CN106712021A - 一种公用电网多谐波限值多时段分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能质量评估技术领域，具体涉及一种公用电网多谐波限值多时段分配方法。包括(1)将用户分为波动性较大用户和波动性较小用户；(2)考虑同时系数的谐波限值分配方法；(3)波动性较小用户的多谐波限值分配方法；(4)波动性较大用户的多谐波限值多时段分配方法。本发明在保证电网与用户安全可靠运行前提下，综合考虑不同谐波源用户的特点，在划分用户波动性大小的基础上，考虑公用电网的负荷高峰期和低谷期，细化对谐波限值的限定，提出一种公用电网多谐波限值多时段分配方法，更公平合理的分配公用电网谐波限值，实现公用电网谐波的合理评估。

Description

一种公用电网多谐波限值多时段分配方法

技术领域

本发明属于电能质量评估技术领域，具体涉及一种公用电网多谐波限值多时段分配方法。

背景技术

目前，判断电网谐波是否超标的方法主要是，根据国标限值，采用实测数值的95％概率值进行判断。然而，公用电网中谐波源用户的谐波分布特性差异较大，有的用户在工作周期中谐波变化较小，为较平稳用户；有的用户在工作周期中谐波变化较大，为波动性用户。如图1所示为某电铁负荷在电网侧的3次谐波电流值，该3次谐波电流值的最大值、99％概率大值(CP99)、95％概率大值(CP95)分别为17.4463A、11.6895A、9.5419A；其谐波变化较大，为波动性用户。

针对波动性较大用户和波动性较小用户的谐波污染评估，一概而论而不加以区别对待，可能使结论过于苛刻，最终造成谐波治理成本过高。一般而言，谐波用户的超标时间越长，超标倍数越高，则问题越严重。但是，对于有些谐波源用户，虽然存在超标情况，但若超标时间较短，从谐波治理的经济性、必要性角度考虑，也可认为谐波超标并不严重，可不考虑治理。例如，对于波动性较大的谐波源用户，在负荷高峰期时，若其谐波的95％概率值大于国标限值，但谐波电流的99％概率值小于国标限值，则为存在谐波幅值较大情况，但时间很短，可暂不治理。

综合考虑谐波影响、治理成本与治理效果等因素，若对全部谐波源用户用同一评估方法进行谐波的评估，可能会造成资源浪费。因此，在保证公用电网电能质量的前提下，考虑到谐波源用户的不同谐波特征，以及有针对性地兼顾谐波治理所需要的成本及治理后能够达到的效果，应对谐波是否超标的评估方法进行细化研究。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种公用电网多谐波限值多时段分配方法，其具体步骤为

步骤1：通过利用监测得到的电力用户及公共连接点处的电压数据、电流数据及功率数据，计算用户电压波动值，将电力用户划分为波动性较大用户和波动性较小用户；并根据实测数据绘制有功功率日负荷曲线，划分负荷高峰期和低谷期；

步骤2：在考虑负荷同时系数的情况下，计及谐波峰值发生的同时系数，计算用户i的第h次谐波电流允许值I_hi；

步骤3：通过比较步骤2得到的用户i的h次谐波电流允许值I_hi和波动性较小用户i的第h次谐波电流值I_hci一周时间的95％概率大值I_hcicp95的大小，完成波动性较小用户的谐波限值分配，从而判断波动性较小用户的h次谐波电流是否超标；

步骤4：通过负荷高峰期多谐波限值分配和负荷低谷期多谐波限值分配两方面，完成波动性较大用户的谐波多限值多时段分配。其中，负荷高峰期多谐波限值分配方法利用了波动性较大用户i的第h次谐波电流值I_hci一天时间的95％概率大值I_hcicp95和99％概率大值I_hcicp99与谐波国标限值的大小关系，判断谐波电流是否超标；负荷低谷期多谐波限值分配方法，利用谐波电流95％概率大值I_hcicp95、超限最大持续时间和超限总时间，判断谐波电流是否超标。

