CN104407214A - 一种谐波源辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种谐波源辨识方法，其方法步骤如下：通过用户谐波电压发射水平对谐波污染进行责任划分，用户某次的谐波发射水平通过用户接入电力系统前后公共连接点处某次谐波电压或电流的变化量来表示；通过谐波发射水平评估最大限度定位出谐波源的准确点。本发明的有益效果如下：本发明提出的算法能快速确定谐波源来源，准确度高，实用性好，具有很好的工程利用价值。

Description

一种谐波源辨识方法

技术领域

本发明涉及电网公共连接点处谐波源定位技术领域，特别是指一种谐波源辨识方法。

背景技术

目前，电能的使用越来越依赖于具有可控频率和可控电压的电源供应，然而发电和输电仍以标称不变的水平在运行，因此需要某种电源调节或变换形式加以弥补，通常会采用电力电子设备来实现，这种设备能够使电压和电流波形发生畸变。

随着工业的发展，越来越多的非线性工业用户接入电网，造成大量谐波电流注入电力系统，谐波电流流经谐波阻抗时，会在电网的公共连接点处产生谐波电压，使公共连接点处电能质量恶化，造成电压波形畸变，影响电网中其他负荷的正常工作。

文献1《A Norton approach to distribution network modeling for harmonicstudies》、文献2《谐波源的识别及其与非谐波源的分离方法》、文献3《A Nortonapproach to distribution network modeling for harmonic studies》和文献4《基于改进Madaline网络的谐波发射水平估计》等采取了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难度。

目前，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，公共连接点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。

另一方面，大量电力电子设备和非线性负荷的接入使电网的谐波水平超标，电网企业和电力用户各执一词，公共连接点处电压波形畸变可能来自其本身，也可能来自系统中其他非线性负荷。

因此，迫切需要提出一种能被公众所认同的、实用的谐波源定位算法，准确估计公共连接点处的谐波发射水平，区分谐波污染来自于电网侧还是用户侧，从而对谐波污染责任进行准确划分。

发明内容

本发明提出一种谐波源辨识方法，解决了现有技术中无法准确对谐波污染责任进行准确划分的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种谐波源辨识方法，其方法步骤如下：

(1)通过用户谐波电压发射水平对谐波污染进行责任划分，用户某次的谐波发射水平通过用户接入电力系统前后公共连接点处某次谐波电压或电流的变化量来表示：V_c＝I_pccZ_u，式中，V_c指用户侧等值谐波电压值，I_pcc指公共连接点处某次谐波电压或电流的变化量，Z_u指系统侧的等值谐波阻抗；

电力系统谐波电压发射水平为：V_u＝V_pcc-I_pccZ_u，式中，V_u指系统侧等值谐波电压值；

电力系统谐波阻抗实部和虚部的估算公式如下： $Z_{s,x}=\frac{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},x}\mathrm{\Δ}{V^2}_{\mathrm{pcc},x}+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},y}\mathrm{\Δ}{V^2}_{\mathrm{pcc},y})}{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},x}^2+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},y}^2)},$

$Z_{s,y}=\frac{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},x}\mathrm{\Δ}{V^2}_{\mathrm{pcc},y}+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},y}\mathrm{\Δ}{V^2}_{\mathrm{pcc},x})}{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},x}^2+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},y}^2)},$ 式中，Z_s,x和Z_s,y分别指电力系统谐波阻抗实部和虚部，ΔI_pcc,x指公共连接点处某次谐波电流的实部，ΔV_pcc,x指公共连接点处某次谐波电压的实部，ΔI_pcc,y指公共连接点处某次谐波电流的虚部，ΔV_pcc,y指公共连接点处某次谐波电压的虚部；

由以上两式计算得到系统侧的谐波阻抗，并通过式V_c＝I_pccZ_u计算出用户谐波电压发射水平；

(2)通过谐波发射水平评估最大限度定位出谐波源的准确点。

作为优选，所述步骤(2)的具体实现方法如下：

(21)测量基波及各次谐波的电压、电流的幅值和相角；

(22)计算的谐波次数大于等于2；

(23)对基波及各次谐波的电压、电流的幅值和相角数据样本进行筛选；

(24)进行样本筛选合格判断；

(25)判断三相是否平衡；

(26)对谐波发射水平进行评估；

(27)计算三相谐波总发射水平；

(28)当谐波发射次数达到最大谐波次数时，输出评估结果，通过谐波发射水平评估最大限度定位出谐波源的准确点；当谐波发射次数没有达到最大谐波次数时，转到步骤(23)执行。

