CN102937676A - 负荷谐波注入污染预警的实现方法及其系统 - Google Patents

负荷谐波注入污染预警的实现方法及其系统 Download PDF

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CN102937676A CN2012104121805A CN201210412180A CN102937676A CN 102937676 A CN102937676 A CN 102937676A CN 2012104121805 A CN2012104121805 A CN 2012104121805A CN 201210412180 A CN201210412180 A CN 201210412180A CN 102937676 A CN102937676 A CN 102937676A
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Abstract

本发明涉及一种负荷谐波注入污染预警的实现方法及其系统，该方法的特征在于：根据负荷电压、电流波形采样值分别计算基波电压V、基波电流I和相位角
Figure 2012104121805100004DEST_PATH_IMAGE002
，通过系统基波阻抗在线跟踪算法计算系统等效电阻
Figure DEST_PATH_IMAGE004
和系统等效电抗，从而能够计算每个负荷注入谐波电流各自引起的供电点谐波电压数值，进一步计算预警指标
Figure DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，实现谐波污染用户注入污染评价及污染预警。

Description

负荷谐波注入污染预警的实现方法及其系统
技术领域
本发明涉及电力电能质量监测技术领域，特别是一种负荷谐波注入污染预警的实现方法及其系统。
背景技术
目前的电能质量监测仪器监测用户用电电压和负荷电流，并以此评价用户对电网电能质量的影响，这种做法其实没有区分谐波污染来自于用户还是供电方，因而依靠目前的电能质量监测方法和装置不能真正检测到用户对系统的谐波干扰程度，在某些运行工况下可能遗漏潜在的污染用户。
目前已经具备成熟谐波监测装置，能够检测用户注入系统的谐波电流和供电点的谐波电压。供电点的谐波电压是系统中所有谐波污染用户共同作用的结果，显然不能用来描述某个监测用户对系统的影响程度。当系统运行方式变化时，用户注入系统同样大小的谐波电流在公共连接点上形成的谐波电压并不相等，需要结合监测系统参数来评价用户注入系统的污染大小。另外，即使被监测用户本身不产生谐波，但外界谐波源也会在该用户线路电流中产生谐波分量，所以单纯检测用户电流中是否含有谐波也无法正确评判用户是否对系统注入谐波污染。总之，单纯监测用户谐波电压和谐波电流无法度量用户对系统的谐波污染程度，无法据此实现用户电能质量水平的预警功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种负荷谐波注入污染预警的实现方法。该方法能实现用户注入污染的准确评估，并结合电网运行方式的监测对用户注入污染进行预警。
本发明采用以下方案实现：一种负荷谐波注入污染预警的实现方法，其特征在于：根据负荷电压、电流波形采样值分别计算基波电压V、基波电流I和相位角                                               
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE002
，通过系统基波阻抗在线跟踪算法计算系统等效电阻
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE004
和系统等效电抗，从而能够计算每个负荷谐波电流注入各自引起的供电点谐波电压数值，进一步计算预警指标
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE010
，实现谐波污染用户注入污染评价及污染预警。
进一步的，所述系统基波阻抗在线跟踪采用以下方式实现：设系统电阻
Figure 816830DEST_PATH_IMAGE004
，系统电抗
Figure 733970DEST_PATH_IMAGE006
，系统等效电压
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE012
；采用快速傅立叶算法从负荷电压、电流波形采样值分别计算基波电压V、基波电压相位
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE014
、基波电流I以及基波电流相位
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE016
；分别针对两个相邻采样周期中的基波计算值，根据基尔霍夫电压定律，用两个时刻的基波电压相量的差值除以两个时刻的基波电流差值，计算得到系统等效电阻
Figure 949926DEST_PATH_IMAGE004
和系统等效电抗
Figure 345135DEST_PATH_IMAGE006
。
进一步的，在连续的跟踪过程中，以系统阻抗为状态量、以基波电压和基波电流为量测量建立量测方程，采用最小二乘法对量测量样本集进行状态量的估计，得到系统等效阻抗的估计值，具体计算过程如下：
在t 1时刻，应用基尔霍夫电压定律，可得到式(1)，
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE018
                  (1)
在t 2时刻，可得到式(2)，
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE020
                 (2)
如果t 1和t 2为两个相邻的采样时刻，可近似认为
