CN107167659B - 含背景谐波电压的谐波责任区分方法 - Google Patents

含背景谐波电压的谐波责任区分方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含背景谐波电压的谐波责任区分方法，包括步骤：一、采集配电网公共连接PCC点处电压电流信号以及用户馈线首端处的电流信号；二、获取采集信号的谐波成分；三、计算配电网公共连接PCC点处各次谐波的集总功率和集总有功功率；四、配电网公共连接PCC点处各次谐波的筛选分离；五、获取配电网公共连接PCC点处的集总等效电导和谐波等效电导；六、分别计算背景谐波三相电流；七、计算用户侧馈线首端处各次谐波的集总功率和集总有功功率；八、用户侧馈线首端处各次谐波的筛选分离；九、分别计算第M个用户侧馈线首端处三相谐波电流；十、谐波责任区分。本发明可将谐波责任精确定位到各用户，并准确计算出各用户谐波的含量及成分，公平处罚。

Description

含背景谐波电压的谐波责任区分方法
技术领域
本发明属于谐波责任区分技术领域，具体涉及一种含背景谐波电压的谐波责任区分方法。
背景技术
近年来，太阳能发电、风力发电等分布式电源直接接入配电网，给配电网带来了新的谐波问题，使得配电网系统侧的背景谐波电压增大，而现有的谐波责任区分方法未考虑到背景谐波电压，这会导致在进行谐波责任量化时存在较大误差。大量的含电力电子器件的设备接入配电网，也使得供电电流发生畸变，谐波污染日趋严重。谐波电流使得配电网电能损耗大幅增加，电气设备过热而寿命缩短，甚至发生危险的谐振过电压，严重影响供电的安全性、可靠性，已成为了配电网的一大公害。由于谐波用户数量较多、类型复杂，而不同谐波用户产生的谐波电流存在较强的耦合性，如何准确区分电力公司及用户的谐波责任，是当前智能电网的一大研究热点。现有的谐波责任区分方法主要分为三类。第一类是配电网公共连接点(Point of Common Coupl ing,PCC)处的谐波责任区分，该类方法定性地分析系统侧和用户侧谁负主要谐波责任，而无法明确公共连接点两侧各自的谐波含量及谐波成分，尤其是在公共连接点两侧谐波贡献率接近时，会掩盖另一方的谐波责任，相关的研究方法包括谐波功率法、谐波阻抗法、负荷参数法。第二类是分布式多母线系统的谐波责任区分，即多公共连接点网络，主要采用状态估计理论来确定谐波源位于哪条母线系统中，计算时需准确掌握网络结构、谐波阻抗以及系统的谐波成分，而实际应用中很难获取相关数据。第三类是负荷阻抗法，该方法只能定性判断用户是否为谐波源，而无法确定用户的谐波含量及谐波成分。每个PCC点接有多个用户，根据我国“谁污染，谁治理”的谐波管理原则，谐波责任应准确定位到用户，而不仅仅是只区分到系统侧和用户侧。因为PCC点谐波电流水平无法代表各用户谐波的真实水平，这会导致电能质量纠纷和谐波责任不清，当发生电能质量问题时，无法进行责任处罚。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种含背景谐波电压的谐波责任区分方法，在发生电能质量问题时，区分到系统侧和用户侧，可将谐波责任精确定位到各用户，并准确计算出各用户谐波的含量及成分，公平的进行责任处罚，避免电能质量纠纷和谐波责任不清的问题，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：含背景谐波电压的谐波责任区分方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采集配电网公共连接PCC点处电压电流信号以及用户馈线首端处的电流信号：采集配电网公共连接PCC点的A相电压uPA(t)、B相电压uPB(t)、C相电压uPC(t)，采集配电网公共连接PCC点的A相电流iPA(t)、B相电流iPB(t)、C相电流iPC(t)，通过馈线电流互感器组分别采集配电网m个用户侧馈线首端处三相电流iM.A(t)、iM.B(t)、iM.C(t)，其中，m和M均为正整数且M＝1,2，…，m；
