CN106872776A - 一种变电站背景谐波评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电能质量评估技术领域，尤其涉及一种变电站背景谐波评估方法。所述方法具体包括1.若系统只在变电站A处设有监测点：获取A点的监测数据；对数据进行分析，根据A点负荷变化情况不同采用不同方法进行背景谐波评估；计算A点近一个月内背景谐波电压，求其平均值作为该时段背景谐波电压；对A点背景谐波进行更新。2.若系统在变电站A及重要负荷出线F处均设有监测点：获取监测点A、F处监测数据；计算监测点A处背景谐波电压；监测点F处负荷为电气化铁路负荷，考虑其间歇性、冲击性及单相整流特性，进行背景谐波及负序评估。本发明为监测数据不满足现有算法要求时背景谐波的计算提供了新的思路。

Description

一种变电站背景谐波评估方法

技术领域

本发明属于电能质量评估技术领域，尤其涉及一种变电站背景谐波评估方法。

背景技术

电网中存在大量非线性负荷，如电力机车、电弧炉、轧机和中频炉等，这些非线性负荷的存在将会给电网带来谐波等问题；其中，电气化铁路接入电网后还会引起系统侧三相不平衡。准确评估系统侧背景谐波，对于谐波责任划分具有重要意义。

对于背景谐波的计算，现有方法多是利用某一监测点处监测到的电压、电流数据计算，但对于存在重要负荷的变电站，其监测点除主变外，还可能在重要负荷出线上加装监测点，利用多个监测点监测信息进行变电站背景谐波估算，可以更全面了解变电站背景谐波情况。另外，现有背景谐波计算方法主要有波动量法、线性回归法等，对于三相负荷变化不符合算法要求的时间段，背景谐波估计误差较大；同时，对于电气化铁路负荷来说，其接入电网后负序评估也尤为重要。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种变电站背景谐波评估方法，根据设在母线短路容量较大的变电站母线处和在重要负荷出线上的监测点数目及所带负荷不同，分为两种情况，具体为：

若只在变电站A处设有监测点，背景谐波评估具体步骤如下：

步骤1：获取监测点A处的电压数据和电流数据；

步骤2：分析A点一天时间的监测数据，根据负荷变化情况的不同采用不同的方法估算系统背景谐波电压；

步骤3：对A点近一个月数据做同样分析，计算每天同一时间段内系统背景谐波电压，取其平均值作为该时段系统背景谐波电压；

步骤4：对A点背景谐波电压滑动更新。

步骤2中对A点监测数据进行分析，将一天时间内电流变化曲线按每小时进行分段，即00:00-01:00，01:00-02:00……23:00-24:00。对每小时数据进行分析，计算每小时电流监测数据的变异系数，即：

其中，CV为1h采样值的变异系数，N为1h采样点数，I_k为第k个采样点电流幅值，μ为1h采样值平均值，即

若CV≥α(α建议取值为10％)，则认为该时间段内负荷存在较大波动，反之，则认为负荷波动较小；

若连续n个(n≥1)时间段负荷存在较大波动，则这n小时定义为一个负荷波动时间段；同理，若连续n(n≥1)个时间段内负荷都波动较小，则这n小时定义为一个负荷变化平稳时间段；

步骤2中所述根据负荷变化情况不同采用不同方法进行背景谐波估算具体如下：

步骤21：计算A点每小时监测数据的CV值，划分负荷波动时间段与负荷变化平稳时间段，分时段对A点背景谐波电压进行计算；

步骤22：对负荷波动时间段利用现有方法(如主导波动量法)计算系统背景谐波电压；

步骤23：对负荷变化平稳时间段，若n<3，背景谐波电压通过两侧负荷波动时间段已得到的背景谐波电压取其加权平均值计算，即

U＝aU_l+bU_r

其中，a+b＝1，a、b由两侧负荷波动情况决定，若波动较大则赋予较大权值；U为负荷变化平稳时间段背景谐波电压；U_l、U_r分别表示负荷变化平稳时间段左右两侧负荷波动时间段背景谐波电压；