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE022
＝
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE024
，(2)式减去(1)式，得：
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE026
            (3)
令
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE032
，考虑测量误差和计算误差，式(3)能写成式(4)，其中W为误差。
                          (4)
假设已得到k组数据，以残差平方和最小为目标确定R s 和X s 的最优估计值，求解(4)式，得
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE036
              (5)
在原有的k组采样数据增加了一组采样数据时，有
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE038
      (6)
其中，
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE042
，则
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE044
和存在式(7)的关系。
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE048
         (7)
其中
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE050
。
将由式(7)估计的系统阻抗代入式(3)，得到t 2时刻的节点电压状态估计值
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE052
；当
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE054
或
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE056
，当前估计值偏离实际值较大，说明此前的样本集不适合用来估计这个时刻的系统参数，清空量测量样本集，重新开始递推估计。
进一步的，所述计算预警指标
Figure 361106DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 183569DEST_PATH_IMAGE010
按以下方式实现：采用快速傅立叶算法从负荷电压、电流波形采样值分别计算各次谐波电压、谐波电压相位
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE060
、谐波电流
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE062
、谐波电流相位
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE064
；在计算得到系统等效阻抗的估计值以后，计算系统谐波等效阻抗
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE066
，，
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE070
；用负荷电流中的谐波分量乘以系统谐波等效阻抗，得到该负荷在系统阻抗上引起的谐波电压
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE072
；将
Figure 524868DEST_PATH_IMAGE072
在节点谐波电压相量上投影，计算投影分量
Figure 2012104121805100002DEST_PATH_IMAGE074
；对所有的谐波电流进行重复以上计算，此后计算所有谐波电压
Figure 629965DEST_PATH_IMAGE072
、投影分量
Figure 623329DEST_PATH_IMAGE074
与供电点基波电压比值之和的均方根
Figure 377659DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 114671DEST_PATH_IMAGE010
作为预警指标。
    本发明的另一目的是提供一种依据上述方法实现负荷谐波注入污染预警的系统。
本发明采用以下方案实现：一种负荷谐波注入污染预警系统，其特征在于：包括滤波及信号采集模块、第一处理器、第二处理器、触摸屏液晶显示单元以及以太网传输单元；所述的滤波及信号采集模块采集负荷电压、电流波形的采样值，送入所述第一处理器，该第一处理器根据权利要求1所述的方法进行计算预警指标和
Figure 5583DEST_PATH_IMAGE010
；并根据第二处理器的控制指令在所述触摸屏液晶显示单元显示或通过所述以太网传输单元上传数据。
进一步的，所述的第一处理器是TMS320F28335处理器。
进一步的，所述的第二处理器是STM32F407VGT6处理器。
进一步的，所述滤波及信号采集模块能实现在线12通道电压、电流信号的高速采集。
进一步的，所述的以太网传输单元是以太网DP83848模块。 
本发明的方法及系统可以实现用户注入污染的准确评估，并结合电网运行方式的监测对用户注入污染进行预警。其最大的优点是能够根据系统运行方式的变化动态调整评价用户谐波污染的门槛值，而不单纯根据谐波电压和电流大小来评价用户污染的严重程度，其结论更合理可靠，可以鉴别出潜在的污染用户。
附图说明
图1是本发明实施例的方法流程示意图。
图2是本发明实施例的系统等效图。
图3是本发明实施例的谐波计算等效图。