步骤二、获取采集信号的谐波成分：采用傅里叶变换分别提取uPA(t)、uPB(t)和uPC(t)的各个谐波分量的相量，得到和采用傅里叶变换分别提取iPA(t)、iPB(t)和iPC(t)的各个谐波分量的相量，得到和同时采用傅里叶变换分别提取iM.A(t)、iM.B(t)和iM.C(t)的各个谐波分量的相量，得到和k为除基波外的谐波次数且k归为集合Nk；
步骤三、计算配电网公共连接PCC点处各次谐波的集总功率和集总有功功率，过程如下：
步骤301、根据公式计算PCC点x次谐波的集总功率SP.x，其中，x∈Nk，为的共轭，为的共轭，为的共轭；
步骤302、根据公式计算PCC点x次谐波的集总有功功率PP.x；
步骤303、多次循环步骤301至步骤302，获取集合Nk内各次谐波的集总功率和集总有功功率；
步骤四、配电网公共连接PCC点处各次谐波的筛选分离：通过PP.x对各次谐波进行筛选分离，当PP.x≥0时，x∈ND；当PP.x<0时，其中，
步骤五、获取配电网公共连接PCC点处的集总等效电导和谐波等效电导，过程如下：
步骤501、根据公式计算PCC点处的集总等效电导GP.e，||uP.x||为PCC点的x次谐波的集总电压有效值且UPA.x为PCC点A相电压的x次谐波相量的有效值，UPB.x为PCC点B相电压的x次谐波相量的有效值，UPC.x为PCC点C相电压的x次谐波相量的有效值；
步骤502、根据公式计算PCC点的x次谐波等效电导GP.x，其中，x∈ND；
步骤503、多次循环步骤502，获取集合ND内各次谐波的等效电导；
步骤六、根据公式分别计算背景谐波A相电流背景谐波B相电流背景谐波C相电流
步骤七、计算用户侧馈线首端处各次谐波的集总功率和集总有功功率，过程如下：
步骤701、根据公式计算第M个用户侧馈线首端处y次谐波的集总功率SLM.y，其中，y∈Nk，为的共轭，为的共轭，为的共轭；
步骤702、根据公式计算第M个用户侧馈线首端处y次谐波的集总有功功率
步骤703、多次循环步骤701至步骤702，获取集合Nk内每个用户侧馈线首端处各次谐波的集总功率和集总有功功率；
步骤八、用户侧馈线首端处各次谐波的筛选分离：通过对用户侧馈线首端处各次谐波进行筛选分离，当时，y∈NL；当时，其中，
步骤九、根据公式分别计算第M个用户侧馈线首端处A相谐波电流B相谐波电流和C相谐波电流
步骤十、谐波责任区分：根据公式分别计算电网侧谐波责任ZP和各用户侧谐波责任其中，Is为三相背景谐波电流中任意一相背景谐波电流的有效值，IM.v为第M个用户侧馈线首端三相谐波电流中任意一相谐波电流的有效值。
上述的含背景谐波电压的谐波责任区分方法，其特征在于：步骤一中通过母线电压互感器一采集配电网公共连接PCC点的A相电压uPA(t)，通过母线电压互感器二采集配电网公共连接PCC点的B相电压uPB(t)，通过母线电压互感器三采集配电网公共连接PCC点的C相电压uPC(t)，通过母线电流互感器一采集配电网公共连接PCC点的A相电流iPA(t)，通过母线电流互感器二采集配电网公共连接PCC点的B相电流iPB(t)，通过母线电流互感器三采集配电网公共连接PCC点的C相电流iPC(t)。
上述的含背景谐波电压的谐波责任区分方法，其特征在于：步骤一中馈线电流互感器组的数量为m个。
上述的含背景谐波电压的谐波责任区分方法，其特征在于：还包括分布式电源和处理器，所述分布式电源设置在配电网母线上，所述处理器上连接有存储器、通信模块和显示器，母线电压互感器一的信号输出端、母线电压互感器二的信号输出端、母线电压互感器三的信号输出端、母线电流互感器一的信号输出端、母线电流互感器二的信号输出端、母线电流互感器三的信号输出端和馈线电流互感器组的信号输出端均与处理器的信号输入端相接。
