一種判斷系統側為主要諧波源的諧波溯源方法
【專利摘要】本發明提供了一種判斷系統側為主要諧波源的諧波溯源方法，包括：以系統側和用戶側對公共連接點處諧波電壓貢獻度大小作為判斷兩側諧波源作用大小的判據；利用諾頓等值電路作為系統側和用戶側諧波源的分析模型；利用電壓矢量疊加原理，對公共連接點處諧波電壓進行分解，比較兩側對公共連接點處諧波電壓畸變貢獻度，求出系統側為主要諧波源的充分必要條件；根據系統側阻抗和用戶側阻抗固有特征，結合公共連接點處諧波電壓電流測量信息，并根據測量得到的諧波電壓和諧波電流夾角的不同，分類判斷系統側為主要諧波源。該方法可用于解決判斷公共連接點處系統側是否為主要諧波源的諧波溯源問題，具有較強的工程實用性。
【專利說明】
一種判斷系統側為主要諧波源的諧波溯源方法
技術領域
[0001] 本發明屬于電能質量諧波分析領域，尤其涉及利用公共連接點監測數據判斷系統 側為主要諧波源的諧波溯源方法。
【背景技術】
[0002] 電網的電能質量問題一直是電力部門關注的重要問題。電力系統中的諧波污染問 題正變得日益嚴重，給電網的經濟運行及用戶用電造成了極大的影響。目前，各國在電能質 量研究方面取得了一些進展，但很多問題難以解決或達成共識，尤其是電網公共連接點處 實際諧波主要來源的判定。雖然不斷有新的理論和算法用于該方面的研究，但這些理論尚 未得到統一的認識，還需進一步探討。此外，用于工程實踐的諧波源追溯技術即諧波溯源方 法還很不成熟，應用上存在局限甚至錯誤，需要尋找新的理論基礎和技術指標。
[0003] 判斷系統側為主要諧波源的實質是檢測系統側對公共連接點諧波電壓的影響程 度。如果系統側影響大，則認為系統側為主要諧波源。自從"獎懲性方案"的觀點提出后，國 內外的科技工作者在這方面做了許多深入的探討。它的基本思想是：系統與用戶在額定的 范圍內正常交易，如果系統不能保證供電質量，用戶應當得到賠償;如果用戶的污染指標惡 化，則系統在保證向用戶正常供電的前提下，收取額外的懲罰費用。這種獎懲性的供電方 案，以正確判別公共連接點處主要諧波污染來源為前提，這種方案雖然能夠對諧波污染進 行合理控制，但是還有很多問題需要解決。由于系統側諧波源大小不能直接測量，判斷系統 側為主要諧波源的諧波溯源方法一直是諧波研究中的一個難點，尤其是當公共連接點兩側 都存在諧波源時，更難判斷系統側是否為主要諧波源。
【發明內容】
[0004] 本發明所要解決的技術問題是利用公共連接點處測量數據如何正確判斷系統側 為主要諧波源。針對系統側諧波源大小不能直接測量的難點，有必要尋找新的理論基礎和 技術指標，得到判斷系統側為主要諧波源的諧波溯源方法。
[0005] 本發明所采用的技術方案是：
[0006] -種判斷系統側為主要諧波源的諧波溯源方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一、對于出現諧波污染的公共連接點，采用電能質量錄波儀對公共連接點處 畸變的電壓和電流波形進行采集，并利用快速傅里葉變換求出各次諧波的含量或大小，找 出特征次諧波；
[0008] 步驟二、利用諾頓等值電路作為系統側和用戶側諧波源的分析模型，根據基爾霍 夫電流定律得
。其中4、A分別為系統側和用戶側等值諧波電流 源，ZU、Z。分別為系統側和用戶側等值諧波阻抗，0_、分別為PCC(Point of Common Coupling，公共連接點）處測得的h次(諧波次數)諧波電壓和諧波電流。以諧波電壓為參考 相量，則諧波電流㈧，V為電壓單位伏;A為電流單位安J為諧波 電壓和電流的夾角，t的幅值為υΡ。。Λ。的幅值為ip。。。另外，&的幅值為iu，矣的幅值為I。; zu 的幅值為|zu|，z。的幅值為|z。！。
[0009] 步驟三、利用電壓矢量疊加原理，對PCC處諧波電壓進行分解，比較兩側對PCC處諧 波電壓畸變貢獻度。系統側為主要諧波源的充分必要條件是Iu>I。，等價于Ιυ 2-Ι^>〇,將公式 變形為
其中，au 為系統側阻抗角，a。為用戶側阻抗角。
