一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法，对于柔性直流输电系统中的各个换流站，该方法包括确定N个计量点，N为不小于2的正整数；在N个计量点处均安装电能计量装置，其中，电能计量装置包括用于采集对应计量点的电流的电流互感器、用于采集对应计量点的电压的电压互感器以及对电流和电压的乘积进行积分得到对应计量点的能量的电能表；依据N个计量点中任意相邻两个计量点的电能表得到的能量计算相邻两个计量点之间的柔性直流输电设备的能量转换效率。该方法能够通过任意相邻两个计量点的能量便可以得到位于该相邻计量点之间的柔性直流输电设备的能量转换效率，为开展电气设备以及系统能源效率评估提供了理论基础。
【专利说明】
-种用于柔性直流输电系统的能效计量方法
技术领域
[0001] 本发明设及柔性直流输电技术领域，特别是设及一种用于柔性直流输电系统的能 效计量方法。
【背景技术】
[0002] 上世纪90年代W后，W全控型器件为基础的电压源换流器高压直流输电技术受到 了业界的重视并得到了快速的发展，是当今世界电力电子技术应用领域的制高点，也是智 能电网关键技术之一。与传统交流输电W及高压直流输电相比较，柔性直流输电具有很多 优点。
[0003] 但相较于传统直流输电，柔性直流输电的损耗较大，目前，传统直流输电的单站损 耗已低于0.8%，而两电平和=电平柔性直流输电的单个换流站损耗在2%左右，多电平柔 性直流输电的单个换流站损耗大约为1.5%，而且柔性直流输电作为新型电能变化、输送模 式，现阶段其研究与应用多集中在系统建设、可靠性W及运行维护等方面，在柔性直流输电 能量转换效率特别是实际工作状态下的柔性直流输电设备能量转换效率等研究与应用领 域仍处于空白。
[0004] 因此，如何提供一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法是本领域技术人员目 前需要解决的问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法，通过在柔性直 流输电系统的换流站中设置多个计量点，然后在计量点处设置电能计量装置，通过电能计 量装置得到各个计量点的能量，从而通过任意相邻两个计量点的能量便可W得到位于该相 邻计量点之间的柔性直流输电设备的能量转换效率，为开展电气设备W及系统能源效率评 估提供了理论基础，是今后能效检测平台建立和标准体系推广的根本保证，为今后改进柔 性直流输电系统换流与输电设备工艺水平、系统运行方式提供了技术支撑。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于柔性直流输电系统的能效计量方 法，对于所述柔性直流输电系统中的各个换流站，该方法包括：
[0007] 步骤Sioi:确定N个计量点，N为不小于2的正整数；
[0008] 步骤S102:在N个所述计量点处均安装电能计量装置，其中，所述电能计量装置包 括用于采集对应计量点的电流的电流互感器、用于采集所述对应计量点的电压的电压互感 器W及对所述电流和所述电压的乘积进行积分得到所述对应计量点的能量的电能表；
[0009] 步骤S103:依据N个所述计量点中任意相邻两个计量点的电能表得到的能量计算 所述相邻两个计量点之间的柔性直流输电设备的能量转换效率。
[0010]优选地，所述计量点包括：
[0011]位于所述换流站中的联接变压器的输入端、站用变端、桥臂电抗器前端W及电缆 输入端。
[0012] 优选地，该方法还包括：
[0013] 依据所述联接变压器的输入端的电能表得到的能量W及所述电缆输出端的电能 表得到的能量得到所述柔性直流输电系统的能量转换效率。
[0014] 优选地，所述计量点还包括电缆输出端。
[0015] 优选地，所述电流互感器为0.2S级电流互感器。
[0016] 优选地，所述电压互感器为0.2级电压互感器。
[0017] 优选地，所述电能表为有功准确度等级为0.2S级的电能表。
[0018]优选地，所述电能表为具有正反双向计量功能的电能表。
[0019] 优选地，步骤Sl 02和步骤Sl 03之间还包括：
[0020] 调整任意相邻两个计量点的电能计量装置的一致性，使所述一致性小于0.05%。
[0021] 本发明提供了一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法，通过在柔性直流输电 系统的换流站中设置多个计量点，然后在计量点处设置电能计量装置，通过电能计量装置 得到各个计量点的能量，从而通过任意相邻两个计量点的能量便可W得到位于该相邻计量 点之间的柔性直流输电设备的能量转换效率，为开展电气设备W及系统能源效率评估提供 了理论基础，是今后能效检测平台建立和标准体系推广的根本保证，为今后改进柔性直流 输电系统换流与输电设备工艺水平、系统运行方式提供了技术支撑。
【附图说明】