步骤1的具体过程为

步骤101：对电力网中的负荷线路进行一周的监测，获得用户及公共连接点PCC的电压数据、电流数据、功率数据；

步骤102：计算用户电压波动值

PCC处的短路容量

其中，I_d为PCC处的短路电流，U_N为母线额定电压，Z₀为系统等值阻抗；

系统阻抗电压降相对于系统标称电压很小时，供电电流变化量

ΔS_A表示接入的负荷容量即视在功率的变化量；

三相平衡负荷的相对电压波动值d为：

ΔU表示用户侧供电电压波动量；

对于单相负荷，其相对电压波动值d₁为：

步骤103：根据GB/T12326-2008标准中对各级电网电压波动限值的规定划分为电压波动性较大用户、电压波动性较小用户，其中超过各级电网电压波动限值的划为波动性较大用户；反之，则为波动性较小用户；波动性较大用户的谐波波动性也较大，波动性较小用户的谐波波动性也较小，因此用电压波动性等效谐波波动性；

步骤104：基于步骤101所测功率数据，绘制有功功率日负荷曲线，划分为负荷高峰期和低谷期。

考虑负荷同时系数的用户i的第h次谐波电流允许值I_hi的计算公式为：

步骤201：对电力网中的负荷线路进行一周的监测，获得谐波电流数据、谐波电压数据，用户i和其他用户的负荷电流，PCC上第i个负荷线路的用电协议容量S_i；

步骤202：计算考虑负荷同时系数的用户i的第h次谐波电流允许值I_hi；

上式中，F是谐波峰值发生的同时系数，其计算过程为：

F_min＝[1+(S_i/S_t)^(1-α/2)]/2；

F_max＝1；

F_min、F_max分别是同时系数F的上限和下限；

其中，

I_h为公共连接点PCC上总的第h次谐波电流允许值，S_t为PCC点的供电设备容量，S_i为PCC上第i个负荷线路的用电协议容量，α为相位叠加指数；n指相应次数谐波电流值的总个数；p指PCC点用户的总个数；k指用户的第k个谐波电流值；i指第i个用户；p-1指剩余用户个数；I_ci,k指实测的第i个用户的第k个谐波电流值；I_c(p-1),k指实测的剩余p^-1个用户的第k个谐波电流值；ρ是用户i与剩余p-1个用户的谐波电流的相关系数，其取值范围是[-1,1]；β是相关系数与同时系数的变换参数，当相关系数与同时系数之间是线性关系时，β取0；当相关系数与同时系数是凸函数关系时，0<β≤0.5；当相关系数与同时系数是凹函数关系时，β<0。

所述步骤3中波动性较小用户的谐波限值分配方法，具体为：利用步骤2中得到的用户i的第h次谐波电流允许值I_hi，对用户i的第h次谐波电流值I_hci一周时间的95％概率大值指标I_hcicp95进行评估，若I_hcicp95>I_hi，则该线路h次谐波电流超标；反之，则不超标。

所述步骤4中波动性较大用户的多谐波限值分配方法，具体包括：

(1)波动性较大用户高峰期多谐波限值分配

利用步骤2中得到的用户i的h次谐波电流允许值I_hi，对用户i的第h次谐波电流值I_hci一天时间的95％概率大值指标I_hcicp95进行评估；

若I_hcicp95<I_hi，则该用户h次谐波电流不超标；

若I_hcicp95≥I_hi,再判断99％概率大值指标I_hcicp99是否超标：若I_hcicp99≤I_hi，表明绝大多数谐波电流未超标，不至于对电网与其它用户产生影响，认为谐波电流不需要治理；若I_hcicp99>I_hi，则认为谐波电流超标；

(2)波动性较大用户低谷期多谐波限值分配

利用步骤2中得到的用户i的h次谐波电流允许值I_hi，对用户i的第h次谐波电流值I_hci一天时间的95％概率大值指标I_hcicp95进行评估，若I_hcicp95<I_hi，则该线路h次谐波电流不超标；若I_hcicp95≥I_hi，由于低谷期用电负荷的功率小，即使用户i的谐波电流值大，但是其对公用电网的相对影响并不大，放宽低谷期谐波电流限值，判断谐波电流超限最大持续时间、超限总时间两个指标值是否超标，若至少有一个指标超标，则用户需要采取谐波治理措施；

