CN108845194A - 基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法，包括以下步骤：步骤10)采集谐波实测数据：采集谐波电压幅值和谐波电流幅值数据，形成谐波幅值数据序列；步骤20)设置滑动窗口参数：分别设置滑动窗口长度和滑动距离；步骤30)计算峰度值并筛选子序列：对所述步骤10)形成的谐波幅值数据序列按滑动窗口顺序计算谐波电压幅值与谐波电流幅值的峰度值，筛选出峰度值不等于期望值的子序列；步骤40)计算谐波电压责任：通过波动量法估算筛选出的子序列的系统侧等效谐波阻抗，并计算谐波电压责任。该方法仅需要监测谐波的幅值数据就能对谐波污染责任进行量化，运算量较小，便于工程应用，为谐波治理及制定奖惩机制提供帮助。

Description

基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法

技术领域

本发明属于电能质量监控与分析技术领域，具体来说，涉及一种基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法。

背景技术

随着智能电网的飞速发展，各种冲击性、非线性负荷及风电、光伏等新能源大规模地接入电网，导致电网中的波形产生了严重畸变。谐波迅速由局部地区向整个电网扩散，对系统的安全稳定运行带来巨大危害，同时现代电力用户对电能质量的要求逐步提高，日益突出的谐波问题大大影响了其经济效益。

为了有效抑制电网中的谐波，需要对谐波污染进行经济性评估并制定奖惩机制，而实现这一奖惩机制的前提是准确合理地量化各谐波源的谐波污染责任。目前，谐波责任量化的研究归结为系统谐波阻抗的估算。由于“非干预式”方法无需改变系统的运行状态，直接利用公共连接点(point of common coupling，PCC)量测的谐波数据即可估算谐波阻抗的数值，因此这种方法成为目前谐波责任量化领域的主要研究方向。

线性方程回归法和波动量法是两类主要的“非干预式”方法。线性方程回归法基于PCC的谐波电压与谐波电流的线性方程模型来估算谐波阻抗，包括了二元线性回归方法、稳健回归法、偏最小二乘回归法、复线性最小二乘法等。由于系统的背景谐波存在随机地波动，线性方程回归法往往会存在较大的计算误差，并且方程的求解运算量较大。波动量法通过计算PCC的谐波电压与电流波动量的比值来估计谐波阻抗数值。已有方法集中在谐波的复数域，而目前变电站配置的谐波监测系统难以准确直接测试到各次谐波的相角数值，因此需考虑如何利用谐波幅值数据实现谐波责任划分。

发明内容

技术问题：本发明提供一种保证了系统侧等效谐波阻抗估算的准确性，减少了背景谐波波动对计算结果影响的基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法。

技术方案：本发明的基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法，包括以下步骤：

步骤10)采集谐波实测数据，形成谐波幅值数据序列，所述谐波实测数据包括采集谐波电压幅值和谐波电流幅值数据；

步骤20)设置滑动窗口参数，所述滑动窗口W的参数包括滑动窗口长度N和滑动距离D；

步骤30)计算峰度值并筛选子序列：对所述步骤10)形成的谐波幅值数据序列按滑动窗口顺序计算谐波电压幅值与谐波电流幅值的峰度值，筛选出峰度值不等于期望值的子序列；

步骤40)通过波动量法估算筛选出的子序列的系统侧等效谐波阻抗，并计算测量时段内的谐波电压责任。

进一步的，本发明中，所述的步骤10)具体包括：利用谐波监测装置，采集公共连接点在监测时段内的谐波电压幅值和谐波电流幅值两个谐波数据，并将两个谐波实测数据形成如下式所示的谐波幅值数据序列：

U_PCC(1)，I_PCC(1)

U_PCC(2)，I_PCC(2)

M

U_PCC(m)，I_PCC(m) (1)

式中，U_PCC(1)和I_PCC(1)分别表示序列中第1个谐波电压幅值和谐波电流幅值数据；U_PCC(2)和I_PCC(2)分别表示序列中第2个谐波电压幅值和谐波电流幅值数据；U_PCC(m)和I_PCC(m)分别表示序列中第m个谐波电压幅值和谐波电流幅值数据；m表示谐波幅值数据序列长度。

进一步的，本发明中，所述的步骤30)具体包括：

步骤301)滑动窗口W从谐波幅值数据序列的第1个元素开始，针对滑动窗口W覆盖的谐波电压幅值数据序列x_U＝{x_U(n)：n＝1，2，……，N}和谐波电流幅值数据序列x_I＝{x_I(n)：n＝1，2，……，N}，利用下式分别计算该谐波电压幅值数据序列和谐波电流幅值数据序列的无偏估计G_U与G_I：

式中，G_U与G_I为x_U和x_I的无偏估计，x_U(n)和x_I(n)分别为x_U和x_I中的第n个元素，和分别是x_U的平均值和标准差；和分别是x_I的平均值和标准差；