作为优选，所述步骤(21)中的测量次数均大于等于20次。

作为优选，所述步骤(23)的具体实现方法如下：

采用式对基波数据和各次谐波数据进行筛选，式中，S₁(y)指基波的数据样本不确定度，n指测量次数，x_i指测量对应的电压、电流的幅值和相角值，指测量对应的电压、电流的幅值和相角的平均值；

各次谐波的数据样本不确定度用式表示，式中，S_k(y)指各次谐波的数据样本不确定度，n指测量次数，x_ki指测量对应的各次谐波的电压、电流的幅值和相角值，指测量对应的各次谐波的电压、电流的幅值和相角的平均值。

作为优选，所述步骤(24)的具体实现方法如下：

按照式进行计算，基波的数据样本不确定度小于等于0.06％时，判断为样本筛选合格；按照式进行计算，各次谐波的数据样本不确定度小于等于0.5％时，判断为样本筛选合格；当基波和各次谐波的数据样本不确定度均合格时，判定为合格，执行步骤(25)；当基波和各次谐波的数据样本不确定度有一项不合格时，执行步骤(28)。

作为优选，所述步骤(25)的具体实现方法如下：

当基波和各次谐波的数据样本三相平衡度均小于等于0.5％时，判定为合格；否则，执行步骤(26)。

本发明的有益效果为：

采用本发明所述方法对220kV的非线性用户系统进行测试，经过详细数据分析，验证谐波源定位方法的准确性；同时，在实验室中搭建物理测试电路，通过物理电路的仿真验证谐波源定位方法的准确性和可信性。两种仿真测试结果皆表明：本发明提出的算法能快速确定谐波源来源，准确度高，实用性好，具有很好的工程利用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是公共连接点处点3次谐波电压及对应用户发射水平趋势图；

图2是公共连接点处点3次谐波电压及对应用户发射水平概率分布图；

图3是3次谐波电压散点比对图；

图4是仿真试验设备连接结构图；

图5是谐波发射水平仿真测试原理图；

图6是仿真测试电路图；

图7是仿真测试电路图；

图8是阻抗测试仿真等效电路原理图；

图9是公共连接点处点电压和电流波形图；

图10是谐波源定位测试及仿真验证电路原理图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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作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。

实施例1

某非线性用户的220kV母线，测试数据的采样频率为9000Hz，经过每分钟对采样的三相电压电流数据做快速傅里叶变换，可以得到各次谐波的幅值和相角，即为谐波发射水平计算的输入值。采用本发明的算法原理进行计算，即可得出谐波发射水平。图1、图2和图3分别给出了3次谐波的用户发射水平趋势图、概率分布图和散点对比图。从仿真测试的对比图结果来看，本发明的估计结果有较高的可信性、准确性、和有效性。

实施例2

如图4所示，试验中以三相FLUCK 6100A为标准信号源，输出信号施加在测试电路板上，通过横河DL 750波形记录仪采集PCC点处的电压电流波形，最后利用计算机读取DL 750采集得到的信号，对信号做二次处理，即可对本发明的算法进行验证。

根据谐波源的电流源特性和线性负荷在谐波频率点的阻抗特性，Thunberg E教授提出用诺顿等效电路来对公共连接点PCC处两侧(系统侧和用户侧)的谐波源进行建模。由于所提诺顿模型被事实证明是可行的，目前所有的对公共连接点两侧的谐波源进行量化定位分析的方法都是把系统侧和用户侧等值成为两个诺顿等效电路来分析。从这个意义上来讲，诺顿等效电路能够反映实际电网中的系统侧和用户侧的谐波特性。基于以上思想，分别以两台FLUKE 6100A标准电源(单相)模拟实际电力系统中的电源和非线性负荷，等值电路图如图5所示，其中，I_s和I_c为系统侧和用户侧等值谐波电流源，Z_s和Z_c为系统侧和用户侧等值谐波阻抗。表1中所列为实际搭建的电路中各个元件的功能和参数。