图4是本发明实施例系统架构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例子的方法根据负荷电压、电流波形采样值分别计算基波电压V、基波电流I和相位角，通过系统基波等效阻抗在线跟踪算法计算系统等效电阻
Figure 522332DEST_PATH_IMAGE004
和系统等效电抗，从而能够计算每个负荷由于谐波电流注入各自引起的供电点谐波电压数值，并计算预警指标
Figure 438653DEST_PATH_IMAGE008
和，实现谐波污染用户注入污染评价及污染预警。
具体的，如图1所示，该方法的计算主要包括：1、系统实时基波阻抗在线跟踪；2、预警指标
Figure 246389DEST_PATH_IMAGE008
和的计算。
1.1            系统基波阻抗在线跟踪算法
设公共连接点的系统等效电路如图2所示，其中系统等效电阻
Figure 453696DEST_PATH_IMAGE004
，系统等效电抗，系统等效电压、相位角
Figure 639324DEST_PATH_IMAGE002
。设采集得到的公共连接点电压、负荷电流波形采样值分别为u(t)和i(t)，采用快速傅立叶算法（FFT）从负荷电压、电流波形采样值分别计算基波电压V、基波电压相位
Figure 21020DEST_PATH_IMAGE014
、基波电流I、基波电流相位
Figure 458955DEST_PATH_IMAGE016
。
在系统运行方式改变时，等效阻抗
Figure 879572DEST_PATH_IMAGE004
和在变化，可以根据基波电压V、基波电压相位
Figure 465591DEST_PATH_IMAGE014
、基波电流I、基波电流相位
Figure 328505DEST_PATH_IMAGE016
计算
Figure 552813DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 614309DEST_PATH_IMAGE006
。分别针对两个相邻采样周期中的基波计算值，根据基尔霍夫电压定律，可以用两个时刻的基波电压相量的差值除以两个时刻的基波电流差值，计算得到系统等效阻抗。考虑到测量误差和计算误差，在连续的检测过程中，可以以系统阻抗为状态量、以基波电压和基波电流为量测量建立量测方程，采用最小二乘法对量测量样本集进行状态量的估计，得到系统等效阻抗的估计值。具体计算过程如式(1)至(7)所示。
在t 1时刻，应用基尔霍夫电压定律，可得到式(1)，
Figure 898660DEST_PATH_IMAGE018
                  (1)
同理，在t 2时刻，可得到式(2)，
Figure 248870DEST_PATH_IMAGE020
                 (2)
如果t 1和t 2为两个相邻的采样时刻，可近似认为
Figure 276869DEST_PATH_IMAGE022
＝
Figure 458452DEST_PATH_IMAGE024
，(2)式减去(1)式，得
            (3)
令，
Figure 51741DEST_PATH_IMAGE030
，
Figure 353409DEST_PATH_IMAGE032
，（上述公式中下标1、2分别表示t 1和t 2时刻的参数，例如
Figure 713984DEST_PATH_IMAGE022
表示t 1的相位角）考虑测量误差和计算误差，式(3)可以写成式(4)，其中W为误差。
Figure 101103DEST_PATH_IMAGE034
                          (4)
假设已得到k组数据，以残差平方和最小为目标确定R s 和X s 的最优估计值，求解(4)式，得
Figure 907122DEST_PATH_IMAGE036
              (5)
在原有的k组采样数据增加了一组采样数据以后，有
Figure 797718DEST_PATH_IMAGE038
      (6)
其中，，
Figure 203609DEST_PATH_IMAGE042
，则
Figure 314784DEST_PATH_IMAGE044
和存在式(7)的关系。
Figure 293421DEST_PATH_IMAGE048
         (7)
其中
Figure 389553DEST_PATH_IMAGE050
。
将由式(7)估计的系统阻抗代入式(3)，得到t 2时刻的节点电压状态估计值。当
Figure 904028DEST_PATH_IMAGE054
或
Figure 42886DEST_PATH_IMAGE056
，当前估计值偏离实际值较大，说明此前的样本集不适合用来估计这个时刻的系统参数，清空量测量样本集，重新开始递推估计。
1.2            预警指标
Figure 626314DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 876029DEST_PATH_IMAGE010
的计算方法
采用快速傅立叶算法从负荷电压、电流波形采样值分别计算各次谐波电压
Figure 798986DEST_PATH_IMAGE058
、谐波电压相位
Figure 108745DEST_PATH_IMAGE060
、谐波电流
Figure 179469DEST_PATH_IMAGE062
、谐波电流相位
Figure 232876DEST_PATH_IMAGE064
。在计算得到系统等效阻抗的估计值以后，可以计算系统等效谐波阻抗
Figure 511804DEST_PATH_IMAGE066
，，
Figure 992463DEST_PATH_IMAGE070
。用负荷电流中的谐波分量乘以系统等效谐波阻抗，得到该负荷在系统阻抗上引起的谐波电压
Figure 142002DEST_PATH_IMAGE072
。将
Figure 773972DEST_PATH_IMAGE072
