CN202651788U - 一种非线性负载谐波风险评估系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种非线性负载谐波风险评估系统，包括电能质量检测装置、信号传输装置、谐波分析仿真模型装置和电能质量劣化风险评估装置；所述电能质量检测装置采集供电系统的电能质量信号，并通过所述信号传输装置将采集的电能质量信号传输至所述谐波分析仿真模型装置；所述谐波分析仿真模型装置参照实测的电能质量信号，修正模型参数，产生供电系统的电能质量仿真信号，并输出信号至所述电能质量劣化风险评估装置；所述电能质量劣化风险评估装置将所述电能质量仿真信号与相应的电能质量标准限值相比较，评估非线性负载对供电系统造成的电能质量劣化风险。本实用新型能够准确仿真并评估非线性负载对供电系统造成的电能质量劣化风险。

Description

一种非线性负载谐波风险评估系统

技术领域

本实用新型涉及一种非线性负载分析系统，特别涉及一种非线性负载谐波风险评估系统。

背景技术

电能的质量，通常以供电电压的频率、偏移、三相不平衡度、波动和闪变、谐波和畸变等5项稳态指标和电压间断、塌陷和尖峰、以及高频干扰等项瞬态指标来表征。电能的质量，不仅仅取决于发电、输电和供电系统本身，接入电网的半导体换流器和其它产生的非线性负载，会明显地干扰或降低配电网中的电能质量。尤其是非线性负载产生的谐波是影响电能质量的主要因素。非线性负载包括：(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如：变压器、电抗器等；(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等。这些非线性负载的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，也就是说，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们具有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压-电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，而与基波频率成整数倍的谐波，会使电网电压严重失真，降低了供电系统的电能质量。如今，各种电力电子装置的迅速发展使得供电系统的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波对供电系统的危害大致有以下几个方面：①谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾；②谐波影响各种电气设备的正常工作，如谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏；③谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述①和②的危害大大增加，甚至引起严重事故；④谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确；⑤谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致数据丢失，使通信系统无法正常工作。为控制谐波对供电系统电能质量的影响，设计配电系统前以及配电系统投入使用后，都需要对配电系统中非线性负载的谐波风险进行评估，以采取适宜的策略，保证供电系统的电能质量。目前，非线性负载谐波风险的评估方法，采用粗略估计单个非线性负载对电能质量的劣化指数，通过复杂的人工计算，对区域内非线性负载整体导致供电系统电能质量劣化风险进行简单评估，不但工作量大，计算复杂，准确度和精度也很难保障，无法进行系统性的测算和评估。

发明内容

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种自动运算且精度和准确度比较高的非线性负载谐波风险评估系统。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种非线性负载谐波风险评估系统，包括电能质量检测装置、信号传输装置、谐波分析仿真模型装置和电能质量劣化风险评估装置；所述电能质量检测装置采集供电系统的电能质量信号，并通过所述信号传输装置将采集的电能质量信号传输至所述谐波分析仿真模型装置；所述谐波分析仿真模型装置参照实测的电能质量信号，修正模型参数，产生供电系统的电能质量仿真信号，并输出信号至所述电能质量劣化风险评估装置；所述电能质量劣化风险评估装置将所述电能质量仿真信号与相应的电能质量标准限值相比较，评估非线性负载对供电系统造成的电能质量劣化风险。

