CN104850751A - 一种电流质量评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电能质量分析领域，尤其涉及一种电流质量评估方法，首先将在PCC处测得的电压、电流进行傅里叶分解，将分解后得到的电压子集和电流子集分为基波和各次谐波与间谐波两部分；其次，由基波电压和基波电流计算得到基波有功电流、基波无功电流、基波零序电流和基波负序电流、基波无功电流的波动量与频度；最后由各次谐波与间谐波根据功率流向分别计算出负载发生谐波电流和间谐波电流、系统发生谐波电流和间谐波电流。本发明提出的电流质量评估方法，各评估指标与实际电流质量现象一一对应，所建立的评估体系概念明确，且计算简便、利用相应设备的实现，可有效的评估实际工程中的电流质量情况。

Description

一种电流质量评估方法

技术领域

本发明属于电能质量分析领域，尤其涉及一种电流质量评估方法。

背景技术

随着时代的进步，电力电子装置在电能变换和并网过程中的作用越来越重要，应用范围也越来越广，但与此同时，这些非线性器件的使用给电网带来了更为严重的谐波畸变等电能质量问题；另外，高铁技术等的迅猛发展，电力牵引负荷的单相性也会加剧电网的三相不平衡。电力系统电能质量的监测、评估和治理是现如今保障电网正常运行不容忽视的环节。

目前我国的电能质量评估体系已初步建成，现有的电能质量评估体系主要是建立在电压质量评估的基础上。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电压波动与闪变、电压暂降(暂升)与中断、电压谐波、电压瞬变现象、电压陷波、欠电压、过电压等。在目前的电压质量评估过程中，主要研究前六项。但尚未有针对电流参量而进行的评估。

基于以上背景，与电压质量相对应，本发明从电流质量的评估需求入手，考虑现场实际操作性及可行性，提出了一种实用的电流质量评估方法。可对设备利用率、系统运行效率、系统基波无功、谐波与不平衡进行全面评估，以基波电流分量为主导，计算简单，易于装置实现。

发明内容

为了对设备利用率、系统运行效率、系统基波无功、谐波与不平衡进行全面评估，并为电能计量、电能质量评估与治理等提供数据与理论依据，本发明提出了一种电流质量评估方法，包括：

步骤1：采集某一时间窗内电力系统公共连接点的电压和电流信号；

步骤2：将采集到的电压和电流信号进行傅里叶分解，得到电压和电流的谐波集N和间谐波集N_i；

步骤3：根据步骤2所述的电压和电流谐波集N和间谐波集N_i，计算n次谐波和间谐波的有功功率，n∈M，M为系统中所有的谐波与间谐波子集的次数；

情形1，若电力系统为单相系统，则根据步骤2所述的电压和电流谐波集N和间谐波集N_i，由基波电压和基波电流计算基波有功电流和基波无功电流；计算出所有频次下的电流集总I、电压集总V_L；由基波有功电流与额定电流I_N的比值计算出设备利用率，由基波有功电流与电流集总I的比值计算出系统运行效率；由系统所要求的电压变动限值、电压集总V_L及系统阻抗计算基波无功电流变动量与频度；

情形2，若电力系统为三相系统，则根据步骤2所述的电压和电流谐波集N和间谐波集N_i，计算基波电压和基波电流的正序、负序和零序分量；由基波正序电压和基波正序电流计算基波有功电流和基波无功电流；计算出三相、所有频次下的电流集总I，各相电压集总V_L⊥；由基波有功电流与额定电流I_N的比值计算出设备利用率，由基波有功电流与电流集总I的比值计算系统运行效率；由系统所要求的电压变动限值、各相电压集总V_L及系统阻抗计算基波无功电流变动量与频度；

步骤4：根据步骤3所述的n次谐波和间谐波的有功功率的方向，将谐波分为两个子集N_C和子集N_D，间谐波分为两个子集N_iC和子集N_iD；

所述子集N_C、N_iC分别表示有功功率的方向从电源到负荷的谐波和间谐波子集，所述子集N_D、N_iD分别表示有功功率的方向从负荷到电源的谐波和间谐波子集；

步骤5：根据步骤4所述的子集N_C和子集N_D，将其中的谐波电流子集分为正向谐波电流子集N_CI和负向谐波电流子集N_DI；根据步骤4所述的子集N_iC和子集N_iD，将其中的间谐波电流子集分为正向间谐波电流子集N_iCI和负向间谐波电流子集N_iDI；

步骤6：根据步骤5所述的电流子集N_CI、N_iCI、N_DI、N_iDI，按GB/T 17626.7推荐的方法分别计算电流子集N_CI、N_iCI、N_DI、N_iDI的谐波子群与间谐波子群；