[0010] 步驟四、根據步驟三中I u2和I c2的表達式可得I u2 - I c2的表達式
，通過判斷公式右邊的正負，可作為判 斷系統側是否為主要諧波源的條件，，則 可判斷系統側為主要諧波源。
[0011] 因為實際電力系統中兩側諧波阻抗的性質可能為感性也可能為容性，所以需要根 據阻抗性質的不同，分以下幾種情況：
[0012] 情況1、系統側和用戶側阻抗同為感性:當測量得到的夾角P在第四象限時，可得步 驟四中判斷條件在夾角識位于第四象限時恒成立，即系統側為主要諧波源。
[0013] 情況2、兩側阻抗同為容性:當Η立于第一象限時，可判斷系統側為主要諧波源。
[0014] 情況3、系統側諧波阻抗為感性和用戶側諧波阻抗為容性:當Ρ在第四象限時，由于 步驟四中判斷條件的第四項余弦值符號的不確定性，需進一步深入分析。
[0015] 考慮兩側諧波阻抗電抗分量大于電阻分量時：① ^>2#2,5°:IU>I。成立，可判斷系統 側為主要諧波源；②Ρ<292.5°:需滿足|Z e|>+ |Ztt|,才可判斷系統側為主要諧波源。實際情況 中，I Z。|至少為| Zu |的數倍，所以一般情況下，滿足系統側為主要諧波源條件。
[0016] 情況4、當系統側諧波阻抗Zu呈容性和用戶側諧波阻抗Z。呈感性時，所有區間邊界 值與Zu呈感性、Z。呈容性在180°處具有鏡像對稱性，且判斷條件不變。即當Η立于第一象限 時，可判斷系統側為主要諧波源。本發明方法所有情況的使用方法歸納至表1。方法使用條 件為：（一般情況下：I Zc I > I Zu I，270。，<292.5。： |ZC|># 1?)。
[0017] 表1判斷系統側為主要諧波源
[0019] 情況5、對系統側為主要諧波源的分析可知，當PCC處諧波有功功率方向由系統側 指向用戶側時，不能直接判斷系統側為主要諧波源，還需根據阻抗性質進一步判斷。若諧波 電壓電流夾角Η立于第四象限且系統側阻抗呈感性，或諧波電壓電流夾角Η立于第一象限且 系統側阻抗呈容性，則系統側為主要諧波源。
[0020] 本發明所提方法實際工程操作簡便，與其他傳統方法相比有著較快的求解速度， 不需要利用實測數據進行計算，只需根據測量得到的諧波電壓電流夾角數據和兩側阻抗性 質即可準確判斷系統側為主要諧波源，具有較強的工程實用性，便于實際工程應用。
【附圖說明】
[0021] 圖1是系統側和用戶側諧波源諾頓等效電路；
[0022] 圖2是兩側阻抗同為感性時的相量圖(f在第四象限）；
[0023] 圖3是感性系統阻抗、容性用戶阻抗的相量圖在第四象限）；
[0024]圖4是本發明的工作流程示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖對本發明的判斷系統側為主要諧波源的諧波溯源方法的具體實施 方式作詳細描述。
[0026]具體實施步驟如下：
[0027] 步驟一、對于出現諧波污染的公共連接點，采用電能質量錄波儀對公共連接點PCC 處畸變的電壓和電流波形進行采集，并利用快速傅里葉變換求出各次諧波的含量或大小；
[0028] 步驟二、利用圖1所示為諾頓等值電路作為系統側和用戶側諧波源的分析模型，根 據基爾霍夫電流定律得：
[0030] 其中/"、人分別為系統側和用戶側等值諧波電流源，ZU、Z。分別為系統側和用戶側 等值諧波阻抗，&_、?分別為PCC處測得的h次諧波電壓和諧波電流。以諧波電壓為參考相 量，匕=6_^0°(￥)，則諧波電流" =/ρα·Ζ>(Α)ι為諧波電壓和電流的夾角，的幅值為 Up。。，^.的幅值為Ip。。。另外Λ的幅值為Iu，之的幅值為I。。的幅值為|z u|，z。的幅值為|z。|。
[0031] 步驟三、利用電壓矢量疊加原理，對PCC處諧波電壓進行分解，比較兩側對PCC處諧 波電壓畸變貢獻度。系統側為主要諧波源的充分必要條件是I U>I。，等價于I^-Ic^O,將公式 變形為
[0034]其中，au為系統側阻抗角，α。為用戶側阻抗角。
[0035]步驟四、根據公式(2)和公式(3)，用公式(2)減公式(3)可得
