CN108957126A - 一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电力技术领域的一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法，该方法首先通过数据筛选规则筛选所测数据，使用所选数据计算近似等效谐波阻抗，在此基础上计算背景谐波电压，其次求解从PCC处看入系统的背景谐波源的戴维南等效电路，然后计算谐波源对用户的等效谐波电流注入，并与PCC处所测端口谐波电流叠加得到用户对系统的真实谐波电流注入，最终计算用户在母线处的谐波注入有功功率责任。本发明可以在现有的电能质量监测系统的基础上实现对各个谐波源谐波污染责任的量化认定，且便于将其认定结果落实到经济核算中，这对进一步解决谐波污染问题、提高电能质量管理水平具有重要意义。

Description

一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法
技术领域
本发明涉及谐波污染责任计算方法领域，具体涉及一种以谐波注入有功功率认定谐波污 染责任的计算方法。
背景技术
电力系统内的谐波污染责任认定是供电部门增益减损的一个重要课题。为改善谐波污染 治理，各国制定了一系列规范标准。然而，这些规范标准大多只规定了各次谐波电压和谐波 电流波形畸变的允许阈值，这种管理方式缺乏弹性。相关学者提出了一种奖惩方案，即在正 常保持供电的前提下，针对用户不同的谐波排放程度采取不同的奖惩措施。但是该方案需要 在各用户分摊的谐波责任得到合理评估的前提下才可以顺利实施，因此谐波责任认定是一项 意义深远的课题。国内外学者已提出一些比较成熟的解决方案，如叠加计算谐波电压或谐波 电流确定用户侧和系统侧谐波贡献的责任认定方法。这些方案虽然可以做到量化确定公共连 接点处各方的谐波污染责任，但都是以谐波电压或谐波电流为衡量指标判定关注侧的谐波责 任。以谐波电压或电流为衡量依据的责任认定方法，难以将其认定结果落实到经济核算中， 因此上述提到的奖惩方案还需找到一种更有说服力、更合适经济核算的责任衡量指标。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方 法，具体技术方案如下：
一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法包括以下步骤：
(1)筛选数据，根据数据筛选原则剔除系统侧等效谐波电压波动值、系统侧等效谐波电流波 动值的标准化变换取值小于等于筛选经验系数的数据；所述系统侧等效谐波电压波动值标准 化变换为：系统侧等效谐波电压波动值和系统侧等效谐波电压波动值均值的差值与系统侧等 效谐波电压波动值标准差之比；所述系统侧等效谐波电流波动值标准化变换为：系统侧等效 谐波电流波动值和系统侧等效谐波电流波动值均值的差值与系统侧等效谐波电流波动值标准 差之比；
(2)根据筛选出的系统侧等效谐波电压数据、系统侧等效谐波电流数据计算系统侧PCC处近 似等效谐波阻抗；
(3)根据求解得到的系统侧PCC处近似等效谐波阻抗，通过端口谐波电压与背景谐波电压的 关系计算背景谐波电压，进而根据戴维南定理，将背景谐波源等效成背景谐波电压和系统侧 等效谐波阻抗的串联；所述系统侧等效谐波阻抗等于系统侧PCC处近似等效谐波阻抗；
(4)根据系统侧等效谐波阻抗、用户侧等效谐波阻抗以及背景谐波电压计算背景谐波源对用 户的等效谐波电流注入量，然后与PCC处所测端口谐波电流叠加得到用户对系统的真实谐波 电流注入量；所述用户侧等效谐波阻抗根据用户侧等效基波阻抗计算得到；
(5)根据用户对系统的真实谐波电流注入量以及系统侧等效谐波阻抗、背景谐波电压，计算 PCC处用户对系统的真实谐波注入有功功率责任。
优选地，所述步骤(1)数据筛选规则的公式为：