步骤7：根据步骤6所述的电流子集N_DI和N_iDI的谐波子群与间谐波子群，计算对应的电流为负载发生谐波电流I_g和负载发生间谐波电流I_ig；根据步骤6所述的电流子集N_CI和N_iCI的谐波子群和间谐波子群，计算对应的电流为系统发生电流I_B和系统发生间谐波电流I_iB；

步骤8：采集下一时间窗内电力系统公共连接点的电压和电流信号，按步骤2-7重新计算并更新各电流质量评估指标；

步骤9：按所述步骤8重复计算14次，当每次计算时间等于200ms时，对得到的各指标的15个值进行无缝累积，得到3s累积值；

步骤10：按所述步骤1-9重新计算并更新各电流质量评估指标3s累积值。

所述各电流质量评估指标包括经济性评估指标和约束性评估指标；属于经济性评估指标的有：设备利用率η₁、系统运行效率η₂、基波无功电流i_r1、基波零序电流i₀₁；属于约束性评估指标的有：基波无功电流变动量与频度ΔI_r1、基波负序电流i_u1、负载发生谐波电流I_g和负载发生间谐波电流I_ig、系统发生谐波电流I_B和系统发生间谐波电流I_iB。

本发明的有益效果在于：提出了以基波电流为主导的电流质量细化评估方法，适用于单相系统、电源对称的三相三线制或三相四线制系统，参考了电流物理分量理论等功率理论，计算简便、利于装置的实现，通用性强，且指标所对应的物理概念明确，思路清晰，适用系统的范围较广，满足实际工程评估的需要。

附图说明

图1为单相系统电流质量细化评估指标求取流程图；

图2为电源对称的三相系统电流质量细化评估指标求取流程图；

图3为各电流质量评估指标的对应关系。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

实施例一：单相系统

步骤1：在每个频谱分析时间窗T内，采集系统PCC点处的电压v_A和电流i_A；

步骤2：根据该时间窗内的电压、电流信号，将电压、电流进行傅里叶分解，得到电压、电流的谐波集N和间谐波集N_i；然后计算基波电压与基波电流之间的相角差计算n次谐波和间谐波的有功功率，n∈M，M为系统中所有的谐波与间谐波子集的次数；

$i_A=\underset{n\∈M}{\mathrm{\Σ}}{i}_{\mathrm{An}}---\left(1\right)$

$v_A=\underset{n\∈M}{\mathrm{\Σ}}{v}_{\mathrm{An}}---\left(2\right)$

$P_n=\mathrm{Re}\left\{v_{\mathrm{An}}{i}_{\mathrm{An}}^{*}\right\}---\left(3\right)$

步骤3：根据步骤2所述的基波电流及相角差可按以下公式计算基波有功电流i_a1和基波无功电流i_r1；根据步骤2所述的电流波形集，计算所有频次下的集总电流I；根据步骤2所述的电压波形集，计算所有频次下的集总电压V_L；根据所述基波有功电流与所述集总电流I、系统额定电流I_N计算设备利用率η₁和系统运行效率η₂；由系统所要求的电压变动限值、电压集总V_L及系统阻抗计算基波无功电流变动量与频度；

$\sqrt{\underset{n\∈M}{\mathrm{\Σ}}{i}_{\mathrm{An}}^2}---\left(6\right)$

$V_L=\sqrt{\underset{n\∈M}{\mathrm{\Σ}}{i}_{\mathrm{An}}^2}---\left(7\right)$

η₁＝i_a1/I_N                 (8)

η₂＝i_a1/I               (9)

$\mathrm{\Δ}{I}_{r1}=\frac{d{V}_L}{Z_S}---\left(10\right)$

步骤4：根据步骤2所述的n次谐波和间谐波下的有功功率方向，将谐波分为子集N_C和子集N_D，间谐波分为子集N_iC和子集N_iD，即

P_n>0,n∈N_C或N_iC；P_n<0,n∈N_D或N_iD           (11)

所述子集N_C、N_iC表示有功功率方向从电源到负荷的谐波和间谐波子集，所述子集N_D、N_iD表示有功功率方向从负荷到电源的谐波子集；

步骤5：根据步骤4所述的子集N_C和子集N_D，将谐波电流子集分为子集N_CI和子集N_DI；根据步骤4所述的子集N_iC和子集N_iD，将间谐波电流子集分为子集N_iCI和子集N_iDI；

步骤6：根据步骤5所述的电流子集N_CI、N_iCI和子集N_DI、N_iDI，按GB/T 17626.7推荐的方法分别计算子集N_CI、N_iCI和子集N_DI、N_iDI的谐波子群与间谐波子群；

步骤7：根据步骤6所述的电流子集N_DI和N_iDI的谐波子群与间谐波子群，计算对应的电流为负载发生谐波电流I_g和负载发生间谐波电流I_ig；根据步骤6所述的电流子集N_CI和N_iCI的谐波子群和间谐波子群，计算对应的电流为系统发生电流I_B和系统发生间谐波电流I_iB；