所述电能质量检测装置的电能质量信号采集点为多个，所述采集点设置在非线性负载接入电网端或电网干路端。

所述电能质量检测装置采集电能质量信号的方式为在线采集和/或离线采集。

所述谐波分析仿真模型装置为基于傅里叶FFT算法的谐波分析仿真模型装置。

所述信号传输装置的传输方式为无线传输和/或有线组网传输。

所述电能质量劣化风险评估装置输出电能质量的劣化指数信号，所述劣化指数信号输出至供电系统的谐波处理装置。

所述电能质量劣化风险评估装置包括电能质量动态实测数据的存储、统计与显示装置。

本实用新型具有的优点和积极效果是：采用基于傅里叶FFT算法谐波分析对供电系统中非线性负载造成的电能质量劣化数据进行仿真计算，精确度高，并通过采集实际供电网络的电能质量信号，来修正谐波分析仿真模型的参数，使计算结果更准确，将仿真结果输入电能质量劣化风险评估装置进行评估，正确评估各类不同用电负荷的接入风险，以便及时在用户侧或供电侧实施合理控制电能质量的措施，如间隔上电运行，或启动滤波器等，保证系统电能质量总是符合国家标准规定的要求，避免电能质量事故的发生。本系统还可以在供电系统负载配置前进行非线性负载导致供电系统的电能质量劣化的风险进行仿真计算，以便合理的配置非线性负载以及设置适宜的谐波治理装置。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1，一种非线性负载谐波风险评估系统，包括电能质量检测装置、信号传输装置、谐波分析仿真模型装置和电能质量劣化风险评估装置；所述电能质量检测装置采集供电系统的电能质量信号，并通过所述信号传输装置将采集的电能质量信号传输至所述谐波分析仿真模型装置；所述谐波分析仿真模型装置参照实测的电能质量信号，修正模型参数，产生供电系统的电能质量仿真信号，并输出信号至所述电能质量劣化风险评估装置；所述电能质量劣化风险评估装置将所述电能质量仿真信号与相应的电能质量标准限值相比较，评估非线性负载对供电系统造成的电能质量劣化风险。

所述电能质量检测装置的电能质量信号采集点可为多个，所述采集点可设置在非线性负载接入电网端或电网干路端。

所述电能质量检测装置可为在线采集方式和/或离线采集方式的电能质量检测装置。即所述电能质量检测装置采集电能质量信号的方式可为在线采集和/或离线采集。

所述谐波分析仿真模型装置可为基于傅里叶FFT算法的谐波分析仿真模型装置。

所述信号传输装置的传输方式可为无线传输和/或有线组网传输。

所述电能质量劣化风险评估装置可输出电能质量的劣化指数信号，所述劣化指数信号可输出至供电系统的谐波处理装置。

所述电能质量劣化风险评估装置可包括电能质量动态实测数据的存储、统计与显示装置。

以下是一种优选方案：

针对海洋石油平台电力系统，建立多个在线监测点组成区域电能质量检测装置，由电能质量检测装置进行多点、全面的在线测量电能质量，由信号传输装置通过GPRS等无线传输方式或通过RS485线或光纤组网的方式，将电能质量检测装置检测的电能质量数据信号传输至谐波分析仿真模型装置，谐波分析仿真模型装置采用基于傅里叶FFT算法进行谐波分析仿真，根据接收到电能质量实际测量数据，及时修正仿真数据，并输出仿真及实测数据至电能质量劣化风险评估装置，由电能质量劣化风险评估装置进行处理分析，自动给出非线性负载对供电系统造成风险的评估输出；评估输出能反映各种非线性负载作用下电能质量指标的劣化指数特征及其随时间变化规律，精确描述实际的电能质量问题，从而提供对电能质量进行综合治理的依据，评估输出还可以发送至外部的供电系统的谐波处理装置，由供电系统的谐波处理装置作进一步处理。

电能质量劣化风险评估装置输出具体风险评估指数如下：

①干路或负载接入侧的谐波电流畸变率

②干路或负载接入侧的功率因数

③干路或负载接入侧的功率

④干路或负载接入侧的系统三相电压（流）不平衡

⑤干路或系统接入侧的系统的短时间闪变和长时间闪变

电能质量劣化风险评估装置输出的具体风险评估指数，可以作为供电系统配置非线性负载投入运行前进行风险评估的依据，也可以在供电系统投入运行后，输出至谐波处理设备，使相应的设备启动或停止。