其中，ΔU为系统侧等效谐波电压波动值，μΔU为系统侧等效谐波电压波动值均值，σΔU为系 统侧等效谐波电压波动值标准差；ΔI为系统侧等效谐波电流波动值，μΔI为系统侧等效谐波 电流波动值均值，σΔI为系统侧等效谐波电流波动值标准差，α1和α2分别为ΔU和ΔI筛选经 验系数，取值为1。
优选地，所述步骤(2)系统侧PCC处近似等效谐波阻抗的计算方法为：
其中Uh(i)、Ih(i)和φ(i)分别为PCC处第i组计量数据的h次谐波电压、h次谐波电流以及功 率因数角；Uh(i+1)、Ih(i+1)和φ(i+1)分别为PCC处第i+1组监测数据的h次谐波电压、h次 谐波电流以及功率因数角，h为谐波次数，Zeq为系统侧PCC处近似等效谐波阻抗。
优选地，所述步骤(3)中端口谐波电压与背景谐波电压的关系为：
其中，是h次背景谐波电压，是h次端口谐波电压，Zh是系统侧h次等效谐波阻抗，是h次端口谐波电流；其中Zh＝Zeq，Zeq为系统侧PCC处近似等效谐波阻抗。
优选地，所述步骤(4)中用户侧等效谐波阻抗根据用户侧等效基波阻抗计算得到具体为：
其中，Re为取实部运算符号，ZAh为用户侧h次等效谐波阻抗，ZA0为用户侧等效基波阻抗， P0和Q0分别为PCC处测量的基波有功功率和基波无功功率，I0为PCC处测量的基波电流值，Im为取虚部运算符号，A为用户编号。
优选地，所述步骤(4)中计算背景谐波源对用户的等效谐波电流注入量的公式为：
其中为PCC处背景谐波源对用户的等效谐波电流注入量，Zh是系统侧h次等效谐波阻抗， ZAh为用户侧h次等效谐波阻抗。
优选地，所述步骤(4)中计算用户对系统的真实谐波电流注入量的公式为：
其中为用户对系统的真实谐波电流注入量，为h次端口谐波电流。
优选地，所述步骤(5)中计算用户的谐波注入有功功率责任的公式为：
ρAh＝PAh；
其中，PAh为用户向系统侧注入的真实谐波注入有功功率，ρAh为某用户A的h次谐波注入有 功功率责任，为用户对系统的真实谐波电流注入量，Zh为系统侧h次等效谐波阻抗，为h次背景谐波电压，Re为复数的实部提取算子；为用户对系统的真实谐波电流注入量 的共轭值。
本发明的有益效果为：本发明可以在现有的电能质量监测系统的基础上实现对各个谐波 源谐波污染责任的量化认定，且便于将其认定结果落实到经济核算中，这对进一步解决谐波 污染问题、提高电能质量管理水平具有重要意义。
附图说明
图1是PCC处母线模型示意图；
图2是端口谐波等效模型；
图3是背景谐波源单独作用时的等效电路模型示意图；
图4是本发明中实施例来自某35kV铸钢专线接入系统的主接线示意图；
图5是实施例中PCC处所测得11次端口谐波电压图；
图6是实施例中PCC处所测得11次端口谐波电流的有效值；
图7是实施例中PCC处所测得11次谐波功率因数；
图8是实施例中PCC处所测得基波电流的有效值；
图9是实施例中PCC处所测得基波有功功率；
图10是实施例中PCC处所测得基波无功功率；
图11是实施例中用户的谐波注入有功功率责任计算结果。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：
一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法包括以下步骤：
(1)筛选数据，根据数据筛选原则剔除系统侧等效谐波电压波动值、系统侧等效谐波电流波 动值的标准化变换取值小于等于筛选经验系数的数据；系统侧等效谐波电压波动值标准化变 换为：系统侧等效谐波电压波动值和系统侧等效谐波电压波动值均值的差值与系统侧等效谐 波电压波动值标准差之比；系统侧等效谐波电流波动值标准化变换为：系统侧等效谐波电流 波动值和系统侧等效谐波电流波动值均值的差值与系统侧等效谐波电流波动值标准差之比； 数据筛选规则的公式为：
