CN102323494B - 一种多谐波源辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新的多谐波源辨识方法，它可为多谐波源系统中扰动源的定位、谐波的治理以及谐波的奖惩实施等提供理论依据，具有广阔的应用前景和良好的社会经济效益。它的步骤为：(1)定义谐波影响指标；(2)求取谐波影响指标；(3)数据的采集和预处理；(4)进行数据的选择和分析。

Description

一种多谐波源辨识方法

技术领域

本发明涉及一种新的多谐波源辨识方法。

背景技术

随着科技的飞速发展，现代电网和负荷的构成出现了新的变化趋势。大量谐波源向电网注入高次谐波电流并引起电压畸变，对电力系统的安全和经济运行影响很大。非线性负荷产生的谐波不仅会导致供用电设备本身的安全性降低，而且会严重影响电网的经济运行和各用户的利益。为了有效地控制电网中的谐波，国际上提出一种“奖惩性方案”，其基本思想为：系统与用户在额定的范围内正常交易，如果系统不能保证供电质量，用户应当得到赔偿；如果用户的污染指标恶化，则系统在保证向用户正常供电的前提下，收取额外的惩罚费用，当然在用户吸收系统中额外谐波功率的情况下，应当给予一定的补偿和鼓励。因此，在加强电网中谐波的监测管理过程中，找到谐波源，判定扰动方向，明确各自的谐波责任，是目前亟待解决的一个主要技术难题。

由谐波导致的电能质量问题已引起了电力系统和用户的广泛关注，加强电能质量的监督管理已成为供用电系统的共识。国内诸多电力企业和用户相继建设了电能质量监测平台，对电能质量的特征指标进行实时监测，由此可得出系统中各关键节点电能质量的变化情况，但这并不能反映出导致该电能质量问题的原因何在。获得电能质量的监测数据，只是电能质量分析的第一步，更重要的是如何有效地利用电能质量平台提供的监测数据判断出电能质量问题的源头，并对源头采取针对性的措施，以改善系统中所出现的电能质量问题。面对电能质量监测平台所提供的大量数据，如何进行有效的分析，是目前电能质量监测系统能否发挥其应有作用的主要技术难题。

纵观国内外科技工作者在谐波源辨识领域所做的研究，主要集中于区分谐波源负荷和系统对PCC(Point of Common Coupling公共耦合点)处谐波电压畸变水平的影响程度，即对单个谐波源的谐波发射水平进行评估，如图1所示，而研究系统中多谐波源辨识的资料非常少。但在实际电力系统中，PCC处的谐波往往是多个谐波源共同作用的结果。对于同一条母线上连接两个或多个谐波源的情况(如图2所示)，各谐波源之间会存在互相干扰的问题，其谐波电流可能相互抵消或增强。在含有多个谐波源的配电系统中，当发生由谐波引起的电能质量问题时，如何准确识别“问题”谐波源并确定各个谐波源的责任，找出对该电能质量问题影响最大的谐波源并进行治理，是目前谐波检测领域值得探讨的一个重要问题。

目前文献中只可找到单个谐波源的责任评估研究，其主要集中于评估PCC处系统侧和谐波源侧的谐波阻抗，研究方法可分为“干预式”和“非干预式”两种。“干预式”方法有：①谐波电流注入法：利用谐波电流注入器，将它产生的某次谐波电流由要测量的公共连接点处注入到电力系统，测量在该点产生的该次谐波电压，由此求得系统的谐波阻抗。②开关投切电路元件瞬态法：应用频率响应估计的原理，利用开关投切网络元件后的瞬态过程，可以对系统谐波阻抗进行估计。由于信号持续时间较短，因而对数据采集系统提出了更高的要求。③PCC处投切开关的稳态法：在PCC处，通过测量开关打开和闭合时的谐波电压和谐波电流来估计出谐波阻抗。由于系统不带所测负荷的情况较少，时间段较短，因此对于用户谐波发射水平的估计准确性有较大影响。④在用户侧并联阻抗的估计方法：在用户侧通过开关并联上一阻抗，测量开关打开和闭合时的PCC处的谐波电压和谐波电流，以此计算出谐波阻抗，精度高于PCC处投切开关的稳态法。“非干预式”方法有：①基于功率传输的方法：通过测量PCC点的谐波电流，并结合基于功率传输的方法，评估用户的谐波发射水平。②波动法：基于被测电压波动量对电流波动量比值的符号特征的估计方法。利用一个时间段内某侧谐波电流的变化在PCC点引起的波动估计谐波阻抗，继而计算用户侧的谐波发射水平。③数据跟踪估计法：在系统等值电路中的PCC点处测量谐波电压和谐波电流数据，然后通过各种数学方法来估计出谐波阻抗。④参考阻抗法：利用参考阻抗，把谐波阻抗的变化转换为谐波电流源的变化来估计谐波发射水平的方法。该方法无须干扰系统正常运行，但需要事先对参考阻抗和谐波源有初始的估计。