步骤24：对负荷变化平稳时间段，n≥3时，负荷在较长时间内变化平稳，此时寻找与A站电气距离相近且负荷存在一定波动的B站，根据A、B两站之间关系求取该时段系统背景谐波电压，具体如下：

步骤241：寻找与A站电气距离相近且负荷存在一定波动的B站；

步骤242：根据监测点B获取到的电压、电流数据，利用现有方法(如主导波动量法)计算B点系统侧h次谐波阻抗Z_Bsh及系统侧h次谐波电压U_Bsh；

步骤243：忽略线路阻抗，近似计算A点系统侧h次谐波阻抗，具体如下：

Z_Ash＝Z_Bsh-Z_Ch+Z_Dh

其中，Z_Ash、Z_Bsh分别为A、B两监测点系统侧等值h次谐波阻抗；Z_Ch、Z_Dh分别为变压器C、D的h次谐波阻抗值。

步骤244：计算A点背景谐波电压，具体如下：

U_Ash＝I_AchZ_Ash+U_Ach

其中，U_Ash-A点系统侧h次谐波电压；

U_Ach-监测点A处h次谐波电压；

I_Ach-监测点A处h次谐波电流；

Z_Ash-A点系统侧等值h次谐波阻抗。

步骤4所述的对A点背景谐波电压滑动更新，即采集到新的一天的样本值后，顺序将最早采集的样本值去除，然后利用一个月的滑动采样值进行数据分析，重复步骤2、3，对A点背景谐波电压进行更新。

若变电站A及重要负荷出线F处均设有监测点，背景谐波评估具体步骤如下：

步骤1：获取监测点A、F处电压、电流数据；

步骤2：监测点A处背景谐波评估方法与只在变电站A处设有监测点时背景谐波电压评估方法相同；

步骤3：监测点F处负荷为电气化铁路负荷，考虑其间歇性、冲击性及单相整流特性，背景谐波及负序评估步骤如下：

步骤31：对监测点F谐波电流数据进行分析，若负荷变化平稳，此时系统谐波由常规负荷引起，该时段监测所得谐波电压方均根值即为系统背景谐波电压；

步骤32：若负荷波动较大，线路上有电力机车运行，系统背景谐波电压计算如下：

步骤321：负荷波动时段背景谐波电压不仅与其两侧负荷变化平稳时段背景谐波电压有关，考虑到电气化铁路负荷的三相不对称性，某一相负荷波动时段背景谐波电压还可能和其他两相背景谐波电压有关。当其他两相对应时段负荷变化平稳时，一定程度上可以用这两相背景谐波电压求取该相背景谐波电压，但若对应时段负荷波动较大，则不考虑。以A相某一负荷波动时间段背景谐波计算为例，记两侧负荷变化平稳时段及对应时段其他两相背景谐波电压分别为U₁、U₂、U₃、U₄，其中，若其他两相负荷变化平稳，则U₃、U₄即为该时段监测所得谐波电压数据方均根值，反之，U₃、U₄记为零。

步骤322：对A相一个月内同一时间段数据做同样分析，并记录U₁、U₂、U₃、U₄值；

步骤323：利用熵权法确定U₁、U₂、U₃、U₄权重，具体如下：

信息矩阵如下：

其中，U_ij(i＝1,2…,30,j＝1,2,3,4)表示第i天时第j个电压指标的数值；

第j个电压指标下第i天时A_i贡献度：

所有方案对属性U_j的贡献总量：其中K＝1/ln30；

各电压指标权重：

步骤324：负荷波动时间段背景谐波电压为：

步骤325：背景谐波电压的滑动更新，每采集到新的一天的样本值，顺序将最早采集到的样本值去掉，利用一个月的滑动采样值重复步骤321～步骤324，对该铁路专线背景谐波电压进行更新。

步骤33：监测点F处背景不平衡度计算，对谐波电流数据进行分析，若三相负荷同时变化平稳，此时，系统中的三相不平衡全部由系统侧产生，三相不平衡度计算参考IEC61000-4-30推荐方法，具体如下：