在节点电压的谐波相量上投影，计算投影分量 t 。对所有的谐波电流进行重复以上计算，此后计算所有谐波电压
Figure 470849DEST_PATH_IMAGE072
、投影分量与供电点基波电压比值之和的均方根
Figure 352535DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 440576DEST_PATH_IMAGE010
作为预警指标。为了与谐波国标限值比较，预警指标还按照实际系统短路容量、供电容量和协议容量进行归算。具体计算过程如下所述。
设公共连接点的谐波等效网络如图3所示，其中系统谐波阻抗
Figure 707610DEST_PATH_IMAGE066
。实际测量得到的公共连接点谐波电压是供电系统中所有谐波源的全部作用效果。为了单独衡量监测用户对供电系统谐波污染的程度，由图3计算负荷谐波电流在公共连接点形成的谐波电压分量
Figure DEST_PATH_IMAGE078
，并比较
Figure 247492DEST_PATH_IMAGE058
和
Figure 506436DEST_PATH_IMAGE058
，进一步计算预警指标
Figure 260765DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 433995DEST_PATH_IMAGE010
。
国标《电能质量 公用电网谐波GB T 14549》定义电压总谐波畸变率如式(8)所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE080
                                        (8)
预警指标
Figure 957380DEST_PATH_IMAGE008
的计算公式如式(9)所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE082
                                          (9)
预警指标
Figure 324908DEST_PATH_IMAGE010
的计算公式如式(10)所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE084
                                   (10)
以上两式中，节点谐波电压是根据实际系统等效阻抗计算得到的。
当前国标中采用电网公司提供的固定短路容量参考值计算电压总谐波畸变率，式(9)采用在线检测的系统阻抗采计算电压总谐波畸变率。
Figure 841657DEST_PATH_IMAGE008
能够反映供电节点上的实际谐波污染程度。
式(10)计算的
Figure 485128DEST_PATH_IMAGE010
是
Figure 757977DEST_PATH_IMAGE008
中由被监测用户注入污染导致的谐波电压畸变率，真正代表了该用户对系统的污染状况。
此外，本实施还提供一负荷谐波注入污染预警系统，该系统结构原理图如图4所示。该包括滤波及信号采集模块、第一处理器、第二处理器、触摸屏液晶显示单元以及以太网传输单元；所述的滤波及信号采集模块采集负荷电压、电流波形的采样值，送入所述第一处理器，该第一处理器根据权利要求1所述的方法进行计算预警指标和
Figure 565713DEST_PATH_IMAGE010
；并根据第二处理器的控制指令在所述触摸屏液晶显示单元显示或通过所述以太网传输单元上传数据。
本实施例中，所述滤波及信号采集模块是基于数字信号处理单元，可以实现在线12通道电压、电流信号的高速采集。
上述的第一处理器采用TMS320F28335处理器，该处理器完成系统的主要算法。第二处理器采用STM32F407VGT6处理器，该处理器主要负责系统管理、显示、通讯等功能，根据带触摸屏液晶信号进行对应的显示、数据处理、系统参数设置、系统设备运行状态监测，并通过所述的以太网传输单元实现报表上传。本实施例中，该以太网传输单元是以太网DP83848模块。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

Claims (9)

1.一种负荷谐波注入污染预警的实现方法，其特征在于：根据负荷电压、电流波形采样值分别计算基波电压V、基波电流I和相位角                                               ，通过系统基波阻抗在线跟踪算法计算系统等效电阻
Figure 2012104121805100001DEST_PATH_IMAGE004
和系统等效电抗
Figure 2012104121805100001DEST_PATH_IMAGE006
，从而能够计算每个负荷谐波电流注入各自引起的供电点谐波电压数值，进一步计算预警指标
Figure 2012104121805100001DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，实现谐波污染用户注入污染评价及污染预警。
2.根据权利要求1所述的负荷谐波注入污染预警的实现方法，其特征在于：所述系统基波阻抗在线跟踪采用以下方式实现：设系统等效电阻
Figure 323528DEST_PATH_IMAGE004
，系统等效电抗
Figure 240669DEST_PATH_IMAGE006
，系统等效电压
Figure DEST_PATH_IMAGE012
；采用快速傅立叶算法从负荷电压、电流波形采样值分别计算基波电压V、基波电压相位
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、基波电流I以及基波电流相位
Figure DEST_PATH_IMAGE016
；分别针对两个相邻采样周期中的基波计算值，根据基尔霍夫电压定律，用两个时刻的基波电压相量的差值除以两个时刻的基波电流差值，计算得到系统等效电阻
Figure 958089DEST_PATH_IMAGE004