所述的超限最大持续时间，是指在一个测量周期内记录的谐波测量值的95％概率大值连续超过规定限值最长的时间段；

所述超限总时间，是指在一个指定测量周期内记录的谐波测量值的95％概率大值分段超过规定限值的所有时间间隔的总和。

有益效果：

本发明在保证电网与用户安全可靠运行前提下，综合考虑不同谐波源用户的特点，在划分用户波动性大小的基础上，考虑公用电网的负荷高峰期和低谷期，细化对谐波限值的限定，提出一种公用电网多谐波限值多时段分配方法，更公平合理的分配公用电网谐波限值，实现公用电网谐波的合理评估。

附图说明

图1某电铁负荷电网侧的3次谐波电流值曲线图。

图2是本发明多谐波限值多时段分配方法的具体流程图。

图3是有功功率日负荷曲线图。

图4是PCC点处多谐波源用户接入图及其简化等效图。

图5同时系数与相关系数关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图，对实例作详细说明。如图2多谐波限值多时段分配方法的具体流程图，具体为：

步骤1：典型用户波动性划分。

对电力网中的负荷线路进行一周的监测，获得典型用户及公共连接点(PCC)的电压数据、电流数据、功率数据；并根据所测得用功功率绘制有功功率日负荷曲线，划分为负荷高峰期和低谷期，如图3有功功率日负荷曲线图。

步骤101：计算典型用户的电压波动值，其计算步骤为：

PCC处的短路容量计算公式为：

其中，I_d为PCC处的短路电流，U_N为母线额定电压，Z₀为系统等值阻抗,S_d为PCC处的短路容量；

系统阻抗电压降相对于系统标称电压很小时，供电电流变化量用接入的负荷容量(视在功率)的变化量ΔS_A来表示，则有：

由上述得到三相平衡负荷的相对电压波动值d为：

对于单相负荷有：

步骤102：根据GB/T12326-2008标准，超过各级电网电压波动限值的划为波动性较大用户；反之，则划为波动性较小用户。考虑到在实际运行中，可以认为波动性负荷是引起电压波动的主要原因；一般而言，波动性较大用户的谐波波动性也较大，波动性较小用户的谐波波动性也较小，因此可以用电压波动性近似等效谐波波动性。表1是各级电网电压波动限值。

表1

步骤2：考虑同时系数的谐波电流限值分配方法。

对电力网中的负荷线路进行一周的监测，获得谐波电流数据、谐波电压数据，并获得PCC上第i个负荷线路的用电协议容量S_i。

考虑到用户最大负荷同时出现的概率，按照国标谐波电流允许值的计算方法，可能会造成PCC点谐波电流计算值偏小，使对用户的要求过于严格。引入同时系数，用户可以获得较为宽松合理的谐波电流限值，可以较为公平地衡量用户谐波电流的允许限值。计算考虑负荷同时系数F的用户i的第h次谐波电流允许值I_hi：

其中，I_h为PCC上总的第h次谐波电流允许值，S_t为PCC点的供电设备容量，S_i为PCC上第i个负荷线路的用电协议容量，α为相位叠加指数。h为谐波电流次数；F为谐波峰值发生的同时系数。其计算过程为：

随机变量X和Y的相关系数ρ_XY的定义为：

其中，E(X)、E(Y)分别为随机变量X、Y的均值；E(XY)为随机变量X和Y乘积的均值；E(X²)、E(Y²)分别为为随机变量X平方、Y平方的均值。表2是IEC推荐的谐波叠加指数α的取值。

表2

如图4是PCC点处多谐波源用户接入图及其简化等效图，将p个用户等效为用户i和其余(p-1)个用户，用户i和其余(p-1)个用户的谐波电流值看作随机变量，且均值E(I_ci·I_c(p-1))、E(I_ci)、E(I_c(p-1))、均存在，则用户i和其余(p-1)个用户的谐波电流的相关系数为：