[0037]通過判斷公式(4)右邊的正負，即可作為判斷系統側是否為主要諧波源的條件，并 對判斷條件化簡，若有
[0039] 則可判斷系統側為主要諧波源。
[0040] 因為實際電力系統中兩側諧波阻抗的性質可能為感性也可能為容性，所以需要根 據阻抗性質的不同，分以下幾種情況：
[0041] 情況1、當系統側和用戶側阻抗同為感性：
[0042] 當測量得到的夾角9在第四象限且兩側阻抗同為感性時，因為用戶側諧波阻抗模 長大于系統側諧波阻抗模長（I Z。| > | Zu | )，所以公式(5)左邊前兩項大于零;因為兩側阻抗同 為感性，au和α。屬于(0°，90°)范圍，所以公式(5)左邊后兩項的余弦項恒為正。可得不等式 (5)在夾角糾立于第四象限時恒成立，即系統側為主要諧波源。
[0043] 圖2描述了公式（1)中各相量的關系，其中9US_-4^_與的夾角，0。為1與 t ?的夾角，且I |>|心/?丨"將相量和'向相量投影，因為0U恒為鈍角，Θ。恒為 銳角，所以有IU>I C成立。
[0044] 情況2、當兩側阻抗同為容性時，推導過程同上，可知Η立于第一象限時，也有IU>I C 成立，此時可判斷系統側為主要諧波源。
[0045] 情況3、當系統側諧波阻抗為感性和用戶側諧波阻抗為容性：
[0046] 當f在第四象限且系統側諧波阻抗Zu呈感性、用戶側諧波阻抗Zc呈容性時，由于式 (5)第四項余弦值符號的不確定性，無法直接得到使不等式(5)成立的阻抗參數條件，還需 進一步深入分析。
[0047] 考慮兩側諧波阻抗電抗分量大于電阻分量時，有系統側諧波阻抗角％和用戶側諧 波阻抗角負值_ac屬于(45°，90° )。設為系統側諧波電流源幅值，其最小值為Iumin， /c(%ac)為用戶側諧波電流源幅值，其最大值為I cmax。圖3中，利用幾何學余弦定理可得到： /c(f，etc)始終在a c = -90°時取至『292.5°時函數最小值點發生改變。
[0048] (1/^^292.5 :在au = 90 時，Iu = Iumin。右 | Zu I = I Zc I，則Iumin= Icmax，因為電網中 | Zu I〈 zc|，所以有iumin>i cmax ，則iu>ic成立；
[0049] ②《<292.5°:在au = 45°時，Iu = Iumin。證明同上，但需滿足|Zc|># |Zd|。實際情況中， zc |至少為| zu |的數倍，滿足系統側為主要諧波源條件。
[0050] 情況4、當Zu呈容性丄呈感性時，推導過程與上述類似，所有區間邊界值與Z u呈感 性、Z。呈容性在180°處具有鏡像對稱性，且判斷條件不變。即當f位于第一象限時，可判斷系 統側為主要諧波源。本發明方法所有情況的使用方法歸納至表1。方法使用條件為：（一般情 況下：I zc I > I Zu I，錄通2.3°: ΙΛ卜ΙΛΙ)。
[0051] 表1判斷系統側為主要諧波源
[0053]情況5、對系統側為主要諧波源的分析可知，當PCC處諧波有功功率方向由系統側 指向用戶側時，不能直接判斷系統側為主要諧波源，還需根據阻抗性質進一步判斷。若諧波 電壓電流夾角Η立于第四象限且系統側阻抗呈感性，或諧波電壓電流夾角Η立于第一象限且 系統側阻抗呈容性，則系統側為主要諧波源。整套判斷系統側為主要諧波源的方法流程圖， 見圖4,方法在等效模型建立、公共連接點選取和數據測量方面都很簡便，與其他傳統方法 相比有著較快的求解速度，不需要利用實測數據進行大量計算，只需根據測量角度及兩側 阻抗性質即可判斷，具有較強的工程實用性。
[0054]根據本發明的方法，對某城市局部電網負荷接入點的實測數據進行分析。該城市 電網中直流落點作為諧波源從500kV輸電網向10kV配電網傳播，用戶側非線性負荷作為諧 波源從10kV配電網向500kV輸電網傳播。已知：該城市電網系統側為感性，用戶側由于城市 電網大量使用電纜，以及裝有大容量濾波裝置，使用戶側呈容性。電網中11次諧波嚴重超 標，為判斷某10kV變電站諧波污染主要來自系統側還是用戶側，現對該站的電壓電流畸變 波形進行錄波，并提取出11次諧波電壓和諧波電流數據。