$I_g=\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_{g.n}^2}---\left(16\right)$

$I_B=\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_{B.n}^2}---\left(17\right)$

$I_{\mathrm{ig}}=\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_{\mathrm{ig}.n}^2}---\left(18\right)$

$I_{\mathrm{iB}}=\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_{\mathrm{iB}.n}^2}---\left(19\right)$

步骤8：采集下一时间窗内系统PCC点的电压和电流信号，按步骤2-7重新计算并更新各电流质量评估指标。

步骤9：按所述步骤2-8重复计算14次(当T＝200ms时)，对得到的各指标的15个值进行无缝累积，得到3s累积值；

步骤10：按所述步骤1-9重新计算并更新各电流质量评估指标3s累积值。

实施例二：电源对称的三相系统

步骤1：每个频谱分析时间窗T内，采集系统PCC点处的电压v_A、v_B、v_C和电流i_A、i_B、i_C；

步骤2：根据该时间窗内的电压、电流信号，将电压、电流进行傅里叶分解，得到电压、电流的谐波集N和间谐波集N_i；然后计算基波电压和基波电流的正序、负序和零序分量；计算n次谐波和间谐波的有功功率，n∈M，M为系统中所有的谐波与间谐波子集的次数；

$i_{\&perp;}=\underset{n\&Element;M}{\mathrm{\&Sigma;}}{i}_{\&perp;n},(\&perp;=A,B,C)---\left(20\right)$

$v_{\&perp;}=\underset{n\&Element;M}{\mathrm{\&Sigma;}}{v}_{\&perp;n},(\&perp;=A,B,C)---\left(21\right)$

$P_n=\mathrm{Re}\{v_{\mathrm{An}}{i}_{\mathrm{An}}^{*}+v_{\mathrm{Bn}}{i}_{\mathrm{Bn}}^{*}+v_{\mathrm{Cn}}{i}_{\mathrm{Cn}}^{*}\}---\left(22\right)$

步骤3：根据步骤2所述的基波电压和电流的正序、负序和零序分量，基波正序电流为i_p1，基波负序电流为i_u1，基波零序电流为i₀₁；然后计算基波正序电压和基波正序电流间的相角差按以下公式计算基波有功电流和基波无功电流；根据步骤2所述的电流波形集，计算三相所有频次下的集总电流I；根据步骤2所述的电压波形集，计算各相所有频次下的集总电压V_L⊥；根据所述基波有功电流与所述集总电流I、系统额定电流I_N计算设备利用率η₁和系统运行效率η₂；由系统所要求的电压变动限值、电压集总V_L⊥及系统阻抗计算基波无功电流变动量与频度；

$\sqrt{\underset{n\&Element;M}{\mathrm{\&Sigma;}}(i_{\mathrm{An}}^2+i_{\mathrm{Bn}}^2+i_{\mathrm{Cn}}^2)}---\left(25\right)$

$V_{L\&perp;}=\sqrt{\underset{n\&Element;M}{\mathrm{\&Sigma;}}{v}_{\&perp;n}^2},(\&perp;=A,B,C)---\left(26\right)$

η₁＝i_a1/I_N              (27)

η₂＝i_a1/I              (28)

$\mathrm{\&Delta;}{I}_{r1\&perp;}=\frac{d{V}_{L\&perp;}}{Z_S},(\&perp;=A,B,C)---\left(29\right)$

步骤4：根据步骤2所述的n次谐波和间谐波下的有功功率方向，将谐波分为子集N_C和子集N_D，间谐波分为子集N_iC和子集N_iD，即

P_n>0,n∈N_C或N_iC；P_n<0,n∈N_D或N_iD           (30)

所述子集N_C、N_iC表示有功功率方向从电源到负荷的谐波和间谐波子集，所述子集N_D、N_iD表示有功功率方向从负荷到电源的谐波子集；

步骤5：根据步骤4所述的子集N_C和子集N_D，将谐波电流子集分为子集N_CI和子集N_DI；根据步骤4所述的子集N_iC和子集N_iD，将间谐波电流子集分为子集N_iCI和子集N_iDI；

步骤6：根据步骤5所述的电流子集N_CI、N_iCI和子集N_DI、N_iDI，按GB/T 17626.7推荐的方法分别计算子集N_CI和子集N_DI的谐波子群与间谐波子群；

步骤7：根据步骤6所述的电流子集N_DI和N_iDI的谐波子群与间谐波子群，计算对应的电流为负载发生谐波电流I_g和负载发生间谐波电流I_ig；根据步骤6所述的电流子集N_CI和N_iCI的谐波子群和间谐波子群，计算对应的电流为系统发生电流I_B和系统发生间谐波电流I_iB；

