Modeling of domestic non-linear loads for energy meter analysis

The growing integration of non-linear in residential residences threatens significantly with power quality and the integrity of energy measurement systems. Smart meters deliver advanced monitoring, but their accuracy is under threat from the harmonic distortions these loads inject into the electricity supply. The main aim of this thesis is to quantify the impact of this by creating an overall simulation framework in MATLAB/Simulink. The core of the project was the simulation of several contemporary non-linear household devices, like PC chargers, induction cookers, and washing machines. A real functional smart meter was then built to mimic key operation parameters like a sampling frequency of 2 kHz and 15-minute data averaging interval, so that its indications can be compared with ideal theoretical results. According to different studies listed here there are possible sources of error that can produce lower measurements in the smart meters. This low-basing is caused by two main reasons: the harmonic distortion of the current waveform and the meter's low sampling frequency, which is not sufficient to accurately record high-order harmonics in a case where the Nyquist theorem is never met. The study we will look if there are design limitations in smart meters may cause significant measurement errors when presented with modern loads. This points to the imperative necessity of advanced measurement algorithms and high-end sampling standards to deliver accurate energy billing in today's electricity regime.

L'integrazione crescente di carichi non lineari nelle residenze private minaccia significativamente la qualità dell'energia e l'integrità dei sistemi di misurazione dell'energia. I contatori smart offrono un monitoraggio avanzato, ma la loro precisione è messa a rischio dalle distorsioni armoniche che questi carichi iniettano nella rete elettrica. L'obiettivo principale di questa tesi è quantificare l'impatto di ciò creando un framework di simulazione complessivo in MATLAB/Simulink. Il fulcro del progetto è stata la simulazione di diversi dispositivi domestici non lineari contemporanei, come caricabatterie per PC, piani cottura a induzione e lavatrici. È stato quindi costruito un contatore smart funzionale reale per imitare parametri operativi chiave come una frequenza di campionamento di 2 kHz e un intervallo di media dei dati di 15 minuti, in modo che le sue indicazioni possano essere confrontate con risultati teorici ideali. Secondo diversi studi citati, esistono possibili fonti di errore che possono produrre misurazioni inferiori nei contatori smart. Questa sottostima è causata principalmente da due ragioni: la distorsione armonica della forma d'onda della corrente e la bassa frequenza di campionamento del contatore, che non è sufficiente per registrare accuratamente le armoniche di ordine elevato, specialmente nei casi in cui il Teorema di Nyquist non viene mai rispettato. Lo studio esaminerà se le limitazioni di progettazione nei contatori smart possano causare errori di misurazione significativi quando si confrontano con i carichi moderni. Questo sottolinea l'imperativa necessità di algoritmi di misurazione avanzati e standard di campionamento di fascia alta per garantire una fatturazione energetica accurata nell'attuale regime elettrico.