[0055] PCC處的諧波電壓幅值為117V，諧波電流幅值為2A，諧波電壓電流夾角P為342°，并 且對長時間的監測數據進行分析，其諧波電壓電流夾角始終在(330°，354° )之間波動。可 知:該站系統側呈感性，用戶側呈容性，諧波電壓電流夾角始終在(330°，354°)之間。可以判 斷PCC處諧波主要來自系統側。
[0056] 本發明所提方法實際工程操作簡便，與其他傳統方法相比有著較快的求解速度， 不需要利用實測數據進行計算，只需根據測量得到的諧波電壓電流夾角數據和兩側阻抗性 質即可準確判斷系統側為主要諧波源，具有較強的工程實用性，便于實際工程應用。
【主權項】
1. 一種判斷系統側為主要諧波源的諧波溯源方法，其特征在于包括如下步驟： 步驟一、對于出現諧波污染的公共連接點，采用電能質量錄波儀對公共連接點處崎變 的電壓和電流波形進行采集，并利用快速傅里葉變換求出各次諧波的含量或大小，找出特 征次諧波； 步驟二、利用諾頓等值電路作為系統側和用戶側諧波源的分析模型，根據基爾霍夫電 流定律得其中4、：/。分別為系統側和用戶側等值諧波電流源，Zu、Z。 分別為系統側和用戶側等值諧波阻抗，玲。。、/p。。分別為PCC處測得的h次諧波電壓和諧波電 流；W諧波電壓為參考相量，馬。。=咕。八，則諧波電流ip。。％。。如(Α)，ν為電壓單位伏;A 為電流單位安，9為諧波電壓和電流的夾角，的幅值為Up。。，/'P。。的幅值為Ip。。。另外，的幅 值為iu，4的幅值為ic;Zu的幅值為IZuI ,Zc的幅值為IZcI; 步驟Ξ、利用電壓矢量疊加原理，對PCC處諧波電壓進行分解，比較兩側對PCC處諧波電 壓崎變貢獻度;系統側為主要諧波源的充分必要條件是Iu〉I。，等價于1。2-1。2〉0,將公式變形 為，其中，α。為系統 側阻抗角，Qc為用戶側阻抗角； 步驟四、根據步驟Ξ中I U 2和I C 2的表達式可得I U 2 - I C 2的表達式通過判斷公式右邊的正負，作為判斷系統 側是否為主要諧波源的條件，化簡韋，則可判斷系 統側為主要諧波源。2. 根據權利要求1所述判斷系統側為主要諧波源的諧波溯源方法，其特征在于： 根據步驟四得到的判斷系統側是否為主要諧波源的條件，需要根據阻抗性質的不同， 分W下幾種情況： 情況1、系統側和用戶側阻抗同為感性：當測量得到的夾角0在第四象限時，可得步驟四 中判斷條件在夾角例立于第四象限時恒成立，即系統側為主要諧波源； 情況2、兩側阻抗同為容性:當f位于第一象限時，可判斷系統側為主要諧波源； 情況3、系統側諧波阻抗為感性和用戶側諧波阻抗為容性：當g在第四象限時，由于步驟 四中判斷條件的第四項余弦值符號的不確定性，需進一步深入分析； 當兩側諧波阻抗電抗分量大于電阻分量時：①廬>292.5。;1。〉1。成立，判斷系統側為主要 諧波源;:需滿周勾>^β岡，才能判斷系統側為主要諧波源； 情況4、當系統側諧波阻抗Zu呈容性和用戶側諧波阻抗Zc呈感性時，所有區間邊界值與 Zu呈感性、Zc呈容性在180°處具有鏡像對稱性，且判斷條件不變；即當則立于第一象限時，判 斷系統側為主要諧波源； 本方法所有情況的使用方法歸納至表1 ;使用條件為:|勾>|勾，270°<口<292.5°; !勾>^/^|Zu|; 表1判斷系統側為主要諧波源情況5、對系統側為主要諧波源的分析可知，當PCC處諧波有功功率方向由系統側指向 用戶側時，不能直接判斷系統側為主要諧波源，還需根據阻抗性質進一步判斷;若諧波電壓 電流夾角列立于第四象限且系統側阻抗呈感性，或諧波電壓電流夾角則立于第一象限且系統 側阻抗呈容性，則系統側為主要諧波源。
【文檔編號】G01R23/16GK106093570SQ201610402237
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月8日
【發明人】肖楚鵬, 邱澤晶, 許朝陽, 王智琦, 冷月, 丁勝, 陳小飛, 向潔, 胡錦, 郭松
【申請人】南瑞（武漢）電氣設備與工程能效測評中心, 四川大學, 國網湖北省電力公司, 國家電網公司