其中，其中U_ab、U_bc、U_ca分别为三相线电压。

若至少一相存在负荷波动，忽略负序相互作用，背景负序近似计算如下：

U_N＝Z_NU(J_NU+I_N)

联立得，

其中，J_NU为系统侧等值负序电流源；Z_NU、Z_NC分别为系统侧和用户侧等值负序阻抗；U_N、I_N分别为PCC点负序电压和负序电流；U_NU、I_NU为系统等值负序电流源单独作用时PCC点的负序电压、负序电流。

由系统侧引起的不平衡度为：

其中，U_PU为电压正序分量。

步骤4：若变电站F处负荷为非间歇性负荷，其背景谐波评估方法与只在变电站A处设有监测点时的情况相同。

有益效果

本发明针对变电站监测点数目及所带负荷的不同采用不同方法进行背景谐波评估，为监测数据不满足现有算法要求时背景谐波的计算提供了新的思路，同时，对于电气化铁路这类单相负荷，接入电网后会引起系统三相不平衡，背景负序评估也尤为重要，考虑到电铁负荷的时间间断性，本发明对电气化铁路负荷波动时段与负荷变化平稳时段采用不同方法进行背景谐波、负序的评估。

附图说明

图1为系统简化模型图；

图2为变电站背景谐波评估方法的流程图；

图3a-l为某电气化铁路专线监测到的一天时间(00:00-24:00)的电流波形图；

图4为电气化铁路专线某一时段负荷变化波形图；

图5a为系统负序等效电路，图5b为系统侧等值负序电流源单独作用时等效电路。

具体实施方式

下面结合附图，对实例作详细说明，应强调的是，下属说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及应用。

本发明提供系统背景谐波评估方法的具体实施过程，系统简化模型图如图1所示，图2是变电站背景谐波评估方法的具体流程图，具体为：

若只在变电站A处设有监测点，则

步骤1：获取A点电压、电流数据；

步骤2：将监测时间按每小时划分，即00:00-01:00,01:00-02:00，……，23:00-24:00，计算每小时监测数据CV值，若CV≥α(α建议取值为10％)，负荷存在较大波动，反之，负荷波动较小；对于连续n(n≥1)个CV≥α时段称为一个负荷波动时间段，同理，连续n(n≥1)个CV<α时段称为一个负荷变化平稳时间段。根据负荷变化情况的不同采用不同方法计算背景谐波电压，具体如下：

步骤21：分析A点监测数据，划分负荷波动时间段与负荷变化平稳时间段；

步骤22：负荷波动时间段利用现有方法(如主导波动量法)计算其背景谐波电压；

步骤23：对于负荷变化平稳时间段，若n<3，系统背景谐波电压通过两侧负荷波动时间段已计算出的背景谐波电压取加权平均值得出，具体如下：

其中，a、b由两侧负荷波动情况决定，若负荷波动较大则赋予较高权值；U为负荷变化平稳时间段系统背景谐波电压；U_l、U_r分别为负荷变化平稳时间段左右两侧负荷波动时间段背景谐波电压。

