CN104965112B - 一种用于电力系统电流质量评估的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电能质量分析领域，尤其涉及一种用于电力系统电流质量评估的方法，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谐波与间谐波两部分；其次，对于谐波部分，基于各频次下谐波功率的方向，由谐波电压和谐波电流计算得到各频次下的电流分量，可分解出有功电流、分散电流、无功电流、不平衡电流、零序电流和分散电流；最后由各电流分量计算得到所需的电流质量评估指标，即设备利用率、系统运行效率、无功电流、零序电流、不平衡电流、无功电流的波动量与频度、发生电流、分散电流和间谐波电流。各评估指标与实际电流质量现象一一对应，评估体系概念明确，可有效评估实际工程中的电流质量情况。

Description

一种用于电力系统电流质量评估的方法
技术领域
本发明属于电能质量分析领域，尤其涉及一种用于电力系统电流质量评估的方法。
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。
Czarnecki提出的电流物理分量理论(CPC理论)，被认为是目前最有前景的功率理论之一。CPC理论在结合实际物理现象的基础上，运用集总、等效等概念，重新定义了非正弦不平衡条件下的功率量，将传统意义上的功率划分为有功功率、分散功率、无功功率、不平衡功率和发生功率五种分量，同时电流也被分解为有功电流、分散电流、无功电流、不平衡电流和发生电流。其中，有功功率和无功功率的概念与传统概念类似，表征了负载的有功和无功消耗；分散功率一定程度上表征了系统的畸变；不平衡功率为由电源流向负载的各频次下的负序电流产生的功率，表征了负载的不平衡特征和引起电压的不平衡性；发生功率体现了负载的非线性效应。
本发明正是基于以上背景，在CPC理论的基础上，与电压质量相对应，从电压质量的评估指标入手，根据电流的特点以及实际需要，发明了一种类似于电压质量评估的电流质量评估方法，以基于CPC理论的电流分量作为基本参量，来反映电力系统的功率因数、不平衡以及谐波畸变等状况。
发明内容
为了对电流质量进行全面的评估，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，本发明提出了一种用于电力系统电流质量评估的方法，包括：
步骤1：在每个频谱分析时间窗内，采集电力系统公共连接点处的电压和电流信号；
步骤2：将采集到的电压和电流信号进行傅里叶分解，得到电压和电流谐波集N和间谐波集Ni；
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Ni，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；
步骤4：根据步骤3所述的n次谐波有功功率的方向，将谐波分为两个子集NC和子集ND，间谐波分为两个子集NiC和子集NiD；
所述子集NC、NiC分别表示有功功率的方向为从电源到负荷的谐波和间谐波子集，所述子集ND、NiD分别表示有功功率的方向为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NC和子集ND，将其中的谐波电流子集分为正向谐波电流子集NCI和负向谐波电流子集NDI，根据步骤4所述的子集NiC和子集NiD，将其中的间谐波电流子集分为正向间谐波电流子集NiCI和负向间谐波电流子集NiDI；
步骤6：根据步骤5所述的负向谐波电流子集NDI和负向间谐波电流子集NiDI，对应的电流为发生电流ig，并运用ig对负载引起的电流谐波和间谐波进行评估；
步骤7：根据步骤5所述的正向谐波电流子集NCI和正向间谐波电流子集NiCI对其进行进一步分解；
情形1，若电力系统为单相系统，则分解出有功电流、分散电流和无功电流；计算出系统总电压方均根值V和电流方均根I；由有功电流与设备额定电流IN的比值计算出设备利用率，由有功电流与电流方均根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、电压方均根值V以及系统阻抗计算出无功电流变动量与频度；
情形2，若电力系统为三相三线制系统，则分解出有功电流、分散电流、无功电流和不平衡电流；计算出系统总电压方均根值V和电流方均根I；由有功电流与设备额定电流IN的比值计算出设备利用率，由有功电流与电流方均根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、电压方均根值V以及系统阻抗计算出无功电流变动量与频度；