步骤302)根据下式确定该滑动窗口覆盖的x_U和x_I的峰度值K_u-U和K_u-I：

式中，K_u-U和K_u-I分别为x_U和x_I的峰度值，E(G_U)和E(G_I)为G_U和G_I的期望值；var(G_U)和var(G_I)为G_U和G_I的方差；q_U和q_I为G_U和G_I的置信区间，上述参数取值为：

步骤303)判断滑动窗口W是否覆盖了整个监测时段，若不是则该滑动窗口W向后移动滑动距离D，返回步骤301)，若是则筛选出K_u-U≠E(G_U)且K_u-I≠E(G_I)所对应W的子序列。

进一步的，本发明方法中，步骤40)中根据下式确定系统侧等效谐波阻抗：

式中，|Z_S|cosθ为系统侧等效谐波阻抗；ΔU_PCC和ΔI_PCC分别为公共连接点谐波电压幅值和谐波电流幅值的波动量。

进一步的，本发明方法中，步骤40)中根据下式计算测量时段内的谐波电压责任：

式中，T_C为谐波电压责任。

本发明方法首先建立起公共连接点处谐波电压与谐波电流的幅值波动量模型。为提取出有效的波动量，通过峰度检测对谐波数据进行滑动分析，筛选出关注时间内的谐波电压与电流同步波动的子序列。利用波动量比值计算出系统侧等效谐波阻抗，进而确定用户侧的谐波电压责任。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

传统波动量法需要采集谐波相角数据进行谐波责任量化，但实际工程中谐波相角数据难以准确测量，本发明方法将传统波动量法扩展到幅值域，数据需求满足工程要求；利用峰度估计进行波动量筛选时考虑谐波电压与谐波电流的同步波动，保证系统侧等效谐波阻抗估算的准确性，减少了背景谐波波动对计算结果的影响。本发明方法利用工程实测的谐波电压幅值和谐波电流幅值数据准确计算出谐波阻抗值，方法简单有效，易于工程应用。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2(a)为本发明实施例中采集的F1谐波电压幅值数据波形。

图2(b)为本发明实施例中采集的F1谐波电流幅值数据波形。

图3(a)为本发明实施例中采集的F3谐波电压幅值数据波形。

图3(b)为本发明实施例中采集的F3谐波电流幅值数据波形。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1所示，本发明的基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法，包括以下步骤：

步骤10)采集谐波实测数据：采集谐波电压幅值和谐波电流幅值数据，形成谐波幅值数据序列；

步骤20)设置滑动窗口参数：分别设置滑动窗口长度和滑动距离；

步骤30)计算峰度值并筛选子序列：对所述步骤10)形成的谐波幅值数据序列按滑动窗口顺序计算谐波电压幅值与谐波电流幅值的峰度值，筛选出峰度值不等于期望值的子序列；

步骤40)计算谐波电压责任：通过波动量法估算筛选出的子序列的系统侧等效谐波阻抗，并计算谐波电压责任。

作为优选方案，所述的步骤10)具体包括：利用谐波监测装置，采集PCC(对应英文全称：Point of Common Coupling；中文为：公共连接点)在监测时段内的谐波电压幅值和谐波电流幅值两个谐波数据，并将两个谐波实测数据形成如下式所示的谐波幅值数据序列：

U_PCC(1)，I_PCC(1)

U_PCC(2)，I_PCC(2)

M

U_PCC(m)，I_PCC(m) (1)

式中，U_PCC表示谐波电压幅值；I_PCC表示谐波电流幅值；m表示谐波数据序列长度。

作为优选方案，所述的步骤20)具体包括：设置滑动窗口W的长度L和滑动距离D。

作为优选方案，所述的步骤30)具体包括：

步骤301)滑动窗口W从谐波幅值数据序列的第1个元素开始，利用下式分别计算该W覆盖的谐波电压幅值U_PCC及谐波电流幅值I_PCC子序列的无偏估计G_U与G_I。

式(2)针对一个序列x＝{x(n)：n＝1，2，……，N}，和分别是x(n)的平均值和标准差。

步骤302)确定该W内U_PCC和I_PCC子序列的峰度值K_u-U和K_u-I：

式中，E(G)为G的期望值；var(G)为G的方差；q为置信区间。上述参数取值为：

步骤303)W向后移动D，重复步骤301)和302)，直至W覆盖了整个监测时段；筛选出K_u-U≠E(G)且K_u-I≠E(G)所对应W的子序列。

作为优选方案，所述的步骤40)具体包括：

步骤401)对筛选出的子序列利用波动量法估算出系统侧等效谐波阻抗值：

式中，|Z_S|cosθ为系统侧等效谐波阻抗；ΔU_PCC和ΔI_PCC分别为PCC谐波电压幅值和谐波电流幅值的波动量。

步骤402)将|Z_S|cosθ代入下式计算测量时段内的谐波电压责任：

式中，T_C为谐波电压责任。

本发明实施例的计算方法，通过窗口滑动计算实测谐波电压和电流幅值子序列的峰度值，利用区间估计筛选出用户侧谐波电流主导、PCC谐波电压同步波动的子序列，最后由二者幅值波动量的比值确定系统侧等效谐波阻抗，进而实现谐波责任量化。这对于谐波分析，如谐波发射水平估算、谐波责任量化、谐波污染溯源等，具有重要指导意义，并且为谐波治理及制定奖惩机制提供帮助。