总而言之，以往的研究工作大多采取了基于等效电路模型对单个谐波源的谐波发射水平进行评估的思路，虽然基于等效电路模型进行谐波源的定位研究是非常有益的探索，但由于负荷、电网参数和系统运行工况的不断变化，建立起系统侧和谐波源侧的准确等效电路仍存在一定的难度。

以往的研究涉及多谐波源谐波责任划分的研究较少，而在实际电力系统中，PCC处的谐波往往是多个谐波源共同作用的结果。对于同一条母线上连接两个或多个谐波源的情况，各谐波源之间会存在互相干扰的问题，其谐波电流可能相互抵消或增强，因此各谐波源的谐波电流与其所应承担的谐波责任之间并不一定是线性关系。在含有多个谐波源的配电系统中，当发生由谐波引起的电能质量问题时，如何准确识别“问题”谐波源并确定各个谐波源的谐波责任，找出对该电能质量问题影响最大的谐波源并进行治理，是目前谐波检测领域尚未有效解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的就是针对目前多谐波源辨识问题研究的不足，提出一种新的多谐波源辨识方法，它可为多谐波源系统中扰动源的定位、谐波的治理以及谐波的奖惩实施等提供理论依据，具有广阔的应用前景和良好的社会经济效益。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多谐波源辨识方法，它的步骤为：

（1）定义谐波责任指标

假设系统中节点X处的谐波问题是由n个“可疑谐波源负荷”共同作用产生，对于h次谐波，测得n个“可疑谐波源负荷”节点的谐波电流I_h1，I_h2，I_h3……I_hn；节点X处的h次谐波电压

根据系统的谐波阻抗[Z_h]计算，

将节点X点处的h次谐波电压分为两部分：一部分由谐波源负荷i产生

另一部分由其他谐波源负荷产生的背景谐波

其中，I_hi为谐波源负荷节点i的h次谐波电流；

为节点i与节点X之间的谐波阻抗；为除了谐波源负荷节点i之外的其他谐波源负荷节点与节点X之间的谐波阻抗。

谐波源负荷i在X点处产生的h次谐波电压

对节点X处的h次谐波电压

的贡献通过

在

上的投影表示(如图3所示)，谐波源负荷i对X处的h次谐波电压的谐波责任指标

定义为：

${{\mathrm{HF}}_i}^X=\frac{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{hi}}^X\right|}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\right|}\cos \mathrm{\β}---\left(2\right)$

其中β为

的夹角；

（2）求取谐波责任指标

对电力系统中关键节点的实际波形进行采样，获取谐波数据，进而计算出谐波责任指标

,建立如下方程：

Y＝Sθ+ε    (3)

其中，Y为由

构造的矩阵参数， $Y=[{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_1\right)\right|}^2{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_2\right)\right|}^2\·\·\·{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_m\right)\right|}^2],$

(k=1,2,…m)为各个采样时刻t₁,t₂,……,t_m的节点X处的h次谐波电压的幅值；

S为由|I_hi(t_k)|构造的矩阵参数，

(k=1,2,…m)为各采样时刻节点i的h次谐波电流的幅值；

$\mathrm{\θ}={\left[\begin{array}{ccc}{\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|}^2& -2\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|\mathrm{COS}\left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{eq}}\right)& {\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|}^2\end{array}\right]}^T,$ α_eq为

和

的夹角α的平均值，为

的幅值，ε是用α_eq来代替α所产生的误差；为节点i和X之间的谐波阻抗。

在上述方程中，当进行相关性分析时，假设背景谐波

保持不变，使用最小二乘法来估计出未知参数θ，代入(2)可得，

${{\mathrm{HF}}_i}^X\left(t_k\right)=\frac{{\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|}^2{\left|I_{\mathrm{hi}}\left(t_k\right)\right|}^2+\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X{\left(t_k\right)}^2\right|-{\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|}^2}{2{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_k\right)\right|}^2}\×100\%---\left(4\right)$