[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施 例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据运些附图获 得其他的附图。
[0023] 图1为本发明提供的一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法的过程的流程 图；
[0024] 图2为本发明提供的一种双端柔性直流输电系统中换流站的拓扑结构图；
[0025] 图3为本发明提供的一种多端柔性直流输电系统中换流站的拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0026] 本发明的核屯、是提供一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法，通过在柔性直 流输电系统的换流站中设置多个计量点，然后在计量点处设置电能计量装置，通过电能计 量装置得到各个计量点的能量，从而通过任意相邻两个计量点的能量便可W得到位于该相 邻计量点之间的柔性直流输电设备的能量转换效率，为开展电气设备W及系统能源效率评 估提供了理论基础，是今后能效检测平台建立和标准体系推广的根本保证，为今后改进柔 性直流输电系统换流与输电设备工艺水平、系统运行方式提供了技术支撑。
[0027] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 请参照图1，图1为本发明提供的一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法的过 程的流程图；
[0029] 对于柔性直流输电系统中的各个换流站，该方法包括：
[0030] 步骤Sioi:确定N个计量点，N为不小于2的正整数；
[0031] 可W理解的是，根据对柔性直流输电系统的能效分析，确定系统的主要能耗设备， 结合考虑经济性、谐波因素和实际运行状态的影响，从而确定计量点的配置。
[0032] 具体地，请参照图2和图3,其中，图2为本发明提供的一种双端柔性直流输电系统 中换流站的拓扑结构图，图3为本发明提供的一种多端柔性直流输电系统中换流站的拓扑 结构图。
[0033] 根据对典型柔性直流输电系统的分析，计算得到系统中主要能耗设备的损耗率， 结果如表1所示。由表1的结果可知，在柔性直流输电系统中，换流器损耗所占的比例是最大 的，其次是联接变压器的损耗。运是柔性直流输电系统计量点选择的理论基础之一。
[0034] 表1柔性直流输电系统中各元件的典型损耗
[0035]
[0036] 柔性直流输电系统的能效计量主要是明确各个能耗设备的具体能耗，主要包括联 结变压器、桥臂电抗器、换流器、平波电抗器和电缆等，只要在能耗设备的输入端和输出端 加装相应的电能计量装置就能实现对该设备能效计量的目的。开展柔性直流输电系统能效 计量点的选择主要考虑W下几方面的因素：
[0037] 1)经济性
[0038] 输入功率和输出功率之间的差值可W提供所需测量能耗设备的实际损耗。从实际 工程出发，在柔性直流输电系统中的每个主要元件能量的输入端和输出端都加装电能计量 装置开展相关设备和系统的能效计量经济成本较高，一方面根据换流站各主要设备损耗计 算方法及已有柔性直流输电工程实际损耗分析可知:在柔性直流换流站损耗中，换流器损 耗占主要部分，如表1所示，通常能够达到50% W上。若无法在所有能耗设备输入输出两端 加装计量装置时应主要考虑损耗较大的相关元件，将电能计量装置安装在损耗较大的元件 两侧，则可W相对较容易也较为精确的测量出该元件的损耗，而不需要通过后期计算得到， 运样就能提高能效计量的准确性。另一方面，可W根据相关元件的特性、相关计量点数据的 采集W及数学分析等方法，找到运行方式较为固定、损耗数值相对较小的元件，如接地电抗 器、桥臂电抗器、平波电抗器等，获得较为精确的该元件损耗大小或所占比例。另外，计量装 置安装的条件、施工的难度等也是影响计量点选择的考虑因素。
[0039] 2)谐波影响
[0040] 柔性直流输电系统的计量点的选择另外一个考虑点为系统谐波特性。柔性直流输 电系统一般采用电平逼近法进行换流器的运行控制。
[0041] 随着电平数目的提高，各次谐波含量明显降低，当N大于一定程度时，各次特征谐 波含量均已降到非常低的谐波水平。21电平阶梯波的各次谐波含量基本上在1.2% W下;31 电平阶梯波的各次谐波含量基本上在0.7% W下;41电平阶梯波的各次谐波含量基本上在 0.5% W下；51电平阶梯波的各次谐波含量基本上在0.4% W下。但是，N过大造成系统进入 过调制区，T皿(Total化rmonic Distcxrtion,总谐波失真)值会显著上升。从谐波特性可W 看出，4点经过MMC(Modular Multilevel Converter,模块化多电平换流器)控制后T皿含量 很小，7点在平波电抗器后，谐波也很小，因此，4和7两点可W作为计量点进行准确计量。
[0042] 除W上两点外，其它考虑因素还包括：