其中，ΔU为系统侧等效谐波电压波动值，μΔU为系统侧等效谐波电压波动值均值，σΔU为系 统侧等效谐波电压波动值标准差；ΔI为系统侧等效谐波电流波动值，μΔI为系统侧等效谐波 电流波动值均值，σΔI为系统侧等效谐波电流波动值标准差，α1和α2分别为ΔU和ΔI筛选经 验系数，取值为1。
(2)如图1所示，根据筛选出的系统侧等效谐波电压数据、系统侧等效谐波电流数据计算系 统侧PCC处近似等效谐波阻抗；系统侧PCC处近似等效谐波阻抗的计算方法为：
其中Uh(i)、Ih(i)和φ(i)分别为PCC处第i组计量数据的h次谐波电压、h次谐波电流以及h次 谐波功率因数角；Uh(i+1)、Ih(i+1)和φ(i+1)分别为PCC处第i+1组监测数据的h次谐波电压、 h次谐波电流以及功率因数角，Zeq为系统侧PCC处近似等效谐波阻抗。PCC即公共耦合点。
(3)如图1-图3所示，根据求解得到的系统侧PCC处近似等效谐波阻抗，通过端口谐波电 压与背景谐波电压的关系计算背景谐波电压，进而根据戴维南定理，将背景谐波源等效成背 景谐波电压和系统侧等效谐波阻抗的串联；系统侧等效谐波阻抗等于系统侧PCC处近似等效 谐波阻抗；端口谐波电压与背景谐波电压的关系为：
其中，是h次背景谐波电压，是h次端口谐波电压，Zh是系统侧h次等效谐波阻抗，是h次端口谐波电流；其中Zh＝Zeq，Zeq为系统侧PCC处近似等效谐波阻抗。
(4)根据系统侧等效谐波阻抗、用户侧等效谐波阻抗以及背景谐波电压计算背景谐波源 对用户的等效谐波电流注入量，然后与PCC处所测端口谐波电流叠加得到用户对系统的真实 谐波电流注入量；计算用户侧等效谐波阻抗，由于用户侧多为感性负载，可根据用户侧等效 基波阻抗计算用户侧等效谐波阻抗，具体为：
其中，Re为取实部运算符号，ZAh为用户侧h次等效谐波阻抗，ZA0为用户侧等效基波阻抗， P0和Q0分别为PCC处测量的基波有功功率和基波无功功率，I0为PCC处测量的基波电流值， Im为取虚部运算符号，h为谐波次数，A为用户编号。
背景谐波源对用户的等效谐波电流注入量的公式为：
其中为PCC处背景谐波源对用户的等效谐波电流注入量，Zh是系统侧h次等效谐波阻抗， ZAh为用户侧h次等效谐波阻抗。
计算用户对系统的真实谐波电流注入量的公式为：
其中为用户对系统的真实谐波电流注入量，为h次端口谐波电流。
(5)根据用户对系统的真实谐波电流注入量以及系统侧等效谐波阻抗、背景谐波电压，计算 PCC处用户对系统的真实谐波注入有功功率责任，计算用户的谐波注入有功功率责任的公式 为：
其中，PAh为用户向系统侧注入的真实谐波注入有功功率，ρAh为某用户A的h次谐波注 入有功功率责任，为用户对系统的真实谐波电流注入量，Zh为系统侧h次等效谐波阻抗， 为h次背景谐波电压，Re为复数的实部提取算子；为用户对系统的真实谐波电流注 入量的共轭值。
以某35kV铸钢专线用户为例，测试点为110kV供电变电站35kV侧的用户进线处，用户 接入系统的主接线示意图如图4所示。采集测试点的谐波数据，采样频率10.24kHz，采样时 间为某日17:30至18:30，记录间隔为1分钟，监测结果发现11次谐波较为严重，且已确定本案例中35kV铸钢专线用户侧谐波占主导，因此本案例主要计算11次谐波注入有功功率真实值。执行以下步骤：
步骤1：通过数据筛选规则剔除系统侧等效谐波电压波动值、系统侧等效谐波电流波动 值的标准化变换取值小于等于筛选经验系数的数据，ΔU和ΔI的筛选经验系数α1和α2取值为 1，即：
满足上述不等式⑧的数据保留，即得到可用于系统侧PCC处近似等效谐波阻抗计算的数 据，分别如表1和表2所示。
表1筛选的用于系统侧PCC处近似等效谐波阻抗计算的第1组数据
表2筛选的用于系统侧PCC处近似等效谐波阻抗计算的第2组数据
时间 谐波电压(V) 谐波电流(A) 相角差(°)
18:12:00 157.19 3.388 83.15
18:13:00 451.89 10.297 83.87