上述的含背景谐波电压的谐波责任区分方法，其特征在于：所述分布式电源通过变压器与上级配电网连接。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采集配电网公共连接PCC点的三相电压和三相电流，同时通过馈线电流互感器组分别采集配电网m个用户侧馈线首端处三相电流，无需准确掌握网络结构、谐波阻抗，获取相关数据简单快捷，投入成本低，便于推广使用。
2、本发明通过对采集的信号进行傅里叶变换，分别提取各个谐波分量的相量，通过配电网公共连接PCC点处各次谐波的集总功率和集总有功功率明确公共连接点处的谐波含量及谐波成分，通过用户侧馈线首端处各次谐波的集总功率和集总有功功率明确公共连接点另一侧的谐波含量及谐波成分，精确定位到各用户，可靠稳定，使用效果好。
3、本发明方法步骤简单，通过计算配电网公共连接PCC点处的集总等效电导和谐波等效电导，获取背景谐波三相电流；通过用户侧馈线首端处各次谐波电流的累加获取最终的用户侧馈线首端处三相谐波电流，统一通过电流值公平的进行责任处罚，避免电能质量纠纷和谐波责任不清的问题，标准统一。
综上所述，本发明可明确公共连接点两侧各自的谐波含量及谐波成分，无需准确掌握网络结构、谐波阻抗，获取相关数据简单快捷，在发生电能质量问题时，区分到系统侧和用户侧，可将谐波责任精确定位到各用户，并准确计算出各用户谐波的含量及成分，公平的进行责任处罚，避免电能质量纠纷和谐波责任不清的问题，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明采用的配电接线图。
图2为本发明的电路原理框图。
图3为本发明谐波责任区分方法的方法流程框图。
图4为本实施例PCC点的A相电压波形图。
图5为本实施例PCC点的A相电流波形图。
图6为图4的频谱图。
图7为图5的频谱图。
图8为背景谐波电流波形图。
图9为图8的频谱图。
图10为本实施例配电网第1个用户侧馈线首端处A相观测电流的频谱图。
图11为本实施例配电网第2个用户侧馈线首端处A相观测电流的频谱图。
图12为本实施例配电网第3个用户侧馈线首端处A相观测电流的频谱图。
图13为本实施例配电网第4个用户侧馈线首端处A相观测电流的频谱图。
图14为本实施例配电网第5个用户侧馈线首端处A相观测电流的频谱图。
图15为图10的谐波电流波形图。
图16为图15的频谱图。
图17为图12的谐波电流波形图。
图18为图17的频谱图。
附图标记说明:
1—上级配电网； 2—分布式电源； 3—母线电压互感器一；
4—母线电压互感器二； 5—母线电压互感器三； 6—母线电流互感器一；
7—母线电流互感器二； 8—母线电流互感器三； 9—处理器；
10—馈线电流互感器组； 11—存储器；
12—通信模块； 13—显示器。
具体实施方式
如图1至图3所示，本发明的含背景谐波电压的谐波责任区分方法，包括以下步骤：
步骤一、采集配电网公共连接PCC点处电压电流信号以及用户馈线首端处的电流信号：采集配电网公共连接PCC点的A相电压uPA(t)、B相电压uPB(t)、C相电压uPC(t)，采集配电网公共连接PCC点的A相电流iPA(t)、B相电流iPB(t)、C相电流iPC(t)，通过馈线电流互感器组10分别采集配电网m个用户侧馈线首端处三相电流iM.A(t)、iM.B(t)、iM.C(t)，其中，m和M均为正整数且M＝1,2，…，m；
本实施例中，步骤一中通过母线电压互感器一3采集配电网公共连接PCC点的A相电压uPA(t)，通过母线电压互感器二4采集配电网公共连接PCC点的B相电压uPB(t)，通过母线电压互感器三5采集配电网公共连接PCC点的C相电压uPC(t)，通过母线电流互感器一6采集配电网公共连接PCC点的A相电流iPA(t)，通过母线电流互感器二7采集配电网公共连接PCC点的B相电流iPB(t)，通过母线电流互感器三8采集配电网公共连接PCC点的C相电流iPC(t)。