其中：

则：

上述各式中,n指相应次数谐波电流值的总个数；p指PCC点用户的总个数；k指用户的第k个谐波电流值；i指第i个用户；p-1指剩余用户个数；I_ci,k指实测的第i个用户的第k个谐波电流值；E(I_ci)指用户i的实测谐波电流的均值；E(I_c(p-1))指剩余p^-1个用户的实测谐波电流的均值；指用户i的实测谐波电流平方的均值；指剩余p-1个用户的实测谐波电流平方的均值；E(I_ci·I_c(p-1))指用户i的实测谐波电流和剩余p^-1个用户的实测谐波电流乘积的均值；I_c(p-1),k指实测的剩余p-1个用户的第k个谐波电流值；ρ的取值范围是[-1,1]。

同时系数表征了负荷同时到达峰值的概率，相关系数则表征了负荷发生变化时负荷之间的相互关系及其相关方向。若相关系数为正，则用户i的负荷与其他负荷变化方向相同，其同时到达峰值的概率较大，即同时系数较大；若相关系数为负，则用户i的负荷与其他负荷的变化方向相反，其同时到达峰值的概率较小，即同时系数较小。因此，同时系数是相关系数的单调增函数，如图5所示，可能是凸函数、凹函数或线性函数关系，本发明提出使用式(8)表达上述关系：

其中，F_min、F_max分别是同时系数的上限和下限，F_min＝[1+(S_i/S_t)^(1-α/2)]/2,F_max＝1。

参数β的取值范围可由式(8)的一阶导数和二阶导数确定：

1)当相关系数与同时系数之间是线性关系时，f'(ρ)＝C(C是非0常数)f″(ρ)＝0，

可得β＝0；

2)当相关系数与同时系数是凸函数关系时，f'(ρ)≥0,f″(ρ)≤0(等号仅在端点处成立)，可得0<β≤0.5；

3)当相关系数与同时系数是凹函数关系时，f'(ρ)≥0,f″(ρ)≥0(等号仅在端点处成立)，可得β<0。

步骤3：波动性较小用户的谐波限值分配方法。

利用步骤2考虑同时系数的谐波电流限值分配方法，得到用户i的第h次谐波电流允许值I_hi对用户i的第h次谐波电流值I_hci一周时间的95％概率大值指标I_hcicp95进行评估，若I_hcicp95>I_hi，则该线路h次谐波电流超标；反之，则不超标。

步骤4：波动性较大用户的多谐波限值多时段分配方法；

由步骤1得到的电网负荷高峰期和低谷期，如图2有功功率日负荷曲线图，时间段[7,21]为负荷高峰期，时间段[0,6]和[22,24]为负荷低谷期，对波动性较大用户分别进行高峰期和低谷期的多谐波限值多时段分配，具体包括：

波动性较大用户高峰期多谐波限值分配方法，具体为：

在高峰期(时间段[7,21])，利用步骤2考虑同时系数的谐波电流限值分配方法，得到用户i的h次谐波电流允许值I_hi对用户i的第h次谐波电流值I_hci一天时间的95％概率大值指标I_hcicp95进行评估。

若I_hcicp95<I_hi，则该用户h次谐波电流不超标。

若I_hcicp95≥I_hi,再判断99％概率大值指标I_hcicp99是否超标：若I_hcicp99≤I_hi，表明绝大多数谐波电流未超标，不至于对电网与其它用户产生影响，认为谐波电流不需要治理；若I_hcicp99>I_hi，则认为谐波电流超标。

波动性较大用户低谷期多谐波限值分配方法，具体为：

在低谷期(时间段[0,6]和[22,24])，利用步骤2考虑同时系数的谐波电流限值分配方法，得到用户i的h次谐波电流允许值I_hi对用户i的第h次谐波电流值I_hci一天时间的95％概率大值指标I_hcicp95进行评估，若I_hcicp95<I_hi，则该线路h次谐波电流不超标；若I_hcicp95≥I_hi，由于低谷期用电负荷的功率小，即使用户i的谐波电流值比较大，但是其对公用电网的相对影响并不是很大，因此，可以合理放宽低谷期谐波电流限值。表3是本发明按国家标准中的准稳态谐波限值作为评估基础，参考标准IEEE-519-1996，适度放宽波动性较大用户低谷期谐波限值的建议参考值，表3是本发明中波动性较大用户低谷期合理限值的建议参考值，根据表3判断谐波电流超限最大持续时间、超限总时间两个指标值是否超标，若至少有一个指标超标，则用户需要采取谐波治理措施。