步骤2：使用所选数据计算近似等效谐波阻抗。
上述两组数据的计算均为系统侧PCC处近似等效谐波阻抗Zeq的近似值，选用哪一个对整 体运算的影响并不大，以下采用公式⑨的计算结果作为系统侧PCC处近似等效谐波阻抗Zeq的值，则PCC处系统侧h次等效谐波阻抗Z11＝Zeq＝4.25+j43.59。
步骤3：根据以下公式求解11次背景谐波电压计算结果如表3所示：
11次端口谐波电压和11次端口谐波电流的有效值分别如图5与图6所示，11次谐波功率因数如图7所示。11次背景谐波电压计算结果如下表3所示：
表3背景谐波电压有效值部分计算结果
时间 U011有效值(V) U011超前11次谐波电流相角(°)
17:51:00 4.269 84.78
17:52:00 3.183 -81.35
17:53:00 6.142 -89.59
17:54:00 7.732 57.22
17:55:00 7.113 30.62
17:56:00 8.372 33.79
17:57:00 6.630 78.12
17:58:00 6.645 78.07
用户侧11次等效谐波阻抗ZA11根据用户侧等效基波阻抗ZA0计算得到，具体如下：
PCC处测得基波电流I0、基波有功功率P0、基波有功功率Q0数据分别如图8-10所示，用 户侧11次等效谐波阻抗ZA11的部分计算结果如表4所示。
表4用户侧11次等效谐波阻抗值ZA11部分计算结果
步骤4：计算背景谐波源对用户的等效谐波电流注入进而计算用户对系统的真实谐 波电流注入量11次端口谐波电流数据见附图6。用户对系统的真实谐波电流注入量 的计算结果如表5所示：
表5用户对系统的真实谐波电流注入量部分计算结果
时间 Ireal有效值(A) Ireal超前11次谐波电流相角(°)
17:54:00 11.287 -0.030
17:55:00 11.970 -0.054
17:56:00 11.324 -0.061
17:57:00 11.940 -0.002
17:58:00 5.405 -0.002
17:59:00 2.152 -0.072
18:00:00 2.281 -0.068
18:01:00 2.289 -0.070
18:02:00 2.355 -0.134
步骤5：计算PCC处用户A对系统的真实谐波注入有功功率责任ρA11，如图11所示，其 部分计算结果如表6所示：
表6用户的谐波有功功率责任部分计算结果
时间 用户的谐波有功功率责任P(W)
17:54:00 588.675
17:55:00 682.151
17:56:00 623.692
17:57:00 622.186
17:58:00 131.559
17:59:00 35.977
18:00:00 40.695
18:01:00 40.193
18:02:00 56.469
本发明不局限于以上的具体实施方式，以上仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)筛选数据，根据数据筛选原则剔除系统侧等效谐波电压波动值、系统侧等效谐波电流波动值的标准化变换取值小于等于筛选经验系数的数据；所述系统侧等效谐波电压波动值标准化变换为：系统侧等效谐波电压波动值和系统侧等效谐波电压波动值均值的差值与系统侧等效谐波电压波动值标准差之比；所述系统侧等效谐波电流波动值标准化变换为：系统侧等效谐波电流波动值和系统侧等效谐波电流波动值均值的差值与系统侧等效谐波电流波动值标准差之比；
(2)根据筛选出的系统侧等效谐波电压数据、系统侧等效谐波电流数据计算系统侧PCC处近似等效谐波阻抗；
(3)根据求解得到的系统侧PCC处近似等效谐波阻抗，通过端口谐波电压与背景谐波电压的关系计算背景谐波电压，进而根据戴维南定理，将背景谐波源等效成背景谐波电压和系统侧等效谐波阻抗的串联；所述系统侧等效谐波阻抗等于系统侧PCC处近似等效谐波阻抗；