表1实际搭建的试验电路中各元器件的参数

器件编号	参数	功能描述
			R1	1Ω	系统侧阻抗电阻分量

Z1	0.85Ω+0.46mH	系统侧空心电感线圈
			R2	10Ω	用户侧阻抗电阻分量
Z2	1.31Ω+1.05mH	用户侧空心电感线圈

分别采取如下两个步骤对所提谐波源定位方法进行试验仿真测试。

步骤1：让系统侧电流源开路(即使系统侧FLUKE 6100A的输出为“disable”)，在用户侧加入FLUKE 6100A标准电流源提供的正弦谐波电流信号，目的是测出对应h次谐波的系统阻抗，如图6所示。

步骤2：实际电网运行中，每一个谐波源注入电网的谐波电流都是随时间随机变化的，其幅值和相位都具有随机特性。谐波源量化定位算法，都是根据PCC点处电压电流的随机波动信息来判别两侧的主要谐波源的。为了模拟实际电网中用户侧和系统侧谐波电流源的随机波动特性，把两侧谐波源加上调幅波来模拟谐波电流的波动。所以，用户侧由FLUKE 6100A标准电源提供带调幅的谐波电流信号，目的是模拟非线性负荷谐波源信号，系统侧由FLUKE 6100A标准电源提供带调幅信号的谐波电流信号，目的是模拟实际供电系统中的背景谐波。这样，就可以用谐波源定位方法测试在有背景谐波存在的情况下，该非线性负荷单独在PCC点产生的谐波电压水平，测试电路如图7所示。最后，再根据第一步测出的系统谐波阻抗值，一方面可以测出用户侧谐波贡献的实际值，另一方面，采用本发明的方法，根据PCC点的谐波电压电流值估算出用户谐波贡献的计算值。通过比较这两个值的差异，来验证项目本发明的可信性和准确性。

在本仿真测试中，频率设置为50Hz，以3次谐波测试代表所有的谐波情况。设置DL 750的采样频率为10kHz。在用户侧加3次正弦谐波电流，系统侧开路，测试电路如图8所示。电流源输出0.4A的稳态3次谐波电流。在PCC点记录30秒电压电流连续波形，图9为PCC点处的电压电流波形。对30秒的电压电流数据(电压电流各300000个采样点)分别作离散时间傅里叶变换，从而计算得到PCC点处3次谐波电压、电流和系统阻抗值如表2中所示。该计算得到的系统谐波阻抗值被认为是真实值。

表2 PCC点3次谐波电压电流和系统谐波阻抗计算值

仿真验证案例二测试结果：

如图10所示，用户侧谐波电流和系统侧谐波电流幅值比值|I_c/I_s|＝|A_hc/A_hs|分别取为1/1，7/4，8/3，10/1，以表示双方不同的谐波贡献。用户侧谐波电流和系统侧谐波电流调幅波的幅值比m_hc/m_hs分别取±20％/±2％，±20％/±4％，±20％/±6％，±20％/±8％四种情况，以表示两侧不同的谐波波动幅度；系统侧的调幅波频率设为2.14Hz，用户侧的调幅波频率设为2.34Hz，总共16组测试。每组测试持续300秒，采集PCC电压电流波形，采样频率为10kHz。对采集到的电压电流波形做DFT分析得到每10个基波周期对应的谐波电压和电流值(相位以基波电压做参考)。本发明所用算法使用的基本样本是10个基波周期DFT所得结果，每组共1500个样本点。对每组1500个样本点做计算，得到用户侧的谐波贡献值。

表3对比了采用本发明得到的用户侧谐波贡献的百分比和用户侧实际谐波贡献百分比。从计算结果可以看出，本发明计算得到的用户贡献度与其真实值十分接近，最大的误差-0.5491％，定位结果准确，定位方法可行有效。试验结果证明本发明不仅可以准确判断出主要谐波源的位置，还能定量描述用户侧和电网侧分别对PCC点谐波电压水平的贡献度。

从表3中的试验结果可以看出，本发明能够定量判别用户侧谐波源对PCC点谐波电压的贡献大小，结果准确可靠，16组计算结果表明，计算误差能够保持在0.6％以内，验证了所述方法的准确性和可信性。