本实施例中，步骤一中馈线电流互感器组10的数量为m个。
本实施例中，还包括分布式电源2和处理器9，所述分布式电源2设置在配电网母线上，所述处理器9上连接有存储器11、通信模块12和显示器13，母线电压互感器一3的信号输出端、母线电压互感器二4的信号输出端、母线电压互感器三5的信号输出端、母线电流互感器一6的信号输出端、母线电流互感器二7的信号输出端、母线电流互感器三8的信号输出端和馈线电流互感器组10的信号输出端均与处理器9的信号输入端相接。
本实施例中，所述分布式电源2通过变压器与上级配电网1连接。
需要说明的是，本实施例中，m取5，通过母线电压互感器和母线电流互感器采集配电网公共连接PCC点的三相电压和三相电流，同时通过馈线电流互感器组10分别采集配电网m个用户侧馈线首端处三相电流，无需准确掌握网络结构、谐波阻抗，获取相关数据简单快捷，投入成本低，每个馈线电流互感器组10均包括馈线电流互感器一、馈线电流互感器二和馈线电流互感器三，分别采集用户侧馈线首端处A相电流、B相电流和C相电流。
需要说明的是，配电网三相电压、配电网三相电流和用户侧馈线首端处三相电流均三相平衡对称，配电网三相电压各相电压幅值近似且相位相互之间相差相等，配电网三相电流各相电流幅值近似且相位相互之间相差相等，用户侧馈线首端处三相电流各相电流幅值近似且相位相互之间相差相等，本实施例中，以配电网A相电压和A相电流，以及用户侧馈线首端处A相电流为例，如图4所示，母线电压互感器一3采集的PCC点的A相电压送入处理器9，经显示器13显示，如图5所示，母线电流互感器一6采集的PCC点的A相电流送入处理器9，经显示器13显示。
步骤二、获取采集信号的谐波成分：采用傅里叶变换分别提取uPA(t)、uPB(t)和uPC(t)的各个谐波分量的相量，得到和采用傅里叶变换分别提取iPA(t)、iPB(t)和iPC(t)的各个谐波分量的相量，得到和同时采用傅里叶变换分别提取iM.A(t)、iM.B(t)和iM.C(t)的各个谐波分量的相量，得到和k为除基波外的谐波次数且k归为集合Nk；
需要说明的是，由于在PCC点处，各用户谐波电流存在较强的耦合性，致使观测到的谐波电流大小及成分并不代表各用户发射的真实谐波水平，非谐波源用户所在的馈线也能观测到谐波，基波的频率为50Hz，谐波频率为基波频率整数倍，如图6所示，对PCC点的A相电压进行傅里叶变换，观测到PCC点的A相电压的除基波外的谐波次数分别为5,7,9,11。如图7所示，对PCC点的A相电流进行傅里叶变换，观测到PCC点的A相电流的除基波外的谐波次数分别为5,7,9,11。因此，本实施例中k取5,7,9,11，集合Nk为{5,7,9,11}。
步骤三、计算配电网公共连接PCC点处各次谐波的集总功率和集总有功功率，过程如下：
步骤301、根据公式计算PCC点x次谐波的集总功率SP.x，其中，x∈Nk，为的共轭，为的共轭，为的共轭；
步骤302、根据公式计算PCC点x次谐波的集总有功功率PP.x；
步骤303、多次循环步骤301至步骤302，获取集合Nk内各次谐波的集总功率和集总有功功率；
需要说明的是，由于PCC点测试的电压和电流信号中含有5次、7次、9次和11次谐波，对PCC点谐波的集总有功功率进行计算得：
步骤四、配电网公共连接PCC点处各次谐波的筛选分离：通过PP.x对各次谐波进行筛选分离，当PP.x≥0时，x∈ND；当PP.x<0时，其中，
需要说明的是，本实施例中，对PCC点谐波的集总有功功率进行计算可知，PP.5≥0，表明5次谐波为背景谐波，因此，本实施例中x取5，集合ND为{5}。
步骤五、获取配电网公共连接PCC点处的集总等效电导和谐波等效电导，过程如下：