电能质量劣化风险评估装置还可以包括电能质量实际检测动态数据的存储、统计与显示装置，其存储、统计与显示如下信息：

①电压、电流、有功、无功、功率因数等电量的最值与均值；

②电压电流的0~127次谐波测量（包括THDI、THDU、HDI、HDU等），同次谐波幅值与电压和谐波电流之间的相位差；

③三相电压（流）不平衡度、电压或电流负序极值及其对应时刻；

④三相电压的短时间（10分钟）闪变PST、长时间(2小时)闪变PLT；

⑤可编程波形记录（记录频率1200-25600HZ）；

⑥电压暂升、暂降、短时电压中断监测值；

⑦电压瞬态监测值；

⑧SOE事件；

⑨控制输出动作次数和越线报警。

本实用新型的工作原理：

谐波分析仿真模型装置采用基于基于傅里叶FFT算法的谐波参数估计方法，并推导了其谐波参数估计公式，然后利用基于傅里叶FFT算法仿真程序建立一个实际的电力系统的仿真模型。

针对各种非线性负载的本身特性的不同，总体计算各非线性负载的谐波电流频谱、幅值以及总体效应，包含对断路器开关保护特性、发电机、变压器、电动机的容量、电缆的线径的影响，首先对各种非线性负载进行分类，将供电系统中的各种非线性负载细分为：变频驱动系统装置，直流驱动用整流装置、UPS、电力电子调压系统装置以及开关电源装置，电脑与数字设备等，针对非线性负载的谐波频谱特性建立各非线性负载的仿真模型，常见非线性负载的谐波特性数学模型如下：

以上数学模型的建立，考虑了如下因素：

在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等，变频器主要产生5、7次谐波。

一般地,包含单相整流电路的设备其特征谐波频谱包含了所有奇次谐波。三相整流设备的特征谐波符合以下规律：包含六脉动整流电路的设备，其特征谐波频次为：5，7，11，13，17，19，…等，即6K±1，其中K=1，2，3…为自然整数；当设备内部整流电路为12脉动时，其特征谐波频次为：11，13，23，25，…等，即12K±1，其中K=1，2，3…为自然整数。

各种非线性负载的谐波频谱特性及谐波畸变率可以参考下表：

其中标注“●”的数量表示各次谐波畸变率含量的多少。

具体到各类非线性负荷设备的各次谐波畸变率含量和总谐波畸变率含量可在上面图表中数据乘以δ，δ由各类非线性负荷设备以及各个不同生产厂家的产品生产工艺和技术水平来确定。

举例：某海上平台电潜泵设备的6脉变频驱动设备的谐波分析仿真模型建立如下，电潜泵设备由6脉变频驱动设备驱动，其变频驱动装置的谐波频谱为：6K±1，K=1，2，3……（适用于6脉动变频），主要谐波频谱为5次，7次，11次，13次，17次，19次及高次谐波，以上各次谐波电流畸变率和总的谐波电流畸变率采用傅里叶理论计算公式分别为：

${\mathrm{THDI}}_n\%=\frac{I_n}{I_1}\×100\%$

${\mathrm{THD}}_i\%=\frac{I_H}{I_1}\×100\%=\frac{\sqrt{\underset{n=2}{\mathrm{\Σ}}{I}_n^2}}{I_1}\×100\%$

（n=2,3,4,5……为自然数）

实际应用中，上述各次谐波电流畸变率和总谐波电流畸变率可通过如下公式简化计算，其各次谐波电流畸变率为：

$\mathrm{THD}{i}_n\%=\frac{1}{n}\×100\%*\mathrm{\δ}$ （n=6K±1，K=1，2，3……）

当δ选取为=1时，THDi₅=1/5=25%；THDi₇=1/7=14%；THDi₁₁=1/11=9%；THDi₁₃=1/13=7.7%；……。

总的谐波电流畸变率：

${\mathrm{THD}}_i\%=\frac{1}{\underset{n=2}{\mathrm{\Σ}}\frac{1}{n^2}}\×100\%*\mathrm{\δ}$ （n=6K±1，K=1，2，3……）