表示的是t_k时刻谐波源负荷i对节点X的h次谐波电压的谐波责任指标，而一段特定时间内的平均谐波责任指标为：

${{\mathrm{HF}}_i}^X=(\frac{1}{2}+\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{-\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|}^2+{\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|}^2{\left|I_{\mathrm{hi}}\left(t_k\right)\right|}^2}{2{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\right|}^2})\×100\%---\left(5\right)$

m为测量的总次数，即只要测得可疑谐波源负荷i的h次谐波电流I_hi和节点X处的h次谐波电压

根据上述方程就可以计算出负荷i的谐波责任；

（3）数据的采集和预处理

在电力系统的主要谐波源负荷点安装测量装置，同时采集关键节点的单相电压和电流信号，并去除含有明显噪声和暂态干扰的信号；

（4）进行数据的选择和分析

找出只有一个“可疑谐波源负荷”的谐波电流有较大变化的时间段，取出满足此要求的时间段的节点电压和电流的数据进行相关性分析，在这个时间段内负荷i的h次谐波电流变化较大而其余负荷的h次谐波电流变化较小，对所选择出的时间段的实测电压和电流数据进行傅里叶分解，得出各变量的基频分量和各次谐波分量，根据公式(3)估计出未知参数θ，再根据公式(4)和(5)可计算以百分比形式表示的可疑谐波源负荷i的谐波责任指标

所述步骤（3）中，每3秒钟采集一次，每次采集6个周波，每个周波采集128个点；对采集到的电压和电流数据进行预处理，去除含有暂态的数据段和有明显噪声的信号。

所述步骤（4）中，根据实际应用中的负荷情况，h次谐波电流变化设定为波动在5%～10%之间。

本发明的有益效果是：

(1)针对现代复杂电力系统中同时存在多个谐波源的现象，提出一种多谐波源的谐波责任划分和辨识的有效方法，它将为多谐波源系统中建立公平有效的谐波奖惩机制和标准来限制和治理谐波污染奠定理论基础，并为供电部门选择合适的地点采取谐波治理措施提供参考；

(2)方法直接从谐波电压和电流的历史实测数据出发，采用基于统计规律的数据相关性分析方法，评估多谐波源的谐波责任，克服了以往基于模型辨识单谐波源时存在的模型不易准确求取且随时间变化等问题；

(3)方法所需要的数据易采集，可基于电力企业和用户现有的电能质量监测平台获取，可有效利用电能质量平台提供的监测数据，因此该方法是一种基于电能质量平台的高级电能质量分析；

(4)方法经过严密的数学推导，有很强的理论支撑，该方法有望为我国智能化电网的表计系统和配电网的智能化进展做出贡献。

附图说明

图1为传统的谐波源定位与检测所使用的等效模型；

图2为多谐波源的谐波责任划分问题示意图；

图3为谐波电压投影相量图；

图4为时间序列分割法示意图；

图5为IEEE13节点系统。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明做进一步说明。

本发明的步骤为：

(1)定义谐波责任指标

假设系统中节点X处的谐波问题是由n个“可疑谐波源负荷”共同作用产生，对于h次谐波，测得n个“可疑谐波源负荷”节点的谐波电流I_h1，I_h2，I_h3……I_hn；节点X处的h次谐波电压

根据系统的谐波阻抗[Z_h]计算，

将节点X处的h次谐波电压分为两部分：一部分由谐波源负荷i产生

，另一部分由其他谐波源负荷产生的背景谐波

其中，I_hi为谐波源负荷节点i的h次谐波电流；

为节点i与节点X之间的谐波阻抗；为除了谐波源负荷节点i之外的其他谐波源负荷节点与节点X之间的谐波阻抗。

谐波源负荷i在X点处产生的h次谐波电压

对节点X处的h次谐波电压

的贡献通过

上的投影表示(如图3所示)，谐波源负荷i对X处的h次谐波电压的谐波责任指标

定义为：

${\mathrm{HF}}_i^X=\frac{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{hi}}^X\right|}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\right|}\cos \mathrm{\β}---\left(2\right)$

其中β为

的夹角；

(2)求取谐波责任指标。

对电力系统中关键节点的实际波形进行采样，获取谐波数据，进而计算出谐波责任指标

,建立如下方程：

Y＝Sθ+ε    (3)

其中，Y为由

构造的矩阵参数， $Y=[{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_1\right)\right|}^2{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_2\right)\right|}^2\·\·\·{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_m\right)\right|}^2],$

