CN109581102A - 基于相量差值法电网谐波源动态检测方法 - Google Patents

Abstract

一种相量差值法的电网谐波源动态检测方法。将相量差值法的相关理论和方法引入到电网谐波源动态检测中，通过理论分析提出针对电网谐波源的动态检测方法，并验证算法和判据的合理性。相量差值法可有效检测电网异常信号，动态检测基于相量的叠加特性，指出某个节点的谐波电压程度可视为每个谐波源注入单独作用的叠加，从而有效记录各谐波源的接入时间、接入位置以及接入状态。在检测灵敏度和准确性上也大大优于传统检测。对电网谐波源的分析处理具有重要意义。

Description

基于相量差值法电网谐波源动态检测方法

技术领域

本发明涉及电网谐波源动态检测，具体是一种基于相量差值法电力系统的电网谐波源动态检测方法。

背景技术

谐波是电力系统中的主要污染源，是电力系统几大公害之一。谐波产生的根本原因是正弦的电压作用于非线性电路时产生非正弦的电流，或非正弦的电流在电网阻抗中产生非正弦的电压[4]。根据傅里叶级数的原理，任意周期信号都可以表示为由正弦函数和余弦函数组成的无穷级数。在傅里叶级数中频率不为基频50Hz的分量定义为谐波。谐波本质上是一个正弦周期分量，其频率为基频的整数倍。

由于谐波产生的根本原因为非线性，因此电力系统中根据非线性元件的性质可以将谐波源分为两大类。一类是半导体元件组成的电力电子设备，比如大功率晶闸管整流器、各种无功补偿装置、新能源接入装置等等。另外一类是包括电弧炉、变压器、旋转电机在内的电弧或铁磁非线性设备。当配电网系统中存在这两类设备时，均会有谐波电流注入，谐波注入的性质随谐波源类型的不同而不同。

谐波对电力系统的危害包括：

1)谐波会对输配电线路产生附加损耗，影响电网容量；

2)谐波会影响发电机、变压器、电力电缆等各种电气设备的正常工作；

3)谐波增加了电网中发生谐振的概率；

4)谐波会增加继电保护装置或电网自动化装置误动作的可能性。

除此之外，谐波还会影响各种用电设备以及弱电系统通信、测量、信息传输等等，谐波的影响危害体现在电力系统运行的各个层面。因此为限制电力系统谐波水平，我国于1993年发布国家标准，制定《电能质量-公共电网谐波》(GB/T14549-93)作为约束电力系统谐波的主要规定。

随着国民经济的发展，用户对电能质量及供电的可靠性要求也越来越高，因此需要电力公司采取有效的谐波监控手段，对谐波超标用户采取措施，抑制电网中的谐波污染，提高电能质量。

与传统的电力系统状态估计问题相同，在谐波领域的状态估计也分为静态状态估计与动态状态估计两种。解决动态状态估计的问题一般采用卡尔曼(kalman)滤波算法或其拓展算法解决。动态状态估计结合谐波的运动方程和某一时间层面的量测数据，对下一时刻的状态量进行预测。但是实际上，在电力系统中谐波的运动方程难以获取，系统负荷接入的变化特性也无从预测，因此适用性不高。此外，动态状态估计相对于静态估计而言，其优越性主要体现在估计结果的精确性更高上，与谐波动态检测的研究目的不同。

动态检测充分利用量测值的时间同步特性，将不同时间层面的估计值统一存储，运算。根据谐波相量的叠加性质以及独立分量分析理论，在已有谐波注入的基础上检测新的谐波注入变化，能够实现谐波源多点定位，并能准确记录谐波源接入的时间。

假设有一个存在n个独立节点的配电网系统，在某h1次谐波下，根据电网络理论可以列写其节点电压方程如下：

式中，电压和电流为谐波分量，Yii为节点i的自导纳，其值等于所有i节点的支路与负荷导纳之和；Yij为节点i与节点j之间的互导纳，其值等于i与j节点互联导纳的负值，若两节点不连接，则Yij＝0。Yii与Yij均为h1次谐波下的网络参数，网络参数始终为已知量。上式中省略所有谐波次数下标h1。

根据状态估计的结果，全网节点的各次谐波电压值已经得到，即

令h＝h1，并带入式中，可以得到h1次谐波下的谐波注入电流分布。将各次谐波下的状态估计结果带入不同次数下的式中，可以得到全频域下的谐波注入电流情况，从而可以确定谐波源的位置。

上述工作是通过在某一时刻的同步量测数据得到的，经过一段时间间隔后，系统的谐波注入情况可能会发生改变。对不同时间层面的谐波状态进行对比分析，是谐波源动态检测与定位的基础。

谐波注入电流满足关系I＝YU,因此可以得到U＝Y^-1I＝ZI。Z称为节点阻抗矩阵：

其中，Zii称为节点i的自阻抗，或叫输入阻抗，Zij称为节点i与j之间的互阻抗。节点阻抗矩阵的求取较为复杂，可以由线性方程的解法直接对Y矩阵求逆，也可根据电网络理论中的支路追加法求取。