当δ选取为=1时，K值取1～100，总的谐波电流畸变率THD_i%为33%左右。

对于三相非线性负载，功率因数可以用以下公式表示：

功率因数PF=基波功率因数（又称位移因数DPF）*基波因数，其中

在线性电路中，功率因数等于电压和电流之间的相角的余弦，通常称为相移功率因数，在非线性负载电路中，相移功率因数仅适用于基波功率，对于谐波功率需采用失真功率因数。

$Q_f=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_n{I}_n\sin {\mathrm{\φ}}_n,$ Q²=Q_f ²+D² S²=P²+Q_f ²+D²

其中：Q_f为谐波功率，Q为无功功率，D为畸变功率，P为有功功率，S为视在功率，Un为谐波电压、In为谐波电流、φn为谐波相移值。

此时无功功率与基波电流相移及谐波电流因素相关，并非传统意义上的无功功率。

采用离线式的定期监测和专项监测来对数学模型的参数进行修正。例如：采用离线式电能质量测试仪日置-3196测试某海上平台电网，由6脉变频控制驱动的电潜泵非线性负载的回路谐波电流畸变率实测值达到33%以上，谐波电流值约为150A，主要谐波频谱为谐波5、7、11次谐波。

具体检测值如下：

将实际检测的数值与通过数学模型计算的数值进行比较，来修正参数δ以及N的取值范围，使通过数学模型计算的数值与实际检测值的误差在合理范围内。

这样，在通过如上计算模型进行仿真计算出谐波数据的基础上，通过实际检测供电系统在非线性负载作用下电能质量来修正模型参数，评估供电系统非线性负载对供电系统电能质量的劣化影响，对断路器开关保护特性、电缆的线径、发电机/变压器的容量以及非线性负载的大小和特性等参数选型提供依据。

采用电能质量监测装置，对接入非线性负载后供电系统的电能质量进行检测，其数据输入谐波分析仿真模型装置，仿真模型装置修正仿真数据，并输出仿真数据至电能质量劣化风险评估装置，由电能质量劣化风险评估装置进行处理分析，自动给出非线性负载对供电系统造成风险的评估输出；评估输出能反映各种非线性负载作用下电能质量指标的劣化指数特征及其随时间变化规律，精确描述实际的电能质量问题，从而提供对电能质量进行综合治理的依据。

Claims (7)

1.一种非线性负载谐波风险评估系统，其特征在于，包括电能质量检测装置、信号传输装置、谐波分析仿真模型装置和电能质量劣化风险评估装置；所述电能质量检测装置采集供电系统的电能质量信号，并通过所述信号传输装置将采集的电能质量信号传输至所述谐波分析仿真模型装置；所述谐波分析仿真模型装置参照实测的电能质量信号，修正模型参数，产生供电系统的电能质量仿真信号，并输出信号至所述电能质量劣化风险评估装置；所述电能质量劣化风险评估装置将所述电能质量仿真信号与相应的电能质量标准限值相比较，评估非线性负载对供电系统造成的电能质量劣化风险。

2.根据权利要求1所述的非线性负载谐波风险评估系统，其特征在于，所述电能质量检测装置的电能质量信号采集点为多个，所述采集点设置在非线性负载接入电网端或电网干路端。

3.根据权利要求1所述的非线性负载谐波风险评估系统，其特征在于，所述电能质量检测装置采集电能质量信号的方式为在线采集和/或离线采集。

4.根据权利要求1所述的非线性负载谐波风险评估系统，其特征在于，所述谐波分析仿真模型装置为基于傅里叶FFT算法的谐波分析仿真模型装置。

5.根据权利要求1所述的非线性负载谐波风险评估系统，其特征在于，所述信号传输装置的传输方式为无线传输和/或有线组网传输。

6.根据权利要求1所述的非线性负载谐波风险评估系统，其特征在于，所述电能质量劣化风险评估装置输出电能质量的劣化指数信号，所述劣化指数信号输出至供电系统的谐波处理装置。

7.根据权利要求1所述的非线性负载谐波风险评估系统，其特征在于，所述电能质量劣化风险评估装置包括电能质量动态实测数据的存储、统计与显示装置。