表3

可接受的谐波畸变率建议限值	超限最大持续时间(min)	超限总时间(min)
			1倍建议限值	<50	<180
1.5倍建议限值	<30	<120
			2倍建议限值	<10	<40

判断谐波电流超限最大持续时间、超限总时间两个指标值是否超标，若至少有一个指标超标，则用户需要采取谐波治理措施。

上述步骤42中所述的超限最大持续时间，是指在一个测量周期内记录的谐波测量值的95％概率大值连续超过规定限值最长的时间段；超限总时间，是指在一个指定测量周期内记录的谐波测量值的95％概率大值分段超过规定限值的所有时间间隔的总和。

Claims (5)

1.一种公用电网多谐波限值多时段分配方法，其特征在于，包括

步骤1：通过利用监测得到的电力用户及公共连接点处的电压数据、电流数据及功率数据，计算用户电压波动值，将电力用户划分为波动性较大用户和波动性较小用户；并根据实测数据绘制有功功率日负荷曲线，划分负荷高峰期和低谷期；

步骤2：在考虑负荷同时系数的情况下，计及谐波峰值发生的同时系数，计算用户i的第h次谐波电流允许值I_hi；

步骤3：通过比较步骤2得到的用户i的h次谐波电流允许值I_hi和波动性较小用户i的第h次谐波电流值I_hci一周时间的95％概率大值I_hcicp95的大小，完成波动性较小用户的谐波限值分配，从而判断波动性较小用户的h次谐波电流是否超标；

步骤4：通过负荷高峰期多谐波限值分配和负荷低谷期多谐波限值分配两方面，完成波动性较大用户的谐波多限值多时段分配。其中，负荷高峰期多谐波限值分配方法利用了波动性较大用户i的第h次谐波电流值I_hci一天时间的95％概率大值I_hcicp95和99％概率大值I_hcicp99与谐波国标限值的大小关系，判断谐波电流是否超标；负荷低谷期多谐波限值分配方法，利用谐波电流95％概率大值I_hcicp95、超限最大持续时间和超限总时间，判断谐波电流是否超标。

2.根据权利要求1所述的一种公用电网多谐波限值多时段分配方法，其特征在于，步骤1的具体过程为

步骤101、对电力网中的负荷线路进行一周的监测，获得用户及公共连接点PCC的电压数据、电流数据、功率数据；

步骤102、计算用户电压波动值

PCC处的短路容量

其中，I_d为PCC处的短路电流，U_N为母线额定电压，Z₀为系统等值阻抗；

系统阻抗电压降相对于系统标称电压小时，供电电流变化量

${\mathrm{\&Delta;I}}_L=\frac{{\mathrm{\&Delta;S}}_A}{\sqrt{3}{U}_N}\&times;{10}^3$

ΔS_A表示接入的负荷容量即视在功率的变化量；

三相平衡负荷的相对电压波动值d为：

$d=\frac{\mathrm{\&Delta;}U}{U_N}=\frac{{\mathrm{\&Delta;I}}_L{Z}_0}{U_N}\&times;{10}^{-3}=\frac{\sqrt{3}}{3}\frac{{\mathrm{\&Delta;S}}_A}{S_d}$

ΔU表示用户侧供电电压波动量；

对于单相负荷，其相对电压波动值d₁为：

步骤103、根据GB/T12326-2008标准中对各级电网电压波动限值的规定划分为电压波动性较大用户、电压波动性较小用户，其中超过各级电网电压波动限值的划为波动性较大用户；反之，则为波动性较小用户；波动性较大用户的谐波波动性也较大，波动性较小用户的谐波波动性也较小，因此用电压波动性等效谐波波动性；