[0043] 1)由于正常运作时启动电阻是被开关旁路，计量点3和计量点4可W视为同一计量 点，不必重复设置。计量点1、2、4的计量数据可W得到联结变压器的损耗;若3为计量点，贝U 应考虑接地电抗器的损耗。
[0044] 2)计量点5位于桥臂电抗器后，若在此设置计量点，则需要在A、B、CS相共6个桥臂 上加装电流互感器与电压互感器等电能计量装置，成本较高，安装计量装置相对困难，且此 处谐波含量高，不易准确计量。同时由表1得到，桥臂电抗器损耗占比不高，易准确计算，因 此可W选择不在5处设置计量点；
[0045] 3)同样由表1得到，平波电抗器损耗占比较小且容易准确计算，故在计量点6和计 量点7中选择一点加装电能计量装置。因为计量点7谐波含量小，因此选择计量点7开展计 量；
[0046] 4)计量点8实际是对侧换流站中的计量点7。
[0047] 根据上述分析，对于双端柔性直流输电系统的换流站，可W选择1、2、4、7作为计量 点。对于多端柔性直流输电系统的换流站，可W选择1、2、4、7、8、9 - 'M作为计量点，其中，M为 不下于9的正整数。
[004引也即，作为优选地，计量点包括：
[0049] 位于换流站中的联接变压器的输入端、站用变端、桥臂电抗器前端W及电缆输入 JLjJU 乂而。
[0050] 另外，如果还考虑电缆的能量损耗的话，作为优选地，计量点还包括电缆输出端。
[0051] 本申请中，可W通过对平波电抗器、桥臂电抗器和换流器运=个元件分别进行数 学建模，从理论上分析计算各自的能量损耗，通过实际数据和仿真数据的结合，确定平波电 抗器、桥臂电抗器和换流器的各自损耗。
[0052] 值得注意的是，上述介绍是结合经济性、谐波因素W及实际运行状况等角度去选 择计量点，当然本发明还可W根据实际情况去选择计量点，本发明在此不做特别的限定。
[0053] 步骤S102:在N个计量点处均安装电能计量装置，其中，电能计量装置包括用于采 集对应计量点的电流的电流互感器、用于采集对应计量点的电压的电压互感器W及对电流 和电压的乘积进行积分得到对应计量点的能量的电能表；
[0054] 作为优选地，电流互感器为0.2S级电流互感器。
[0化5] 作为优选地，电压互感器为0.2级电压互感器。
[0056] 作为优选地，电能表为有功准确度等级为0.2S级的电能表。
[0057] 可W理解的是，柔性直流输电系统能够进行电能的双向传输，因此，作为优选地， 运里的电能表可W为具有正反双向计量功能的电能表。
[005引当然，运里的电流互感器、电压互感器W及电能表均还可W采用其他准确度等级， 本发明在此不做特别的限定，根据实际情况来定。
[0059] 可W理解的是，确定计量点后，在各个计量点处均安装电流互感器、电压互感器W 及电能表，电能表接收电流互感器采集到的电流和电压互感器采集到的电压并进行相应积 分，得到对应计量点的能量。
[0060] 具体地，对于双端或多端柔性直流输电系统的换流站，在1、2、4 W及7点均安装电 流互感器、电压互感器W及电能表。
[0061] 另外，对于多端柔性直流输电系统，根据功率守恒的原理，可W得到整个系统的损 耗。结合工程实际，当直流侧有多条直流出线时，考虑电缆的损耗，在每条电缆输出端都安 装电流互感器，在直流母线上安装电压互感器。
[0062] 作为优选地，步骤S102和步骤S103之间还包括：
[0063] 调整任意相邻两个计量点的电能计量装置的一致性，使一致性小于0.05%。
[0064] 可W理解的是，为了提高准确性，运里需要对任意相邻两个计量点的电能计量装 置的一致性进行调整，使一致性小于0.05%。
[0065] 根据经济性和谐波影响因素的考虑分析，在图1中的1、2、4、7点设置计量点，并通 过在1、2、4、7点计量获得电能。同时，根据联接变压器的电能损耗误差、桥臂电抗器、换流器 和平波电抗器的电能总损耗误差、电缆的电能损耗误差和整个柔性直流输电系统的损耗误 差要求，可得到能效计量器具准确度W及误差一致性要求。
[0066] 联接变压器的电能损耗A岐：
[0067] A 岐=P广P2-P4.........................(1)
[006引则由于1、2、4计量点处电能计量装置的误差，使得A岐产生的计算误差等于：
[0069] A ( A岐)=AP广 AP2-AP4.........................(2)
[0070] 式中：A (AP变)为A岐的误差；APi为计量点1处的电能计量装置的误差；AP2为计 量点2处的电能计量装置的误差；AP4为计量点4处的电能计量装置的误差。
[0071] 用P表示总功率，贝U
[0072]
________________________3 )
[0073] 根据表1的分析，联接变压器的电能损耗A P变约占总功率P的0.24 %，此处按A P变 > 0.3 % P。且有Pi > P、P4 > P，P2远小于P，此处按P2 > 1 % P计算，则：
[0074]
.................（4)
