電網(wǎng)是一個(gè)由電廠(chǎng)、輸電線(xiàn)路和用戶(hù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。將來(lái)，人們預(yù)期用戶(hù)的能源消耗將大幅增長(zhǎng)。原因在于，市場(chǎng)上外接充電式電動(dòng)汽車(chē)的出現(xiàn)將大幅增加車(chē)主的日常能源消耗。

　　一輛搭載24kWh電池組并且每天都需要充電的汽車(chē)可能使一個(gè)家庭每月的耗電量增加一倍或兩倍。不難想象，為了提供這種能源增量，需要修建更多的電廠(chǎng)，輸電線(xiàn)路的升級(jí)將變得更加困難。這正是智能電網(wǎng)概念出現(xiàn)的原因：需要對(duì)輸電線(xiàn)路進(jìn)行更加智能化的管理，以使能耗的諧波污染降至最低水平，使能源消耗在白天的分布更加均衡，由此跟上能耗增長(zhǎng)的步伐。

　　智能電網(wǎng)的管理意味著對(duì)用戶(hù)層面以及輸電線(xiàn)路的實(shí)時(shí)了解。從工程角度來(lái)看，這里涉及到兩件事：其一，必須始終測(cè)量大量的電量；其二，公用事業(yè)公司必須定期與測(cè)量這些電量的儀器進(jìn)行通信。本文將探討需要監(jiān)控哪些電量，以及用于測(cè)量的各種架構(gòu)。

　　假設(shè)有一個(gè)交流供電系統(tǒng)，其電壓為v（t），消耗電流為i（t）：

　　公式1

　　其中，Vk， Ik=各個(gè)諧波的均方根電壓和電流，φk，γk=各個(gè)諧波的相位延遲，ω=2πf，基波的角速度。

　　總有功功率。有功功率為瞬時(shí)功率相對(duì)于整數(shù)線(xiàn)路周期數(shù)的均值：

　　公式2

　　之所以稱(chēng)為“總”有功功率是因?yàn)?，其中包含了所有諧波上的有功功率的貢獻(xiàn)。這是最后用戶(hù)向公共事業(yè)公司支付的那部分。

　　基波有功功率。這是基波的有功功率：

　　公式3

　　t為應(yīng)在用戶(hù)與公共事業(yè)公司之間交換的唯一有功功率。該值可能為正，表示用戶(hù)使用或“消耗”了電量，也可能為負(fù)，表示用戶(hù)往電網(wǎng)中輸送了電量。

　　諧波有功功率。這是一個(gè)諧波k的有功功率：

　　公式4

　　這類(lèi)有功功率很重要，因?yàn)樗鼤?huì)造成污染，不應(yīng)存在于電網(wǎng)之中。正因如此，過(guò)去幾年中，將基波有功功率與諧波有功功率分開(kāi)變得非常重要。諧波有功功率的符號(hào)可以顯示產(chǎn)生污染者以及消耗者。從智能電網(wǎng)角度來(lái)看，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生諧波有功功率的罪魁禍?zhǔn)讓?duì)消除污染源非常重要。

　　總、基波和諧波無(wú)功功率。無(wú)功功率是指電壓和電流信號(hào)之一的所有諧波成分發(fā)生90°相移時(shí)產(chǎn)生的電壓和電流波形：

　　公式5

　　這是一種純粹的振蕩功率，均值為0。與有功功率類(lèi)似，無(wú)功功率分為總無(wú)功功率、基波無(wú)功功率和諧波無(wú)功功率三種?？偀o(wú)功功率的問(wèn)題是其實(shí)際意義不大，長(zhǎng)期以來(lái)都是飽受爭(zhēng)議的一個(gè)話(huà)題。因此，需要測(cè)量的一般都是基波無(wú)功功率和諧波無(wú)功功率。

　　電流和電壓均方根表示電流或電壓的平方的整數(shù)線(xiàn)路周期數(shù)的均值：

　　公式6

　　如果電壓和電流中的基波和諧波組分得以確定，則同時(shí)還需要基波和諧波的均方根值。

　　總、基波和諧波視在功率。

　　視在功率定義為均方根電流和均方根電壓的算術(shù)積，根據(jù)所用均方根值，結(jié)果可能是總視在功率、基波視在功率或諧波視在功率。

　　這些是需要測(cè)量的最重要的量。其他量有：功率系數(shù)、諧波失真、三相系統(tǒng)中的正、負(fù)和零序列功率。

　　用于測(cè)量這些量的儀器未必具有高端輸電線(xiàn)路監(jiān)控器的性能，多數(shù)情況下也不必如此。隨著要求的提出，隨著每一代新型半導(dǎo)體元件價(jià)格的下降，這些量的測(cè)量將滲透到整個(gè)電網(wǎng)。例如，很難想象有必要在住宅中用電表計(jì)算諧波功率。

　　然而，從智能電網(wǎng)的角度來(lái)看，鼓勵(lì)用戶(hù)在能耗量最低的夜晚給電動(dòng)車(chē)充電，這是最有意義的。但在變電站層面完全有必要使用監(jiān)控上述所有量的儀器。

　　對(duì)當(dāng)?shù)?a target="_blank">工業(yè)用戶(hù)進(jìn)行監(jiān)控，以證實(shí)諧波污染保持于最低水平，這是非常有意義的，因?yàn)楹苡锌赡苁悄硞€(gè)工序向電網(wǎng)中注入了諧波。從這一點(diǎn)往上進(jìn)入電網(wǎng)層級(jí)體系，類(lèi)似儀器的作用將變得明晰起來(lái)：對(duì)所有主要變電站和輸電線(xiàn)路進(jìn)行監(jiān)控。接下來(lái)我們將討論計(jì)算上述各量的各種系統(tǒng)性方法。

　　獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、DSP

　　能給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)最大靈活性的方法是采用連接至DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（見(jiàn)圖1）。DSP可以是適用于計(jì)算上述量的任何處理裝置，因而也可能是一個(gè)微控制器（MCU）。正因如此，圖1展示了一個(gè)集成MCU的DSP。當(dāng)然，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量與系統(tǒng)中需要測(cè)量的電流和電壓數(shù)成正比。

　　圖1. 獨(dú)立的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和DSP/MCU。

　　三相系統(tǒng)可能需要測(cè)量三相電壓、三相電流和一個(gè)中性電流。單相系統(tǒng)可需要測(cè)量一相電壓和一相電流。這是最靈活的系統(tǒng)，因?yàn)槟?shù)轉(zhuǎn)換器和DSP/MCU可以分開(kāi)選擇，以便根據(jù)具體應(yīng)用選擇精度合適的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和特性正確的DSP。不足之處在于，開(kāi)發(fā)人員必須花費(fèi)大量時(shí)間實(shí)現(xiàn)計(jì)量程序，這并不簡(jiǎn)單。