情形3，若电力系统为三相四线制系统，则分解出有功电流、分散电流、无功电流、不平衡电流和零序电流；计算出系统总电压方均根值V和电流方均根I；由有功电流与设备额定电流IN的比值计算出设备利用率，由有功电流与电流方均根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、电压方均根值V以及系统阻抗计算出无功电流变动量与频度；
步骤8：采集下一时间窗内电力系统公共连接点处的电压和电流信号，按所述步骤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：按步骤1-9进行多次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限制性评估指标；属于经济性评估指标的有：设备利用率η1，系统运行效率η2，无功电流ir，零序电流i0n；属于限制性评估指标的有：包括不平衡电流iu，无功电流波动量与频度△Ir，发生电流ig，分散电流is，间谐波电流。
所述设备利用率η1表征设备被利用以传输有功功率的比率；所述系统运行效率η2表征系统在运行中有效传输有功功率的比率；所述无功电流ir反映负载消耗的无功功率和传输无功引起的网络损耗；所述零序电流i0n体现负载的不平衡性和中性线的功率损耗；所述不平衡电流iu体现负载的不平衡性和引起电压的不平衡性；所述无功电流波动量与频度△Ir反映负荷无功功率变动的严重程度和电压的波动与频度；所述发生电流ig表征负载引起的电流畸变；所述分散电流is表征系统引起的电流畸变；所述间谐波电流表征系统电流的间谐波含量。
本发明的有益效果在于：本发明提出的电流质量评估方法，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，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。
附图说明
图1为各电流质量评估指标的对应关系图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
实施例1：单相系统
步骤1：每个频谱分析时间窗T内，采集系统PCC点的电压v电流信号i；
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、电流的波形集，由于在计算中采取的是10周波的测量窗，因而同时可以获得谐波集N和间谐波集Ni，这里所需要的为电流的谐波和间谐波子集以及电压的谐波子集；
步骤3：根据步骤2所述的电压和电流谐波集N，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和间谐波子集的次数；
步骤4：根据步骤3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NC和子集ND，间谐波分为子集NiC和子集NiD；
Pn>0,n∈NC或NiC；Pn<0,n∈ND或NiD(5)
所述子集NC、NiC分别表示有功功率方向为从电源到负荷的谐波和间谐波子集，所述子集ND、NiD分别表示有功功率方向为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NC和子集ND，将其中的谐波电流子集分为子集NCI和子集NDI，根据步骤4所述的子集NiC和子集NiD，将其中的间谐波电流子集分为正向间谐波电流子集NiCI和负向间谐波电流子集NiDI；
步骤6：根据步骤5所述的负向谐波电流子集NDI和负向间谐波电流子集NiDI，对应的电流为发生电流ig，并运用ig对负载引起的电流谐波和间谐波进行评估；
步骤7：根据步骤5所述的正向谐波电流子集NCI和正向间谐波电流子集NiCI对其进行进一步分解；
有功电流为
分散电流为
无功电流为
所述参量可由下述公式计算得到：
负载等效电导为Ge＝P/||v||2，Vn为各频次的电压相量。
总电压和电流方均根值为
设备利用率为
系统运行效率为
无功电流变动量与频度为
步骤8：采集下一时间窗内系统PCC点处的电压和电流信号，按所述步骤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，将得到的各指标的15个值进行组合，得到3s组合值；
所述时间组合采用方均根值的计算方式。对于某个电流分量，假设在需要进行时间组合的时间段内，计算得到的n个10周波的方均根值为I10n，则时间组合后的方均根值I为
步骤10：按步骤1-9进行多次计算，即可获得各电流质量评估指标的3s计算值。
实施例2：三相三线制系统
步骤1：每个频谱分析时间窗T内，采集系统PCC点的电压vA、vB、vC和电流信号iA、iB、iC；
步骤2：根据步骤1所述的该时间窗内的电压和电流信号，将电压和电流信号进行傅里叶分解，得到电压、电流的波形集，由于在计算中采取的是10周波的测量窗，因而同时可以获得谐波集N和间谐波集Ni，这里所需要的为电流的谐波和间谐波子集以及电压的谐波子集；