步骤24：对于负荷变化平稳时间段，若n≥3，负荷在较长时间内变化平稳，此时系统背景谐波电压计算方法如下：

步骤241：寻找与A站电气距离相近且负荷具有一定波动的B站；

步骤242：根据监测点B获取到的电压、电流数据，利用现有方法(如主导波动量法)计算B点系统侧等值h次谐波阻抗Z_Bsh及h次背景谐波电压U_Bsh；

步骤243：忽略线路阻抗，近似计算监测点A处背景谐波阻抗，具体如下：

Z_Ash＝Z_Bsh-Z_Ch+Z_Dh

其中，Z_Ash、Z_Bsh分别为A、B两监测点系统侧等值h次谐波阻抗；Z_Ch、Z_Dh分别为变压器C、D的h次谐波阻抗值。

步骤244：计算A点背景谐波电压，具体如下：

U_Ash＝I_AchZ_Ash+U_Ach

其中，U_Ash-A点系统侧h次谐波电压；

U_Ach-监测点A处h次谐波电压；

I_Ach-监测点A处h次谐波电流；

Z_Ash-A点系统侧等值h次谐波阻抗。

步骤3：对A点近一个月数据做同样分析，计算每天同一时间段内背景谐波电压，求其平均值即为该时段背景谐波电压；

步骤4：A点背景谐波电压滑动更新，采集到新的一天的样本值后，顺序将最早采集的样本值去除，即1～30,2～31，……，利用一个月的滑动采样值进行数据分析，重复步骤2、3，对A点背景谐波电压进行更新。

若变电站A及重要负荷出线F处同时设有监测点，则：

步骤1：获取监测点A、F处电压、电流数据；

步骤2：监测点A处背景谐波电压计算方法同只在变电站A处设有监测点时的情况；

步骤3：若监测点F处负荷为电气化铁路负荷，考虑其间歇性及单相整流特性，系统背景谐波电压及负序评估步骤如下：

步骤31：对监测点谐波电流数据进行分析，结合附图3予以说明，若负荷变化平稳(如附图3中A相电流波形图中00:00-4:00、7:00-7:45等时间段)，谐波由常规负荷引起，监测所得谐波电压方均根值即为该时段系统背景谐波电压；

步骤32：若负荷存在较大波动(如附图3中A相电流波形图中6:00-6:30、7:45-7:50等时间段)，此时线路上有电力机车运行，负荷波动时段背景谐波计算如下：

步骤321：结合附图4对负荷波动时间段背景谐波电压计算予以说明。以A相某一负荷波动时段背景谐波电压计算为例，如附图4所示，A相负荷波动时段两侧负荷变化平稳时段背景谐波电压分别记为U₁、U₂，B、C两相对应时段背景谐波电压分别记为U₃、U₄，由附图4可知，A相负荷波动时段B、C两相负荷变化情况为别为B相负荷存在波动，此时记U₃＝0，C相负荷变化平稳，该时段内C相背景谐波电压一定程度上可以用来求取A相背景谐波电压，U₄即为该时段监测所得谐波电压数据方均根值。

步骤322：对A相一个月内同一时间段数据做同样分析，并记录U₁、U₂、U₃、U₄值；

步骤323：利用熵权法确定U₁、U₂、U₃、U₄权重，具体如下：

信息矩阵如下：

其中，U_ij(i＝1,2…,30,j＝1,2,3,4)表示第i天时第j个电压指标的数值；

第j个电压指标下第i天时A_i的贡献度：

所有方案对属性U_j的贡献总量：其中K＝1/ln30；

各电压指标权重：

步骤324：负荷波动时段A相背景谐波电压为：

步骤325：背景谐波电压的滑动更新，每采集到新的一天的样本值，顺序将最早采集到的样本值去掉，利用一个月的滑动采样值重复上述步骤，对该铁路专线背景谐波电压进行更新。

步骤33：监测点F处背景不平衡度计算，对三相谐波电流数据进行分析，若三相负荷变化均平稳，此时，系统中的三相不平衡全部由系统侧产生，三相不平衡度计算参考IEC61000-4-30推荐方法，具体如下：

其中，U_ab、U_bc、U_ca分别为三相线电压。

至少一相负荷存在波动，如附图5所示将系统和用户都等效为负序阻抗和恒定的负序电流源并联，根据附图5，忽略负序相互作用，背景负序近似计算如下：

U_N＝Z_NU(J_NU+I_N)

联立得，

其中，J_NU为系统侧等值负序电流源；Z_NU、Z_NC分别为系统侧和用户侧等值负序阻抗；U_N、I_N分别为PCC点负序电压和负序电流；U_NU、I_NU为系统等值负序电流源单独作用时PCC点的负序电压、负序电流。

由系统侧引起的三相不平衡度为：

其中，U_PU为电压正序分量。

步骤4：若变电站F处负荷为非间歇性负荷，其背景谐波评估方法与在变电站A处设有监测点时的情况相同。

Claims (5)