配网广域监测系统通过状态估计可以得到不同时刻全节点电压状态量，并将这些值存入数据库中，数据库包括节点位置n、谐波次数h、采集时刻t三个维度，在每个数据库坐标上存储着谐波电压相量设定系统每次数据上传并进行状态估计运算的时间间隔△t，获取不同时刻的谐波状态矩阵将电压相量矩阵与前一时刻做差，设置谐波电压相量差值检测的阈值，记录差值超过阈值范围的时间节点t1、t2、t3、……，那么不同的时刻的谐波状态矩阵……将表示不同的谐波源注入状况。其差值可以表示(t2-t1)、(t3-t2)、……时间段中谐波源变化在全网谐波状态量上的体现。

值得注意的是，此处差值阈值的选择与具体的工况有关，视系统对于谐波含有率以及谐波畸变率的要求所决定。一般令矩阵按行(也就是按节点)计算相关指标，选择其中的最大值与所设阈值比较判断。理想状态下，只要(ε为估计误差造成的差值)，就可判断谐波源发生了变化。

假设存在一个配网系统，节点数为n，分析谐波次数上限为h。设某一时间段内谐波注入电流由n维列向量表示；经过一段时间之后，谐波注入电流为那么这段时间内谐波注入电流的变化可由差值表示。忽略网络参数随时间的变化，通过谐波状态估计，可以获取以及差值将拆分为h列，则根据上述分析及谐波叠加原理，存在对应关系：

即谐波注入电流的变化可由谐波电压状态变化体现出来，也就是说，谐波注入电流的相量差可以通过谐波电压状态的相量差计算。

在实际运行工况下，一个配网系统中往往会存在多个谐波源，而且这些谐波源并非同时接入，而是逐个接入系统的。如果已经接入的谐波源幅值与相角恒定，通过相量差值法可以观察新接入谐波源的位置、大小以及接入的大致时间；如果已经接入的谐波源在计算时间内发生了改变，通过相量差值法可以同时计算出原谐波源的幅值与相角的变化情况，实现动态检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相量差值法电网谐波源动态的检测方法，该方法将相量差值法的相关理论和方法引入到电网谐波源动态检测中，通过理论分析而成，并验证算法和判据的合理性。相量差值法可有效检测电网异常信号，动态检测基于相量的叠加特性，指出某个节点的谐波电压程度可视为每个谐波源注入单独作用的叠加，在检测灵敏度和准确性上也大大优于传统检测。对电网谐波源的分析处理具有重要意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于相量差值法电网谐波源动态的检测方法，其特点在于该方法包括以下步骤：

1)在待检测电网配置配网广域监测系统，将广域监测系统与控制器相连，所述的控制器读取网络参数与连接拓扑，读取各次的阻抗矩阵以及网络节点的连接情况，设置谐波电压相量差值检测的阈值ε；

2)所述的控制器接受启动检测指令后，检测开始；

3)所述的控制器通过配网广域监测系统得到t时刻的全节点电压状态量并将这些值存入数据库中，数据库包括节点位置n、谐波次数h、采集时刻t三个维度，在每个数据库坐标上存储着谐波电压相量

4)判断是否为首次量测，若为首次量测，进行谐波注入电流的求取，得到初始的谐波源状态，经时间间隔Δt，并返回步骤3)；若不是首次量测，进入下一步；

5)将谐波电压状态相量与上一时刻的状态量作差，分析相量差值是否超过判断阈值ε，若相量差值没有超过判断阈值，经时间间隔Δt后返回步骤3)；若相量差值超过了判断阈值ε，则表明谐波注入情况发生了明显改变，则根据该差值查找对应的节点，该节点的位置n即为新谐波源的位置；

6)若所述的控制器未接收到停止检测指令，经时间间隔Δt后返回步骤3)；所述的控制器接收到停止检测指令后，检测过程结束。

本发明的技术效果如下：

本发明对新注入谐波电流估计误差很小，验证了动态检测的正确性。在长时间广域监测中采用上述检测分析方法，可以对谐波注入水平实现实时的监测与定位，从而判断每个谐波污染源的接入时间与接入位置，为谐波评价与治理提供依据。

本发明提出的基于相量差值法的电网谐波动态检测方法，将相量差值法的相关理论和方法引入到电网谐波源动态检测中，根据网广域测量系统装置测得的电流电压等电气状态量，从节点位置n、谐波次数h、采集时刻t三个维度进行运算分析，实现电网谐波动态检测，在检测灵敏度和准确性上也大大优于传统检测。对电网谐波源的分析处理具有重要意义。

附图说明

图1是配电系统结构拓扑图

图2是谐波电压叠加过程图

图3是数据选择方式图

图4是新注入谐波电流幅值估计图

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

实施例

在PSCAD中搭建如图1所示模型。这是一个仿真12.5kV配电网系统，其中110kV侧是发电端，经过中性点经消弧线圈接地的变压器与配电网相连，向配电网传输电能，然后再传输到380V的用户端。在本模型中采用中性点经消弧线圈接地方式，线路模型选用频率依赖(相位)模型，并合理设置相关参数。图中箭头表示为负荷支路，三角形标识表示线路同步量测终端，同步量测终端的配置数量及位置视量测的要求决定。图中整流标识表示谐波电流注入，假设谐波注入位于节点9与节点12。将谐波注入电流支路与母线连接的通路上装设延时开关，模拟接入先后的动态过程。