[0075] 则联接变压器的电能损耗A岐相对误差按下列公式计算：
[0076]
.............................(5)
[0077] 由式(5)可W分析得到：
[0078] 1)计量点2处电能计量装置的误差，对电能损耗A岐的相对误差的影响不大；
[0079 ] 2)计量点1和计量点4处，电能计量装置误差的符号相同时，电能损耗A P变的相对 误差较小；
[0080] 3)计量点1和计量点4处，计量器具误差的符号相反时，联接变压器损耗A P变的相 对误差较大。
[0081 ]用Yi,4= ( A Pi/Pi)-( A P4/P4)表示计量点1和计量点4处电能计量装置的一致性， 假设计量点2处的电能计量装置为0.2级，考虑最恶劣的情况，电能损耗A P变的相对误差与 Yi,4的关系如表2所示。
[00剧表2 A岐的相对误差与Yi,4的关系表 r00831
[0084]由公式(6)计算桥臂电抗器、换流器和平波电抗器的电能总损耗A P总：
[0085 ] A P总=A P綱麵離+ A P觀綱+ A P弔她職
[00化]=(P4-P5 ) + (Ps-Ps) + (P6-P7).........................(6)
[0087] =P4-P7
[0088] 则由于4、7计量点处计量器具的误差，使得AP总产生的计算误差等于：
[0089]
[0090] A ( A总）=A P厂 AP?.........................(7)
[0091] 式中：A ( A总)为AP总的误差；AP7为计量点7处电能计量装置的误差。
[0092] 根据表一分析，桥臂电抗器、换流器和平波电抗器的电能总损耗AI^,约占总功率P 的0.843 %，此处按 A 0.85 %P。且有P4>P、P7，则：
[0093]
（8)
[0094] 则桥臂电抗器、换流器和平波电抗器的电能总损耗A P总相对误差按下列公式计 算：
[00 巧]
.......'.........19)
[0096] 用Y4,7= ( A Pzt/P4)-( A P7/P7)表示计量点4和计量点7处电能计量装置的一致性， 电能损耗A P总的相对误差与Y4,7的关系如表3所示。
[0097] 表3 A P总的相对误差与Y4,7的关系 「00981
[0099] 由公式(10)计算电缆的电能损耗A P技私
[0100] A P技尸P厂Ps.........................(10)
[0101] 则由于7、8计量点处计量器具的误差，使得AP技如^生的计算误差等于：
[0102] A ( A P^i) = A Py- A Pg.........................(11)
[010引式中：A ( AP輸)为AP輸的误差；APs为计量点8处电能计量装置的误差。
[0104]根据表一分析，50km长电缆的电能损耗A P技始]占总功率P的0.15 %，此处按A P秒！ >0.2%口。且有口7>口、口8>口，贝11:
[010引 ......................................(12 )
[0106] ；差按下列公式计算：
[0107] ......____________________ (13 )
[0108] 用Y7,8= ( A P7/P7)-( A Ps/Ps)表示计量点7和计量点8处电能计量装置的一致性， 电能损耗AP电缆的相对误差与Yw的关系如表4所示。
[0109] 表4 A P輸的相对误差与Y7,8的关系
[0110]
[01
[0112] 则柔性直流输电系统的能效计量误差可表示为：
[0113] _______...(14)
[0114] 2>1%P 可得，
[0115]
[0116] 用Yi,8=( APi/Pi)-( APs/Ps)表示计量点1和计量点8处电能计量装置的一致性， 假设计量点2处的电能计量装置为0.2级，则计量点2处的误差对整个系统的误差可忽略不 计，考虑最恶劣的情况，电能损耗AP系统的相对误差与Y7,8的关系如表5所示。
[0117] 表5 A P凝觀相对误差与Yi,8的关系
[0119] 电能计量和能效计量出发点角度不同，电能计量精确性与计量点所配置的计量装 置的准确度等级成正比，计量装置的准确度等级越高，计量越准确;能效计量除了计量装置 的准确度等级外，还应该考虑相关联计量点所配置计量装置的误差一致性。能效计量点计 量装置准确度等级越高、误差一致性程度越高，能效计量相对误差越小。
[0120] 步骤S103:依据N个计量点中任意相邻两个计量点的电能表得到的能量计算相邻 两个计量点之间的柔性直流输电设备的能量转换效率。
[0121] 可W理解的是，对于换流站的某个柔性直流输电设备，该柔性直流输电设备的能 量转换效率即为该柔性直流输电设备的输出端的计量点处的能量与输入端的计量点处的 能量的比值。