1.一种变电站背景谐波评估方法，其特征在于,所述方法根据设在母线短路容量较大的变电站母线处和在重要负荷出线上的监测点数目及所带负荷不同，分为两种情况，具体为

1)只在变电站A处设有监测点，步骤如下：

步骤11、获取A点监测数据；

步骤12、对A点监测数据进行分析，根据A点负荷变化情况计算背景谐波；

步骤13、对一个月监测数据做同样分析，计算同一时段背景谐波电压，取其平均值作为该时段背景谐波电压；

步骤14、对A点背景谐波电压进行更新；

2)变电站A及重要负荷出线F处均设有监测点，步骤如下：

步骤21、获取A、F处监测点的电压、电流数据；

步骤22、根据步骤1)计算A处监测点背景谐波电压；

步骤23、若F处负荷为电气化铁路等间歇性冲击负荷，对其负荷变化平稳时段与负荷波动时段分时段进行背景谐波、负序评估；

步骤24、若F处负荷为非间歇性负荷，采用步骤1)的方法计算背景谐波。

2.权利要求1所述的一种变电站背景谐波评估方法，其特征在于,所述步骤12中对A点监测数据进行分析，包括将一天时间按每小时进行划分，计算每小时监测数据的变异系数CV；

$CV=\frac{\sqrt{\frac{1}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{(I_k-\mathrm{\&mu;})}^2}}{\mathrm{\&mu;}}\&times;100\%$

其中，CV为1h采样值的变异系数，N为1h采样点数，I_k为第k个采样点电流幅值，μ为1h采样值平均值，即

若CV≥α，则认为该时段负荷存在较大波动；若CV<α，则认为该时段负荷波动较小；若存在连续n个CV≥α时间段，定义这n小时为一个负荷波动时间段，同理，若存在连续n个CV<α时间段，定义这n小时为一个负荷变化平稳时间段，n≥1；α为变异系数阈值，取值为10％。

3.权利要求1所述的一种变电站背景谐波评估方法，其特征在于,所述步骤12中根据A点负荷变化情况计算背景谐波具体为对于负荷波动时间段利用主导波动量法计算系统背景谐波；对负荷变化平稳时间段，若n<3，背景谐波电压通过两侧负荷波动时间段已得到的背景谐波电压取其加权平均值计算，即

U＝aU_l+bU_r

其中，a+b＝1，a、b由两侧负荷波动情况决定，若波动较大则赋予较大权值；U为负荷变化平稳时间段背景谐波电压；U_l、U_r分别表示负荷变化平稳时间段左右两侧负荷波动时间段背景谐波电压；

对负荷变化平稳时间段，n≥3时，负荷在较长时间内变化平稳，此时寻找与A站电气距离相近且负荷存在一定波动的B站，根据A、B两站之间关系求取该时段系统背景谐波电压，具体如下：