和系统等效电抗
Figure 353298DEST_PATH_IMAGE006
。
3.根据权利要求2所述的负荷谐波注入污染预警的实现方法，其特征在于：在连续的跟踪过程中，以系统阻抗为状态量、以基波电压和基波电流为量测量建立量测方程，采用最小二乘法对量测量样本集进行状态量的估计，得到系统等效阻抗的估计值，具体计算过程如下：
在t 1时刻，应用基尔霍夫电压定律，可得到式(1)，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
                  (1)
在t 2时刻，可得到式(2)，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
                 (2)
如果t 1和t 2为两个相邻的采样时刻，近似认为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
＝，(2)式减去(1)式，得：
            (3)
令
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，，考虑测量误差和计算误差，式(3)能写成式(4)，其中W为误差；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
                          (4)
假设已得到k组量测数据，以残差平方和最小为目标确定
Figure 541572DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 301718DEST_PATH_IMAGE006
的最优估计值，求解(4)式，得
Figure DEST_PATH_IMAGE036
              (5)
在原有的k组采样数据增加了一组采样数据以后，有
Figure DEST_PATH_IMAGE038
      (6)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，则
Figure DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure DEST_PATH_IMAGE046
存在式(7)的关系，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
         (7)
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE050
；
将由式(7)估计的系统阻抗代入式(3)，得到t 2时刻的节点电压状态估计值；当
Figure DEST_PATH_IMAGE054
或
Figure DEST_PATH_IMAGE056
，当前估计值偏离实际值较大，说明此前的样本集不适合用来估计这个时刻的系统参数，清空量测量样本集，重新开始递推估计。
4.根据权利要求1所述的负荷谐波注入污染预警的实现方法，其特征在于：所述计算预警指标和
Figure 144482DEST_PATH_IMAGE010
按以下方式实现：采用快速傅立叶算法从负荷电压、电流波形采样值分别计算各次谐波电压、谐波电压相位
Figure DEST_PATH_IMAGE060
、谐波电流
Figure DEST_PATH_IMAGE062
、谐波电流相位
Figure DEST_PATH_IMAGE064
；在计算得到系统等效阻抗的估计值以后，计算系统等效谐波阻抗
Figure DEST_PATH_IMAGE066
，
Figure DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure DEST_PATH_IMAGE070
；用负荷电流中的谐波分量
Figure 688727DEST_PATH_IMAGE062
乘以系统谐波阻抗，得到该负荷在系统供电点上引起的谐波电压
Figure DEST_PATH_IMAGE072
；将
Figure 619774DEST_PATH_IMAGE072
在节点谐波电压相量上投影，计算投影分量
Figure DEST_PATH_IMAGE074
；对所有的谐波电流进行重复以上计算，此后计算所有谐波电压、投影分量
Figure 547333DEST_PATH_IMAGE074
与供电点基波电压比值之和的均方根
Figure 70719DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 500563DEST_PATH_IMAGE010
作为预警指标。
5.一种负荷谐波注入污染预警系统，其特征在于：包括滤波及信号采集模块、第一处理器、第二处理器、触摸屏液晶显示单元以及以太网传输单元；所述的滤波及信号采集模块采集负荷电压、电流波形的采样值，送入所述第一处理器，该第一处理器根据权利要求1所述的方法进行计算预警指标
Figure 742189DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 954995DEST_PATH_IMAGE010
；并根据第二处理器的控制指令在所述触摸屏液晶显示单元显示或通过所述以太网传输单元上传数据。
6.根据权利要求5所述的负荷谐波注入污染预警系统，其特征在于：所述的第一处理器是TMS320F28335处理器。
7.根据权利要求5所述的负荷谐波注入污染预警系统，其特征在于：所述的第二处理器是STM32F407VGT6处理器。
8.根据权利要求5所述的负荷谐波注入污染预警系统，其特征在于：所述滤波及信号采集模块能实现在线12通道电压、电流信号的高速采集。
9.根据权利要求5所述的负荷谐波注入污染预警系统，其特征在于：所述的以太网传输单元是以太网DP83848模块。
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