(k=1,2,…m)为各个采样时刻t₁,t₂,……,t_m的节点X处的h次谐波电压

的幅值；

S为由|I_hi(t_k)|构造的矩阵参数，

(k=1,2,…m)为各采样时刻节点i的h次谐波电流的幅值；

$\mathrm{\θ}={\left[\begin{array}{ccc}{\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|}^2& -2\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|\mathrm{COS}\left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{eq}}\right)& {\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|}^2\end{array}\right]}^T,$ α_eq为

和的夹角α的平均值，

为

的幅值，ε是用α_eq来代替α所产生的误差；

为节点i和X之间的谐波阻抗。

在上述方程中，当进行相关性分析时，假设背景谐波

保持不变，使用最小二乘法来估计出未知参数θ，代入(2)可得，

${{\mathrm{HF}}_i}^X\left(t_k\right)=\frac{{\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|}^2{\left|I_{\mathrm{hi}}\left(t_k\right)\right|}^2+\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X{\left(t_k\right)}^2\right|-{\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|}^2}{2{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_k\right)\right|}^2}\×100\%---\left(4\right)$

表示的是t_k时刻谐波源负荷i对节点X的h次谐波电压的谐波责任指标，而一段特定时间内的平均谐波责任指标为：

${{\mathrm{HF}}_i}^X=(\frac{1}{2}+\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{-\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|}^2+{\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|}^2{\left|I_{\mathrm{hi}}\left(t_k\right)\right|}^2}{2{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\right|}^2})\×100\%---\left(5\right)$

m为测量的总次数，即只要测得可疑谐波源负荷i的h次谐波电流I_hi和节点X处的h次谐波电压

,根据上述方程就可以计算出负荷i的谐波责任；

(3)数据的采集和预处理

在电力系统的主要谐波源负荷点安装测量装置，同时采集关键节点的单相电压和电流信号，并去除含有明显噪声和暂态干扰的信号；

(4)数据的选择和分析

根据影响指标定义所作的假设，需要找出只有一个谐波源负荷的谐波电流变化的时间段。数据筛选的关键是要找出只有一个“可疑谐波源负荷”的谐波电流有较大变化的时间段。以图4为例，为了找出负荷1对节点X处的h次谐波电压的影响，需要找出一个时间段，在这个时间段内负荷1的h次谐波电流变化较大而负荷2、3的h次谐波电流变化较小(例如可设定为波动小于5%～10%)。具体方法是，先分别对负荷2和负荷3的h次谐波电流变化较小的时间进行标记，然后取这些时间段的交集。图中，T1、T2时间段内的数据是满足要求的。取出满足此要求的时间段的节点电压和电流的数据进行相关性分析。

对所选择出的时间段的实测电压和电流数据进行傅里叶分解，得出各变量基频分量和各次谐波分量，根据公式(3)估计出未知参数θ，再根据公式(4)和(5)可计算出以百分比形式表示的可疑谐波源负荷的谐波责任指标

同理，同样的过程可用于对其它谐波源负荷的分析。

仿真验证

用IEEE13节点标准算例系统（如图5所示）进行仿真验证上述理论方法。该系统有2个发电机，1个平衡节点、1个PV节点及7个PQ节点。负荷7、10、13接有谐波源负荷，节点3、7、10、13为观察节点。所有的PQ节点的有功、无功在±110%额定范围内随机变化，进行了1000次仿真，生成了谐波责任评估所用的基础数据，在此基础上对可疑谐波源负荷在观察点的谐波责任进行了评估。将用所提方法得出的评估结果和用谐波潮流计算得出的精确结果进行了对比，对比结果示于表1-4.（注：其中负号表示谐波源负荷对观察点谐波畸变电压的减小作用。）结果表明，该方法能够比较准确地评估谐波源负荷的谐波责任。

表1可疑谐波源负荷对节点3的谐波责任（%）

表2可疑谐波源负荷对节点7的谐波责任（%）

表3可疑谐波源负荷对节点10的谐波责任（%）

表4可疑谐波源负荷对节点13的谐波责任（%）

Claims (3)

1.一种多谐波源辨识方法，其特征是，它的过程为：

(1)定义谐波责任指标

假设系统节点X处的谐波问题是由n个“可疑谐波源负荷”共同作用产生，对于h次谐波，测得n个“可疑谐波源负荷”节点的谐波电流I_h1，I_h2，I_h3……I_hn；节点X处的h次谐波电压根据系统的谐波阻抗[Z_h]计算，