步骤241、寻找与A站电气距离相近且负荷存在一定波动的B站；

步骤242、根据监测点B获取到的电压、电流数据，利用现有方法(如主导波动量法)计算B点系统侧h次谐波阻抗Z_Bsh及系统侧h次谐波电压U_Bsh；

步骤243、忽略线路阻抗，近似计算A点系统侧h次谐波阻抗，具体如下：

Z_Ash＝Z_Bsh-Z_Ch+Z_Dh

其中，Z_Ash、Z_Bsh分别为A、B两监测点系统侧等值h次谐波阻抗；Z_Ch、Z_Dh分别为变压器C、D的h次谐波阻抗值；

步骤244、计算A点背景谐波电压，具体如下：

U_Ash＝I_AchZ_Ash+U_Ach

其中，U_Ash-A点系统侧h次谐波电压；U_Ach-监测点A处h次谐波电压；I_Ach-监测点A处h次谐波电流；Z_Ash-A点系统侧等值h次谐波阻抗。

4.权利要求1所述的一种变电站背景谐波评估方法，其特征在于,步骤23的具体过程为

步骤31、对监测点F谐波电流数据进行分析，若负荷变化平稳，此时系统谐波由常规负荷引起，该时段监测所得谐波电压方均根值即为系统背景谐波电压；

步骤32、若负荷波动较大，线路上有电力机车运行，计算系统背景谐波电压：

步骤321、负荷波动时段背景谐波电压不仅与其两侧负荷变化平稳时段背景谐波电压有关，考虑到电气化铁路负荷的三相不对称性，某一相负荷波动时段背景谐波电压还可能和其他两相背景谐波电压有关；当其他两相对应时段负荷变化平稳时，一定程度上可以用这两相背景谐波电压求取该相背景谐波电压，但若对应时段负荷波动较大，则不考虑；以A相某一负荷波动时间段背景谐波计算为例，记两侧负荷变化平稳时段及对应时段其他两相背景谐波电压分别为U₁、U₂、U₃、U₄，其中，若其他两相负荷变化平稳，则U₃、U₄即为该时段监测所得谐波电压数据方均根值，反之，U₃、U₄记为零；

步骤322、对A相一个月内同一时间段数据做同样分析，并记录U₁、U₂、U₃、U₄值；

步骤323、利用熵权法确定U₁、U₂、U₃、U₄权重，具体如下：

信息矩阵如下：

$M={\left(U_{ij}\right)}_{30\&times;4}=\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ .\\ .\\ .\\ A_{30}\end{array}\left[\begin{array}{cccc}{U}_{11}& U_{12}& U_{13}& U_{14}\\ U_{21}& U_{22}& U_{23}& U_{24}\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ .& .& .& .\\ U_{301}& U_{302}& U_{303}& U_{304}\end{array}\right]$

其中，U_ij(i＝1,2…,30,j＝1,2,3,4)表示第i天时第j个电压指标的数值；

第j个电压指标下第i天时A_i贡献度：

所有方案对属性U_j的贡献总量：其中K＝1/ln30；

各电压指标权重：

步骤324、负荷波动时间段背景谐波电压为：

$U_A=\underset{j=1}{\overset{4}{\&Sigma;}}{w}_j{U}_j$

步骤325、背景谐波电压的滑动更新，每采集到新的一天的样本值，顺序将最早采集到的样本值去掉，利用一个月的滑动采样值重复步骤321～步骤324，对该铁路专线背景谐波电压进行更新；

步骤33、监测点F处背景不平衡度计算，对谐波电流数据进行分析，若三相负荷同时变化平稳，此时，系统中的三相不平衡全部由系统侧产生，三相不平衡度计算参考IEC61000-4-30推荐方法，具体如下：

$\mathrm{\&epsiv;}=\sqrt{\frac{1-\sqrt{3-6L}}{1+\sqrt{3-6L}}}\&times;100\%$

其中，其中U_ab、U_bc、U_ca分别为三相线电压；

若至少一相存在负荷波动，忽略负序相互作用，背景负序近似计算如下：

$I_{NU}=\frac{Z_{NU}}{Z_{NU}+Z_{NC}}{J}_{NU}$

$U_{NU}=\frac{Z_{NU}{Z}_{NC}}{Z_{NU}+Z_{NC}}{J}_{NU}$

U_N＝Z_NU(J_NU+I_N)

得，

$U_{NU}=Z_{NC}\left(\frac{U_N-Z_{NU}{I}_N}{Z_{NU}+Z_{NC}}\right)$

其中，J_NU为系统侧等值负序电流源；Z_NU、Z_NC分别为系统侧和用户侧等值负序阻抗；U_N、I_N分别为PCC点负序电压和负序电流；U_NU、I_NU为系统等值负序电流源单独作用时PCC点的负序电压、负序电流；

由系统侧引起的不平衡度为：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{U_{NU}}{U_{PU}}$

其中，U_PU为电压正序分量。

5.权利要求1所述的一种变电站背景谐波评估方法，其特征在于,所述的对A点背景谐波电压滑动更新，即采集到新的一天的样本值后，顺序将最早采集的样本值去除，然后利用一个月的滑动采样值进行数据分析，对A点背景谐波电压进行更新。