步骤501、根据公式计算PCC点处的集总等效电导GP.e，||uP.x||为PCC点的x次谐波的集总电压有效值且UPA.x为PCC点A相电压的x次谐波相量的有效值，UPB.x为PCC点B相电压的x次谐波相量的有效值，UPC.x为PCC点C相电压的x次谐波相量的有效值；
步骤502、根据公式计算PCC点的x次谐波等效电导GP.x，其中，x∈ND；
步骤503、多次循环步骤502，获取集合ND内各次谐波的等效电导；
需要说明的是，计算PCC点处的集总等效电导GP.e以及基波等效电导得：
等效电导 基波等效电导 G<sub>P.x</sub> G<sub>P.e</sub>
值/S 0.0496 0.0067 0.0496
步骤六、根据公式分别计算背景谐波A相电流背景谐波B相电流背景谐波C相电流
需要说明的是，分布式电源2引入系统的是背景谐波电压。如图8和图9所示，本发明计算得到的是分布式电源的背景谐波电流，该背景谐波电流是由背景谐波电压产生，实现了将背景谐波电压转为谐波电流的目的。
步骤七、计算用户侧馈线首端处各次谐波的集总功率和集总有功功率，过程如下：
步骤701、根据公式计算第M个用户侧馈线首端处y次谐波的集总功率其中，y∈Nk，为的共轭，为的共轭，为的共轭；
步骤702、根据公式计算第M个用户侧馈线首端处y次谐波的集总有功功率
步骤703、多次循环步骤701至步骤702，获取集合Nk内每个用户侧馈线首端处各次谐波的集总功率和集总有功功率；
需要说明的是，本实施例中，如图10至图14所示，采用快速傅里叶变换对各用户侧馈线首端处的电流信号进行频谱分析，谐波电流在不同用户间存在较强的耦合性，由于线路阻抗的影响，谐波电流会流向配电网的各条线路，致使用户谐波责任无法准确区分，对每个用户侧馈线首端处各次谐波的集总有功功率进行计算得：
步骤八、用户侧馈线首端处各次谐波的筛选分离：通过对用户侧馈线首端处各次谐波进行筛选分离，当时，y∈NL；当时，
其中，
需要说明的是，本实施例中，对每个用户侧馈线首端处各次谐波的集总有功功率进行计算可知，第1个用户馈线首端处的7次谐波的集总有功功率第3个用户馈线首端处的9次谐波的集总有功功率第3个用户馈线首端处的11次谐波的集总有功功率表明7次谐波、9次谐波、11次谐波是由用户产生的，因此，本实施例中y取7、9、11，集合NL为{7,9,11}。
步骤九、根据公式分别计算第M个用户侧馈线首端处A相谐波电流B相谐波电流和C相谐波电流
需要说明的是，计算背景谐波A相电流以及用户侧馈线首端处A相谐波电流得：
本实施例中，第1个用户侧馈线首端处A相谐波电流有效值I1.A.v＝9.7A，第3个用户侧馈线首端处A相谐波电流有效值
步骤十、谐波责任区分：根据公式分别计算电网侧谐波责任ZP和各用户侧谐波责任其中，Is为三相背景谐波电流中任意一相背景谐波电流的有效值，IM.v为第M个用户侧馈线首端三相谐波电流中任意一相谐波电流的有效值。
需要说明的是，如图15和图16所示，第1个用户引入7次谐波电流，如图17和图18所示，第3个用户引入9次谐波电流和11次谐波电流，在电流这同一基准下，明确了供电公司、所有用户的谐波责任，可推进电力市场化的“以质定价和谐波奖惩性方案”的实施，为降低电能损耗和谐波治理提供了科学依据。
本实施例中，电网侧谐波责任第1个用户谐波责任第3个用户谐波责任定量计算出的配电网电网侧及各用户的谐波电流值，实现了含背景谐波电压的谐波源定位及定量责任区分。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (3)