综上所述，采用本发明所述方法对220kV的非线性用户系统进行测试，经过详细数据分析，验证谐波源定位方法的准确性；同时，在实验室中搭建物理测试电路，通过物理电路的仿真验证谐波源定位方法的准确性和可信性。两种仿真测试结果皆表明：本发明提出的算法能快速确定谐波源来源，准确度高，实用性好，具有很好的工程利用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种谐波源辨识方法，其特征在于，其方法步骤如下：

(1)通过用户谐波电压发射水平对谐波污染进行责任划分，用户某次的谐波发射水平通过用户接入电力系统前后公共连接点处某次谐波电压或电流的变化量来表示：V_c＝I_pccZ_u，式中，V_c指用户侧等值谐波电压值，I_pcc指公共连接点处某次谐波电压或电流的变化量，Z_u指系统侧的等值谐波阻抗；

电力系统谐波电压发射水平为：V_u＝V_pcc-I_pccZ_u，式中，V_u指系统侧等值谐波电压值；

电力系统谐波阻抗实部和虚部的估算公式如下：

$Z_{s,x}=\frac{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},x}\mathrm{\Δ}{V^2}_{\mathrm{pcc},x}+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},y}\mathrm{\Δ}{V^2}_{\mathrm{pcc},y})}{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},x}^2+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},y}^2)},$ $Z_{s,y}=\frac{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},x}\mathrm{\Δ}{V^2}_{\mathrm{pcc},y}-\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},y}\mathrm{\Δ}{V^2}_{\mathrm{pcc},x})}{\underset{N}{\mathrm{\Σ}}(\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},x}^2+\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{pcc},y}^2)},$ 式中，Z_s,x和Z_s,y分别指电力系统谐波阻抗实部和虚部，ΔI_pcc,x指公共连接点处某次谐波电流的实部，ΔV_pcc,x指公共连接点处某次谐波电压的实部，ΔI_pcc,y指公共连接点处某次谐波电流的虚部，ΔV_pcc,y指公共连接点处某次谐波电压的虚部；

由以上两式计算得到系统侧的谐波阻抗，并通过式V_c＝I_pccZ_u计算出用户谐波电压发射水平；

(2)通过谐波发射水平评估最大限度定位出谐波源的准确点。

2.根据权利要求1所述的一种谐波源辨识方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体实现方法如下：

(21)测量基波及各次谐波的电压、电流的幅值和相角；

(22)计算的谐波次数大于等于2；

(23)对基波及各次谐波的电压、电流的幅值和相角数据样本进行筛选；

(24)进行样本筛选合格判断；

(25)判断三相是否平衡；

(26)对谐波发射水平进行评估；

(27)计算三相谐波总发射水平；

(28)当谐波发射次数达到最大谐波次数时，输出评估结果，通过谐波发射水平评估最大限度定位出谐波源的准确点；当谐波发射次数没有达到最大谐波次数时，转到步骤(23)执行。

3.根据权利要求2所述的一种谐波源辨识方法，其特征在于，所述步骤(21)中的测量次数均大于等于20次。

4.根据权利要求2所述的一种谐波源辨识方法，其特征在于，所述步骤(23)的具体实现方法如下：

采用式对基波数据和各次谐波数据进行筛选，式中，S₁(y)指基波的数据样本不确定度，n指测量次数，x_i指测量对应的电压、电流的幅值和相角值，指测量对应的电压、电流的幅值和相角的平均值；

各次谐波的数据样本不确定度用式表示，式中，S_k(y)指各次谐波的数据样本不确定度，n指测量次数，x_ki指测量对应的各次谐波的电压、电流的幅值和相角值，指测量对应的各次谐波的电压、电流的幅值和相角的平均值。

5.根据权利要求2所述的一种谐波源辨识方法，其特征在于，所述步骤(24)的具体实现方法如下：

按照式进行计算，基波的数据样本不确定度小于等于0.06％时，判断为样本筛选合格；按照式进行计算，各次谐波的数据样本不确定度小于等于0.5％时，判断为样本筛选合格；当基波和各次谐波的数据样本不确定度均合格时，判定为合格，执行步骤(25)；当基波和各次谐波的数据样本不确定度有一项不合格时，执行步骤(28)。

6.根据权利要求2所述的一种谐波源辨识方法，其特征在于，所述步骤(25)的具体实现方法如下：

当基波和各次谐波的数据样本三相平衡度均小于等于0.5％时，判定为合格；否则，执行步骤(26)。