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Ni，计算n次谐波和间谐波有功功率，n∈M，M为系统中所有的谐波和间谐波子集的次数；
步骤4：根据步骤3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NC和子集ND，间谐波分为子集NiC和子集NiD；
Pn>0,n∈NC或NiC；Pn<0,n∈ND或NiD (19)
所述子集NC、NiC分别表示有功功率方向为从电源到负荷的谐波和间谐波子集，所述子集ND、NiD分别表示有功功率方向为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NC和子集ND，将其中的谐波电流子集分为子集NCI和子集NDI，根据步骤4所述的子集NiC和子集NiD，将其中的间谐波电流子集分为正向间谐波电流子集NiCI和负向间谐波电流子集NiDI；
步骤6：根据步骤5所述的负向谐波电流子集NDI和负向间谐波电流子集NiDI，对应的电流为发生电流ig，并运用ig对负载引起的电流谐波和间谐波进行评估；
步骤7：根据步骤5所述的正向谐波电流子集NCI和正向间谐波电流子集NiCI对其进行进一步分解；
有功电流为
分散电流为
无功电流为
不平衡电流为
所述参量可由下述公式计算得到：
三相等效导纳为
Ge＝P/||vn||2 (24)
在CPC理论中，Yn＝Gn+jBn＝YABn+YBCn+YCAn将三相三线制电路的负载等效为三角形的连接形式，因而其总导纳为,分别计算电导和电纳：
其中，
不平衡导纳为
其中，αn＝ejn120°，为αn的共轭。
电压矢量分别为：
总电压和电流方均根值为
设备利用率为
系统运行效率为
无功电流变动量与频度为
步骤8：采集下一时间窗内系统PCC点处的电压和电流信号，按所述步骤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，将得到的各指标的15个值进行组合，得到3s组合值；
所述时间组合采用方均根值的计算方式。对于某个电流分量，假设在需要进行时间组合的时间段内，计算得到的n个10周波的方均根值为I10n，则时间组合后的方均根值I为
步骤10：按步骤1-9进行多次计算，即可获得各电流质量评估指标的3s计算值。
实施例3：三相四线制系统
步骤1：每个频谱分析时间窗T内，采集系统PCC点的电压vA、vB、vC和电流信号iA、iB、iC；
步骤2：根据步骤1所述的该时间窗内的电压和电流信号，将电压和电流信号进行傅里叶分解，得到电压、电流的波形集，由于在计算中采取的是10周波的测量窗，因而同时可以获得谐波集N和间谐波集Ni，这里所需要的为电流的谐波和间谐波子集以及电压的谐波子集；
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Ni，计算n次谐波和间谐波有功功率，n∈M，M为系统中所有的谐波和间谐波子集的次数；
步骤4：根据步骤3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NC和子集ND，间谐波分为子集NiC和子集NiD；
Pn>0,n∈NC或NiC；Pn<0,n∈ND或NiD (38)
所述子集NC、NiC分别表示有功功率方向为从电源到负荷的谐波和间谐波子集，所述子集ND、NiD分别表示有功功率方向为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NC和子集ND，将其中的谐波电流子集分为子集NCI和子集NDI，根据步骤4所述的子集NiC和子集NiD，将其中的间谐波电流子集分为正向间谐波电流子集NiCI和负向间谐波电流子集NiDI；
步骤6：根据步骤5所述的负向谐波电流子集NDI和负向间谐波电流子集NiDI，对应的电流为发生电流ig，并运用ig对负载引起的电流谐波和间谐波进行评估；
步骤7：根据步骤5所述的正向谐波电流子集NCI和正向间谐波电流子集NiCI对其进行进一步分解；
有功电流为
分散电流为
无功电流为
不平衡电流为
零序电流为
所述参量可由下述公式计算得到：
三相等效导纳为
Ge＝P/||vn||2 (44)
在CPC理论中，将三相四线制电路的负载等效为星形的连接形式，因而其总导纳为Yn＝Gn+jBn＝YAn+YBn+YCn,分别计算电导和电纳：
Gn＝Pn/||vn||2＝(GAn+GBn+GCn)/3,n∈NCI,NiCI (45)
Bn＝-Qn/||vn||2＝(BAn+BBn+BCn)/3,n∈NCI,NiCI (46)
其中，
不平衡导纳为
零序导纳为
单位矢量为
1p＝[1 α* α]T，1n＝[1 α α*]T，1z＝[1 1 1]T。
总电压和电流方均根值为
设备利用率为
系统运行效率为
无功电流变动量与频度为