将节点X处的h次谐波电压分为两部分：一部分由谐波源负荷i产生

另一部分由其他谐波源负荷产生的背景谐波

其中，I_hi为谐波源负荷节点i的h次谐波电流；

为节点i与节点X之间的谐波阻抗；为除了谐波源负荷节点i之外的其他谐波源负荷节点与节点X之间的谐波阻抗；

谐波源负荷i在X处产生的h次谐波电压

对节点X处的h次谐波电压

的贡献通过

在

上的投影表示，谐波源负荷i对X处的h次谐波电压的谐波责任指标

定义为：

${\mathrm{HF}}_i^X=\frac{\left|{\stackrel{\→}{V}}_{\mathrm{hi}}^X\right|}{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\right|}\cos \mathrm{\β}---\left(2\right)$

其中β为

的夹角；

(2)求取谐波责任指标

对电力系统中关键节点的实际波形进行采样，获取谐波数据，进而计算出谐波责任指标

建立如下方程：

Y＝Sθ+ε    (3)

其中，Y为由

构造的矩阵参数， $Y=[{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_1\right)\right|}^2{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_2\right)\right|}^2\·\·\·{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_m\right)\right|}^2],$

(k=1,2,…m)为各个采样时刻t₁,t₂,……,t_m的节点X处的h次谐波电压

的幅值；

S为由|I_hi(t_k)|构造的矩阵参数，

(k=1,2,…m)为各采样时刻节点i的h次谐波电流的幅值；

$\mathrm{\θ}={\left[\begin{array}{ccc}{\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|}^2& -2\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|\mathrm{COS}\left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{eq}}\right)& {\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|}^2\end{array}\right]}^T,$ α_eq为

的夹角α的平均值，

为

的幅值，ε是用α_eq来代替α所产生的误差；为节点i和X之间的谐波阻抗；

在上述方程中，当进行相关性分析时，假设背景谐波

保持不变，使用最小二乘法来估计出未知参数θ，代入(2)得，

${\mathrm{HF}}_i^X\left(t_k\right)=\frac{{\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|}^2{\left|I_{\mathrm{hi}}\left(t_k\right)\right|}^2+\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X{\left(t_k\right)}^2\right|-{\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|}^2}{2{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_k\right)\right|}^2}\×100\%---\left(4\right)$

表示的是t_k时刻谐波源负荷i对节点X的h次谐波电压的谐波责任指标，而一段特定时间内的平均谐波责任指标为：

${\mathrm{HF}}_i^X=(\frac{1}{2}+\frac{1}{m}\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{-\left|{\stackrel{\→}{E}}_h\right|}^2+{\left|Z_{\mathrm{hi}}^X\right|}^2{\left|I_{\mathrm{hi}}\left(t_k\right)\right|}^2}{2{\left|{\stackrel{\→}{V}}_h^X\left(t_k\right)\right|}^2})\×100\%---\left(5\right)$

m为测量的总次数，即只要测得可疑谐波源负荷i的h次谐波电流I_hi和节点X处的h次谐波电压

,根据上述方程计算出负荷i的谐波责任；

(3)数据的采集和预处理

在电力系统的主要谐波源负荷点安装测量装置，同时采集关键节点的单相电压和电流信号，并去除含有明显噪声和暂态干扰的信号；

(4)进行数据的选择和分析

找出只有一个“可疑谐波源负荷”的谐波电流有较大变化的时间段，取出满足此要求的时间段的节点电压和电流的数据进行相关性分析，在这个时间段内负荷i的h次谐波电流变化较大而其余负荷的h次谐波电流变化较小，对所选择出的时间段的实测电压和电流数据进行傅里叶分解，得出各变量的基频分量和各次谐波分量，根据公式(3)估计出未知参数θ，再根据公式(4)和(5)计算以百分比形式表示的可疑谐波源负荷的谐波责任指标

2.如权利要求1所述的多谐波源辨识方法，其特征是，所述步骤（3）中，每3秒钟采集一次，每次采集6个周波，每个周波采集128个点；对采集到的电压和电流数据进行预处理，去除含有暂态的数据段和有明显噪声的信号。

3.如权利要求1所述的多谐波源辨识方法，其特征是，所述步骤（4）中，根据实际应用中的负荷情况，h次谐波电流变化设定为波动在5%～10%之间。

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