余项。
13
相位时变特性
基波频率特性
瞬时电流幅度变化 范围与变化速率
典型非线性负荷特性分析与建模
2、负荷特性分析—确定性
定义为瞬时功率幅值在 相邻的若干个工频周期 内的变化速率。该特性 量可以反映动态负荷瞬 时功率幅度波动的快慢 特性 定义该两个时间节点之 间包含的负荷电流完整 周期个数为瞬时电流游 程长度 定义为三相电力系统中三 相电流的不平衡程度，用 电流的负序基波分量或零 序基波分量与正序基波分 量的方均根百分比表示 反映动态负荷瞬时功 率幅度波动的快慢特 性与负荷功率的冲击 性
-200 -8 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 时间 /秒
(t=289.9979s,PhaVoltageMin=-7.5167° )
电压、电流基波频率特性
50.5 50.4 50.3 50.2 50.1 50 49.9 49.8 49.7 49.6 49.5 0 50.5 50.4 50.3 50.2 50.1 50 49.9 49.8 49.7 49.6 49.5 0 轧钢机电压基波频率
(t=1440s, Vmax=51.0039kV)
50.9
频率/Hz
50.7
幅值/kV
50.5
200
400
600
800
1000 1200 时间/秒 轧钢机电流基波频率
1400
1600
1800
2000
50.3
49.9
(t=1205s,Vmin=49.7901kV)
49.7 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 时间 /秒