首先分析单节点单频次的情况。

假设t₁时刻系统中只存在一个谐波电流源注入此时节点i的谐波电压值可表示为假设在t₂时刻，原谐波注入不变，系统中存在两个谐波电流源与注入，忽略网络参数随时间的变化，此时i节点的谐波电压变为可以发现，t₂时刻在i节点的谐波电压贡献可以视为独立的谐波注入与作用的叠加，如图2所示。图中假设再次经过一段时间后，i节点的谐波电压再次发生变化，其变化的相量为意味着谐波注入情况的又一次突变，如图2b)。因此谐波注入随时间的变化情况可以通过节点的谐波电压变化来体现。与此同时，实际的电压波形可以通过傅里叶变换视为基频分量和各频次谐波分量的叠加，因此上述理论可拓展到全频域、全网络中。

配网广域监测系统通过状态估计可以得到不同时刻全节点电压状态量，并将这些值存入数据库中，数据库包括节点位置n、谐波次数h、采集时刻t三个维度，在每个数据库坐标上存储着谐波电压相量设定系统每次数据上传并进行状态估计运算的时间间隔△t，获取不同时刻的谐波状态矩阵将电压相量矩阵与前一时刻做差，设置谐波电压相量差值检测的阈值，记录差值超过阈值范围的时间节点t₁、t₂、t₃、……，那么不同的……将表示不同的谐波源注入状况。其差值可以表示(t₂-t₁)、(t₃-t₂)、……时间段中谐波源变化在全网谐波状态量上的体现。谐波动态检测的数据选择方式如图3所示。

值得注意的是，此处差值阈值的选择与具体的工况有关，视系统对于谐波含有率以及谐波畸变率的要求所决定。一般令矩阵按行(也就是按节点)计算相关指标，选择其中的最大值与所设阈值比较判断，即与所设阈值最小差值理想状态下，只要就可判断谐波源发生了变化，其中ε为估计误差造成的差值。

为验证动态检测方法的正确性，在延时开关导通前获取有节点9与节点12两个谐波源存在时的谐波电压状态量在开关导通并稳定后，再次进行谐波状态估计，得到谐波电压状态量假设时间间隔为Δt，求解与的相量差值运用即可判断Δt内新注入谐波源的位置。

表1谐波注入电流估计结果

通过上表结果可以验证，新注入的谐波源位于17节点处，将谐波注入电流幅值情况用直方图表示,如图4所示。

将估计值与仿真模型中的实际值进行比较，如下表所示。

表4-4新注入谐波电流误差分析

Table 4-4 Error analysis of newly injected harmonic current

可以看出，相量差值算法对Δt时间内新注入谐波电流估计误差很小，验证了动态检测的正确性。在长时间广域监测中采用上述分析方法，可以对谐波注入水平实现实时的监测与定位，从而判断每个谐波污染源的接入时间与接入位置，为谐波评价与治理提供依据。

值得注意的是，上述算法验证是默认在网络参数不变的条件下进行的，实际上，谐波源的接入往往代表着负荷性质的变化，从而改变网络导纳矩阵或阻抗矩阵。在实际应用中，应获取准确的网络参数，再进行差值计算，也就是说，k次相量差值将被修正为对网络参数的测取可设定为谐波电压状态发生较大改变之后进行。

Claims (1)

1.一种基于相量差值法的电网谐波源动态的检测方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)在待检测电网配置配网广域监测系统，将广域监测系统与控制器相连，所述的控制器读取网络参数与连接拓扑，读取各次的阻抗矩阵以及网络节点的连接情况，设置谐波电压相量差值检测的阈值ε；

2)所述的控制器接受启动检测指令后，检测开始；

3)所述的控制器通过配网广域监测系统得到t时刻的全节点电压状态量并将这些值存入数据库中，数据库包括节点位置n、谐波次数h、采集时刻t三个维度，在每个数据库坐标上存储着谐波电压相量

4)判断是否为首次量测，若为首次量测，进行谐波注入电流的求取，得到初始的谐波源状态，经时间间隔Δt，并返回步骤3)；若不是首次量测，进入下一步；

5)将谐波电压状态相量与上一时刻的状态量作差，分析相量差值是否超过判断阈值ε，若相量差值没有超过判断阈值，经时间间隔Δt后返回步骤3)；若相量差值超过了判断阈值ε，则表明谐波注入情况发生了明显改变，则根据该差值查找对应的节点，该节点的位置n即为新谐波源的位置；

6)若所述的控制器未接收到停止检测指令，经时间间隔Δt后返回步骤3)；所述的控制器接收到停止检测指令后，检测过程结束。