[0122 ]另外，如图3所示，多端柔性直流输电系统应在计量点1、2、4、7、8、9-，M处安装计量 装置。根据能量守恒定律，联结变压器损耗为A Pl锻觸S=Pl-P2-P4,换流器及相应电抗器损 耗为A P換臟=P7-P4,整个换流站能耗为A P換麻=P广(P8+P9+. . .+Pm)。
[0123] 作为优选地，该方法还包括：
[0124] 依据联接变压器的输入端的电能表得到的能量W及电缆输出端的电能表得到的 能量得到柔性直流输电系统的能量转换效率。
[01剧可W理解的是，由A P擬制=P广(P忡9+. . .+Pm)得到该换流站的损耗，在计算柔性 直流输电系统的能量转换效率时，只需采用该方法计算得到柔性直流输电系统中各个换流 站的损耗，通过总功率和各个换流站的损耗即可得到柔性直流输电系统的能量转换效率。
[0126] 本发明提供了一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法，通过在柔性直流输电 系统的换流站中设置多个计量点，然后在计量点处设置电能计量装置，通过电能计量装置 得到各个计量点的能量，从而通过任意相邻两个计量点的能量便可W得到位于该相邻计量 点之间的柔性直流输电设备的能量转换效率，为开展电气设备W及系统能源效率评估提供 了理论基础，是今后能效检测平台建立和标准体系推广的根本保证，为今后改进柔性直流 输电系统换流与输电设备工艺水平、系统运行方式提供了技术支撑。
[0127] 另外，该方案通过分析柔性直流输电系统各个能耗设备的损耗，结合能耗率、经济 性、谐波影响等因素，从而确定柔性直流输电系统能效计量点的选择，并通过误差传递理论 确定计量装置的准确度等级及误差一致性要求。
[0128] 需要说明的是，在本说明书中，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在涵盖 非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要 素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为运种过程、方法、物品或者设备 所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除在 包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0129] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。 对运些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可W在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的运些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种用于柔性直流输电系统的能效计量方法，其特征在于，对于所述柔性直流输电 系统中的各个换流站，该方法包括： 步骤S101:确定N个计量点，N为不小于2的正整数； 步骤S102:在N个所述计量点处均安装电能计量装置，其中，所述电能计量装置包括用 于采集对应计量点的电流的电流互感器、用于采集所述对应计量点的电压的电压互感器以 及对所述电流和所述电压的乘积进行积分得到所述对应计量点的能量的电能表； 步骤S103:依据N个所述计量点中任意相邻两个计量点的电能表得到的能量计算所述 相邻两个计量点之间的柔性直流输电设备的能量转换效率。2. 如权利要求1所述的能效计量方法，其特征在于，所述计量点包括： 位于所述换流站中的联接变压器的输入端、站用变端、桥臂电抗器前端以及电缆输入 端。3. 如权利要求2所述的能效计量方法，其特征在于，该方法还包括： 依据所述联接变压器的输入端的电能表得到的能量以及所述电缆输出端的电能表得 到的能量得到所述柔性直流输电系统的能量转换效率。4. 如权利要求2所述的能效计量方法，其特征在于，所述计量点还包括电缆输出端。5. 如权利要求1所述的能效计量方法，其特征在于，所述电流互感器为0.2S级电流互感 器。6. 如权利要求5所述的能效计量方法，其特征在于，所述电压互感器为0.2级电压互感 器。7. 如权利要求6所述的能效计量方法，其特征在于，所述电能表为有功准确度等级为 0.2S级的电能表。8. 如权利要求1所述的能效计量方法，其特征在于，所述电能表为具有正反双向计量功 能的电能表。9. 如权利要求1 _8任一项所述的能效计量方法，其特征在于，步骤S102和步骤S103之间 还包括： 调整任意相邻两个计量点的电能计量装置的一致性，使所述一致性小于0.05 %。
【文档编号】G01R31/00GK106018999SQ201610317391
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】姚力, 韩霄汉, 胡瑛俊, 章江铭, 李勇汇, 杨瑶佳
【申请人】国网浙江省电力公司电力科学研究院, 国家电网公司