步骤104、基于步骤101所测功率数据，绘制有功功率日负荷曲线，划分为负荷高峰期和低谷期。

3.权利要求1中所述的基于负荷容量的谐波限值分配方法，其特征在于，考虑负荷同时系数的用户i的第h次谐波电流允许值I_hi的计算公式为：

步骤201、对电力网中的负荷线路进行一周的监测，获得谐波电流数据、谐波电压数据，用户i和其他用户的负荷电流，PCC上第i个负荷线路的用电协议容量S_i；

步骤202、计算考虑负荷同时系数的用户i的第h次谐波电流允许值I_hi；

$I_{hi}=I_h{\left(\frac{S_i}{{\mathrm{FS}}_t}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}}$

上式中，F是谐波峰值发生的同时系数，其计算过程为：

$F=F_{\min }+(F_{max}-F_{\min })\frac{\mathrm{\&rho;}+1}{2}{e}^{\mathrm{\&beta;}(1-\mathrm{\&rho;})};$

F_min＝[1+(S_i/S_t)^(1-α/2)]/2；

F_max＝1；

F_min、F_max分别是同时系数F的上限和下限；

其中，

I_h为公共连接点PCC上总的第h次谐波电流允许值，S_t为PCC点的供电设备容量，S_i为PCC上第i个负荷线路的用电协议容量，α为相位叠加指数；n指相应次数谐波电流值的总个数；p指PCC点用户的总个数；k指用户的第k个谐波电流值；i指第i个用户；p-1指剩余用户个数；I_ci,k指实测的第i个用户的第k个谐波电流值；I_c(p-1),k指实测的剩余p-1个用户的第k个谐波电流值；ρ是用户i与剩余p-1个用户的谐波电流的相关系数，其取值范围是[-1,1]；β是相关系数与同时系数的变换参数，当相关系数与同时系数之间是线性关系时，β取0；当相关系数与同时系数是凸函数关系时，0<β≤0.5；当相关系数与同时系数是凹函数关系时，β<0。

4.根据权利要求1所述的一种公用电网多谐波限值多时段分配方法，其特征在于，所述步骤3中波动性较小用户的谐波限值分配方法，具体为：利用步骤2中得到的用户i的第h次谐波电流允许值I_hi，对用户i的第h次谐波电流值I_hci一周时间的95％概率大值指标I_hcicp95进行评估，若I_hcicp95>I_hi，则该线路h次谐波电流超标；反之，则不超标。

5.权利要求1根据权利要求1所述的一种公用电网多谐波限值多时段分配方法，其特征在于，所述步骤4中波动性较大用户的多谐波限值分配方法，具体包括：

(1)波动性较大用户高峰期多谐波限值分配

利用步骤2中得到的用户i的h次谐波电流允许值I_hi，对用户i的第h次谐波电流值I_hci一天时间的95％概率大值指标I_hcicp95进行评估；

若I_hcicp95<I_hi，则该用户h次谐波电流不超标；

若I_hcicp95≥I_hi,再判断99％概率大值指标I_hcicp99是否超标：若I_hcicp99≤I_hi，表明绝大多数谐波电流未超标，不至于对电网与其它用户产生影响，认为谐波电流不需要治理；若I_hcicp99>I_hi，则认为谐波电流超标；

(2)波动性较大用户低谷期多谐波限值分配

利用步骤2中得到的用户i的h次谐波电流允许值I_hi，对用户i的第h次谐波电流值I_hci一天时间的95％概率大值指标I_hcicp95进行评估，若I_hcicp95<I_hi，则该线路h次谐波电流不超标；若I_hcicp95≥I_hi，由于低谷期用电负荷的功率小，即使用户i的谐波电流值大，但是其对公用电网的相对影响并不大，放宽低谷期谐波电流限值，判断谐波电流超限最大持续时间、超限总时间两个指标值是否超标，若至少有一个指标超标，则用户需要采取谐波治理措施；

所述的超限最大持续时间，是指在一个测量周期内记录的谐波测量值的95％概率大值连续超过规定限值最长的时间段；

所述超限总时间，是指在一个指定测量周期内记录的谐波测量值的95％概率大值分段超过规定限值的所有时间间隔的总和。