(4)根据系统侧等效谐波阻抗、用户侧等效谐波阻抗以及背景谐波电压计算背景谐波源对用户的等效谐波电流注入量，然后与PCC处所测端口谐波电流叠加得到用户对系统的真实谐波电流注入量；所述用户侧等效谐波阻抗根据用户侧等效基波阻抗计算得到；
(5)根据用户对系统的真实谐波电流注入量以及系统侧等效谐波阻抗、背景谐波电压，计算PCC处用户对系统的真实谐波注入有功功率责任。
2.根据权利要求1所述的一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法，其特征在于：所述步骤(1)数据筛选规则的公式为：
其中，ΔU为系统侧等效谐波电压波动值，μΔU为系统侧等效谐波电压波动值均值，σΔU为系统侧等效谐波电压波动值标准差；ΔI为系统侧等效谐波电流波动值，μΔI为系统侧等效谐波电流波动值均值，σΔI为系统侧等效谐波电流波动值标准差，α1和α2分别为ΔU和ΔI筛选经验系数，取值为1。
3.根据权利要求1所述的一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法，其特征在于：所述步骤(2)系统侧PCC处近似等效谐波阻抗的计算方法为：
其中Uh(i)、Ih(i)和φ(i)分别为PCC处第i组计量数据的h次谐波电压、h次谐波电流以及功率因数角；Uh(i+1)、Ih(i+1)和φ(i+1)分别为PCC处第i+1组监测数据的h次谐波电压、h次谐波电流以及功率因数角，h为谐波次数，Zeq为系统侧PCC处近似等效谐波阻抗。
4.根据权利要求1所述的一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法，其特征在于：所述步骤(3)中端口谐波电压与背景谐波电压的关系为：
其中，是h次背景谐波电压，是h次端口谐波电压，Zh是系统侧h次等效谐波阻抗，是h次端口谐波电流；其中Zh＝Zeq，Zeq为系统侧PCC处近似等效谐波阻抗。
5.根据权利要求1所述的一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法，其特征在于：所述步骤(4)中用户侧等效谐波阻抗根据用户侧等效基波阻抗计算得到具体为：
其中，Re为取实部运算符号，ZAh为用户侧h次等效谐波阻抗，ZA0为用户侧等效基波阻抗，P0和Q0分别为PCC处测量的基波有功功率和基波无功功率，I0为PCC处测量的基波电流值，Im为取虚部运算符号，A为用户编号。
6.根据权利要求1所述的一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法，其特征在于：所述步骤(4)中计算背景谐波源对用户的等效谐波电流注入量的公式为：
其中为PCC处背景谐波源对用户的等效谐波电流注入量，Zh是系统侧h次等效谐波阻抗，ZAh为用户侧h次等效谐波阻抗。
7.根据权利要求1所述的一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法，其特征在于：所述步骤(4)中计算用户对系统的真实谐波电流注入量的公式为：
其中为用户对系统的真实谐波电流注入量，为h次端口谐波电流。
8.根据权利要求1所述的一种以谐波注入有功功率认定谐波污染责任的计算方法，其特征在于：所述步骤(5)中计算用户的谐波注入有功功率责任的公式为：
ρAh＝PAh；
其中，PAh为用户向系统侧注入的真实谐波注入有功功率，ρAh为某用户A的h次谐波注入有功功率责任，为用户对系统的真实谐波电流注入量，Zh为系统侧h次等效谐波阻抗，为h次背景谐波电压，Re为复数的实部提取算子；为用户对系统的真实谐波电流注入量的共轭值。
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