1.含背景谐波电压的谐波责任区分方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、采集配电网公共连接PCC点处电压电流信号以及用户馈线首端处的电流信号：采集配电网公共连接PCC点的A相电压uPA(t)、B相电压uPB(t)、C相电压uPC(t)，采集配电网公共连接PCC点的A相电流iPA(t)、B相电流iPB(t)、C相电流iPC(t)，通过馈线电流互感器组(10)分别采集配电网m个用户侧馈线首端处三相电流iM.A(t)、iM.B(t)、iM.C(t)，其中，m和M均为正整数且M＝1,2，…，m；
步骤二、获取采集信号的谐波成分：采用傅里叶变换分别提取uPA(t)、uPB(t)和uPC(t)的各个谐波分量的相量，得到和采用傅里叶变换分别提取iPA(t)、iPB(t)和iPC(t)的各个谐波分量的相量，得到和同时采用傅里叶变换分别提取iM.A(t)、iM.B(t)和iM.C(t)的各个谐波分量的相量，得到和k为除基波外的谐波次数且k归为集合Nk；
步骤三、计算配电网公共连接PCC点处各次谐波的集总功率和集总有功功率，过程如下：
步骤301、根据公式计算PCC点x次谐波的集总功率SP.x，其中，x∈Nk，为的共轭，为的共轭，为的共轭；
步骤302、根据公式计算PCC点x次谐波的集总有功功率PP.x；
步骤303、多次循环步骤301至步骤302，获取集合Nk内各次谐波的集总功率和集总有功功率；
步骤四、配电网公共连接PCC点处各次谐波的筛选分离：通过PP.x对各次谐波进行筛选分离，当PP.x≥0时，x∈ND；当PP.x<0时，其中，
步骤五、获取配电网公共连接PCC点处的集总等效电导和谐波等效电导，过程如下：
步骤501、根据公式计算PCC点处的集总等效电导GP.e，||uP.x||为PCC点的x次谐波的集总电压有效值且UPA.x为PCC点A相电压的x次谐波相量的有效值，UPB.x为PCC点B相电压的x次谐波相量的有效值，UPC.x为PCC点C相电压的x次谐波相量的有效值；
步骤502、根据公式计算PCC点的x次谐波等效电导GP.x，其中，x∈ND；
步骤503、多次循环步骤502，获取集合ND内各次谐波的等效电导；
步骤六、根据公式分别计算背景谐波A相电流背景谐波B相电流背景谐波C相电流
步骤七、计算用户侧馈线首端处各次谐波的集总功率和集总有功功率，过程如下：
步骤701、根据公式计算第M个用户侧馈线首端处y次谐波的集总功率其中，y∈Nk，为的共轭，为的共轭，为的共轭；
步骤702、根据公式计算第M个用户侧馈线首端处y次谐波的集总有功功率
步骤703、多次循环步骤701至步骤702，获取集合Nk内每个用户侧馈线首端处各次谐波的集总功率和集总有功功率；
步骤八、用户侧馈线首端处各次谐波的筛选分离：通过对用户侧馈线首端处各次谐波进行筛选分离，当时，y∈NL；当时，其中，
步骤九、根据公式分别计算第M个用户侧馈线首端处A相谐波电流B相谐波电流和C相谐波电流
步骤十、谐波责任区分：根据公式分别计算电网侧谐波责任ZP和各用户侧谐波责任其中，Is为三相背景谐波电流中任意一相背景谐波电流的有效值，IM.v为第M个用户侧馈线首端三相谐波电流中任意一相谐波电流的有效值。
2.按照权利要求1所述的含背景谐波电压的谐波责任区分方法，其特征在于：步骤一中通过母线电压互感器一(3)采集配电网公共连接PCC点的A相电压uPA(t)，通过母线电压互感器二(4)采集配电网公共连接PCC点的B相电压uPB(t)，通过母线电压互感器三(5)采集配电网公共连接PCC点的C相电压uPC(t)，通过母线电流互感器一(6)采集配电网公共连接PCC点的A相电流iPA(t)，通过母线电流互感器二(7)采集配电网公共连接PCC点的B相电流iPB(t)，通过母线电流互感器三(8)采集配电网公共连接PCC点的C相电流iPC(t)。
3.按照权利要求1所述的含背景谐波电压的谐波责任区分方法，其特征在于：步骤一中馈线电流互感器组(10)的数量为m个。
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