步骤8：采集下一时间窗内系统PCC点处的电压和电流信号，按所述步骤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，将得到的各指标的15个值进行组合，得到3s组合值；
所述时间组合采用方均根值的计算方式。对于某个电流分量，假设在需要进行时间组合的时间段内，计算得到的n个10周波的方均根值为I10n，则时间组合后的方均根值I为
步骤10：按步骤1-9进行多次计算，即可获得各电流质量评估指标的3s计算值。
本发明提出的电流质量评估指标体系不仅适用于单相系统，还适用于三相三线制以及三相四线制系统。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)

1.一种用于电力系统电流质量评估的方法，其特征在于，包括：
步骤1：在每个频谱分析时间窗内，采集电力系统公共连接点处的电压和电流信号；
步骤2：将采集到的电压和电流信号进行傅里叶分解，得到电压和电流谐波集N和间谐波集Ni；
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Ni，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；
步骤4：根据步骤3所述的n次谐波有功功率的方向，将谐波分为两个子集NC和子集ND，间谐波分为两个子集NiC和子集NiD；
所述子集NC、NiC分别表示有功功率的方向为从电源到负荷的谐波和间谐波子集，所述子集ND、NiD分别表示有功功率的方向为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NC和子集ND，将其中的谐波电流子集分为正向谐波电流子集NCI和负向谐波电流子集NDI，根据步骤4所述的子集NiC和子集NiD，将其中的间谐波电流子集分为正向间谐波电流子集NiCI和负向间谐波电流子集NiDI；
步骤6：根据步骤5所述的负向谐波电流子集NDI和负向间谐波电流子集NiDI，对应的电流为发生电流ig，并运用ig对负载引起的电流谐波和间谐波进行评估；
步骤7：根据步骤5所述的正向谐波电流子集NCI和正向间谐波电流子集NiCI对其进行进一步分解；
情形1，若电力系统为单相系统，则分解出有功电流、分散电流和无功电流；计算出系统总电压方均根值V和电流方均根I；由有功电流与设备额定电流IN的比值计算出设备利用率，由有功电流与电流方均根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、电压方均根值V以及系统阻抗计算出无功电流变动量与频度；
情形2，若电力系统为三相三线制系统，则分解出有功电流、分散电流、无功电流和不平衡电流；计算出系统总电压方均根值V和电流方均根I；由有功电流与设备额定电流IN的比值计算出设备利用率，由有功电流与电流方均根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、电压方均根值V以及系统阻抗计算出无功电流变动量与频度；
情形3，若电力系统为三相四线制系统，则分解出有功电流、分散电流、无功电流、不平衡电流和零序电流；计算出系统总电压方均根值V和电流方均根I；由有功电流与设备额定电流IN的比值计算出设备利用率，由有功电流与电流方均根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、电压方均根值V以及系统阻抗计算出无功电流变动量与频度；
步骤8：采集下一时间窗内电力系统公共连接点处的电压和电流信号，按所述步骤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：按步骤1-9进行多次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限制性评估指标；属于经济性评估指标的有：设备利用率η1，系统运行效率η2，无功电流ir，零序电流i0n；属于限制性评估指标的有：包括不平衡电流iu，无功电流波动量与频度△Ir，发生电流ig，分散电流is，间谐波电流。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述设备利用率η1表征设备被利用以传输有功功率的比率；所述系统运行效率η2表征系统在运行中有效传输有功功率的比率；所述无功电流ir反映负载消耗的无功功率和传输无功引起的网络损耗；所述零序电流i0n体现负载的不平衡性和中性线的功率损耗；所述不平衡电流iu体现负载的不平衡性和引起电压的不平衡性；所述无功电流波动量与频度△Ir反映负荷无功功率变动的严重程度和电压的波动与频度；所述发生电流ig表征负载引起的电流畸变；所述分散电流is表征系统引起的电流畸变；所述间谐波电流表征系统电流的间谐波含量。
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