$I_g=\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_{g.n}^2}---\left(35\right)$

$I_B=\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_{B.n}^2}---\left(36\right)$

$I_{\mathrm{ig}}=\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_{\mathrm{ig}.n}^2}---\left(37\right)$

$I_{\mathrm{iB}}=\sqrt{\underset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{I}_{\mathrm{iB}.n}^2}---\left(38\right)$

步骤8：采集下一时间窗内系统PCC点的电压和电流信号，按步骤2-7重新计算并更新各电流质量评估指标。

步骤9：按所述步骤8重复计算14次(当T＝200ms时)，对得到的各指标的15个值进行无缝累积，得到3s累积值；

步骤10：按所述步骤1-9重新计算并更新各电流质量评估指标3s累积值。

本发明提出的电流质量评估指标体系适用于单相系统、电源对称的三相三线制和三相四线制系统。其物理概念明确，思路清晰，并能与实际的物理现象相对应，具有适用范围广，通用性强，电路条件限制小的优点。此外还具有计算简便、利于装置实现等优点。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种电流质量评估方法，其特征在于，包括：

步骤1：采集某一时间窗内电力系统公共连接点的电压和电流信号；

步骤2：将采集到的电压和电流信号进行傅里叶分解，得到电压和电流的谐波集N和间谐波集N_i；

步骤3：根据步骤2所述的电压和电流谐波集N和间谐波集N_i，计算n次谐波和间谐波的有功功率，n∈M，M为系统中所有的谐波与间谐波子集的次数；

情形1，若电力系统为单相系统，则根据步骤2所述的电压和电流谐波集N和间谐波集N_i，由基波电压和基波电流计算基波有功电流和基波无功电流；计算出所有频次下的电流集总I、电压集总V_L；由基波有功电流与额定电流I_N的比值计算出设备利用率，由基波有功电流与电流集总I的比值计算出系统运行效率；由系统所要求的电压变动限值、电压集总V_L及系统阻抗计算基波无功电流变动量与频度；

情形2，若电力系统为三相系统，则根据步骤2所述的电压和电流谐波集N和间谐波集N_i，计算基波电压和基波电流的正序、负序和零序分量；由基波正序电压和基波正序电流计算基波有功电流和基波无功电流；计算出三相、所有频次下的电流集总I，各相电压集总V_L⊥；由基波有功电流与额定电流I_N的比值计算出设备利用率，由基波有功电流与电流集总I的比值计算系统运行效率；由系统所要求的电压变动限值、各相电压集总V_L及系统阻抗计算基波无功电流变动量与频度；

步骤4：根据步骤3所述的n次谐波和间谐波的有功功率的方向，将谐波分为两个子集N_C和子集N_D，间谐波分为两个子集N_iC和子集N_iD；

所述子集N_C、N_iC分别表示有功功率的方向从电源到负荷的谐波和间谐波子集，所述子集N_D、N_iD分别表示有功功率的方向从负荷到电源的谐波和间谐波子集；

步骤5：根据步骤4所述的子集N_C和子集N_D，将其中的谐波电流子集分为正向谐波电流子集N_CI和负向谐波电流子集N_DI；根据步骤4所述的子集N_iC和子集N_iD，将其中的间谐波电流子集分为正向间谐波电流子集N_iCI和负向间谐波电流子集N_iDI；

步骤6：根据步骤5所述的电流子集N_CI、N_iCI、N_DI、N_iDI，按GB/T 17626.7推荐的方法分别计算电流子集N_CI、N_iCI、N_DI、N_iDI的谐波子群与间谐波子群；

步骤7：根据步骤6所述的电流子集N_DI和N_iDI的谐波子群与间谐波子群，计算对应的电流为负载发生谐波电流I_g和负载发生间谐波电流I_ig；根据步骤6所述的电流子集N_CI和N_iCI的谐波子群和间谐波子群，计算对应的电流为系统发生电流I_B和系统发生间谐波电流I_iB；

步骤8：采集下一时间窗内电力系统公共连接点的电压和电流信号，按步骤2-7重新计算并更新各电流质量评估指标；

步骤9：按所述步骤8重复计算14次，当每次计算时间等于200ms时，对得到的各指标的15个值进行无缝累积，得到3s累积值；

步骤10：按所述步骤1-9重新计算并更新各电流质量评估指标3s累积值。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述各电流质量评估指标包括经济性评估指标和约束性评估指标；属于经济性评估指标的有：设备利用率η₁、系统运行效率η₂、基波无功电流i_r1、基波零序电流i₀₁；属于约束性评估指标的有：基波无功电流变动量与频度ΔI_r1、基波负序电流i_u1、负载发生谐波电流I_g和负载发生间谐波电流I_ig、系统发生谐波电流I_B和系统发生间谐波电流I_iB。