下面例举一具体实施例。

以某110kV变电站的10kV 1段母线的谐波数据作为实测数据进行应用分析。已知系统的三相短路容量为333.76MVA，该段母线下有8条馈线，其中F1、F3为工业用户专线，主要用电设备为空压机和水泵，为典型的谐波源负荷。为了确定谐波污染责任，利用三相电能质量分析仪HIOKI PW3198测量谐波数据，具体测量点及采样时间为：

(1)F1馈线，2015.6.812：00～2015.6.908：00；

(2)F3馈线，2015.6.912：00～2015.6.1010：00。

装置3s给出一组谐波电压与电流幅值的量测值，以5次谐波为例，采集的F1谐波电压幅值和谐波电流幅值数据波形如图2(a)和图2(b)所示，采集的F3谐波电压幅值和谐波电流幅值数据波形如图3(a)和图3(b)所示。设置W的长度为1min，即一个滑动窗口包括20组谐波电压和谐波电流幅值数据。表1给出了系统侧等效谐波阻抗和谐波电压责任的计算结果。

表1计算结果

利用三相电能质量分析仪采集的5次谐波功率数据及系统的短路容量可以估算出测量点的系统侧等效谐波阻抗值分别为1.25Ω和1.21Ω。本实施中计算的结果为1.29Ω和1.25Ω。，计算结果准确，符合实际情况。

Claims (5)

1.一种基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤10)采集谐波实测数据，形成谐波幅值数据序列，所述谐波实测数据包括采集谐波电压幅值和谐波电流幅值数据；

步骤20)设置滑动窗口参数，所述滑动窗口W的参数包括滑动窗口长度N和滑动距离D；

步骤30)计算峰度值并筛选子序列：对所述步骤10)形成的谐波幅值数据序列按滑动窗口顺序计算谐波电压幅值与谐波电流幅值的峰度值，筛选出峰度值不等于期望值的子序列；

步骤40)通过波动量法估算筛选出的子序列的系统侧等效谐波阻抗，并计算测量时段内的谐波电压责任。

2.根据权利要求1所述的基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法，其特征在于，所述的步骤10)具体包括：利用谐波监测装置，采集公共连接点在监测时段内的谐波电压幅值和谐波电流幅值两个谐波数据，并将两个谐波实测数据形成如下式所示的谐波幅值数据序列：

U_PCC(1)，I_PCC(1)

U_PCC(2)，I_PCC(2)

M

U_PCC(m)，IP_CC(m) (1)

式中，U_PCC(1)和I_PCC(1)分别表示序列中第1个谐波电压幅值和谐波电流幅值数据；U_PCC(2)和I_PCC(2)分别表示序列中第2个谐波电压幅值和谐波电流幅值数据；U_PCC(m)和I_PCC(m)分别表示序列中第m个谐波电压幅值和谐波电流幅值数据；m表示谐波幅值数据序列长度。

3.根据权利要求2所述的基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法，其特征在于，所述的步骤30)具体包括：

步骤301)滑动窗口W从谐波幅值数据序列的第1个元素开始，针对滑动窗口W覆盖的谐波电压幅值数据序列x_U＝{x_U(n)：n＝1，2，……，N}和谐波电流幅值数据序列x_I＝{x_I(n)：n＝1，2，……，N}，利用下式分别计算该谐波电压幅值数据序列和谐波电流幅值数据序列的无偏估计G_U与G_I：

式中，G_U与G_I为x_U和x_I的无偏估计，x_U(n)和x_I(n)分别为x_U和x_I中的第n个元素，和分别是x_U的平均值和标准差；和分别是x_I的平均值和标准差；

步骤302)根据下式确定该滑动窗口覆盖的x_U和x_I的峰度值K_u-U和K_u-I：

式中，K_u-U和K_u-I分别为x_U和x_I的峰度值，E(G_U)和E(G_I)为G_U和G_I的期望值；var(G_U)和var(G_I)为G_U和G_I的方差；q_U和q_I为G_U和G_I的置信区间，上述参数取值为：

步骤303)判断滑动窗口W是否覆盖了整个监测时段，若不是则该滑动窗口W向后移动滑动距离D，返回步骤301)，若是则筛选出K_u-U≠E(G_U)且K_u-I≠E(G_I)所对应W的子序列。

4.根据权利要求3所述的基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法，其特征在于，所述步骤40)中根据下式确定系统侧等效谐波阻抗：

式中，|Z_S|cosθ为系统侧等效谐波阻抗；ΔU_PCC和ΔI_PCC分别为公共连接点谐波电压幅值和谐波电流幅值的波动量。

5.根据权利要求4所述的基于幅值波动量峰度检测原理的谐波责任量化方法，其特征在于，所述步骤40)中根据下式计算测量时段内的谐波电压责任：

式中，T_C为谐波电压责任。