基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法与流程
本发明属于配电网电能质量，具体涉及一种基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法。
背景技术
随着电力电子技术的不断发展，大量的非线性设备接入到低压配电网中，使得电力负载侧谐波含量增多。谐波使得电压电流波形发生畸变，进而增加电力损耗，缩短用电设备寿命，对低压配电系统的安全、经济运行产生了严重威胁。另外，各种光伏、风电等新能源大量接入电网，使得低压配电网中的背景谐波电压增大。为了有效地控制电网中的谐波，避免出现电能质量纠纷问题，国际上提出了一种“奖惩性”方案，该方案能够执行的前提条件就是在公共连接点(pointofcommoncoupling，pcc)处能够正确划分系统以及用户各自的谐波责任。因此，正确判别谐波来源，明确电力用户负载及系统侧的谐波发射电流，对进一步改善电能质量、提高低压配电网的安全运行有着非常重要的意义。
目前，谐波责任划分方法主要是要区分两端的系统侧和用户侧对pcc点谐波畸变的影响，只能判断出系统侧和电力用户谁负主要谐波源责任，而无法明确计算双方各自的谐波发射量，而且由于谐波阻抗求取困难，进而造成谐波责任评估不准确。这类方法主要用于中压配电网的谐波责任划分，由于低压配电网背景谐波电压含量较高，使用该方法造成的误差更大，谐波责任划分结果准确性比较低。而且，传统的谐波责任划分方法大多是频域方法，要对电流电压进行频谱分解，计算工作量大，也无法准确划分系统侧和用户侧谐波责任。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其方法步骤简单方便，易于实现，不用对信号进行频谱分解，计算量小，能够准确划分系统侧和用户侧谐波责任，为降低电能损耗、谐波治理及经济处罚提供了科学依据。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、测量低压配电网pcc点的相电压和相电流；
步骤二、计算低压配电网pcc点的相电压的有效值u和相电流的有效值i；
步骤三、计算低压配电网pcc点的有功功率p；
步骤四、计算低压配电网pcc点的等效电导g；
步骤五、计算低压配电网pcc点的有功电流和有功电流的有效值ip；其中，将t时刻低压配电网pcc点的有功电流瞬时值记为ip(t)；
步骤六、计算低压配电网pcc点的感性无功电流iql(t)、感性无功电流的有效值iql、容性无功电流iqc(t)、容性无功电流的有效值iqc、感性剩余电流iqlr(t)、感性剩余电流的有效值iqlr、容性剩余电流iqlr(t)和容性剩余电流的有效值iqcr；
步骤七、进行低压配电网谐波责任的划分，具体方法为：
步骤701、根据低压配电网pcc点的感性剩余电流的有效值iqlr和容性剩余电流的有效值iqcr，判断低压配电网系统中是否有谐波源，当判断为低压配电网系统中有谐波源时，再判断低压配电网系统的谐波源来自系统侧还是用户侧，还是同时来自系统侧和用户侧；
步骤702、当判断为低压配电网系统的谐波源来自系统侧时，将低压配电网谐波责任划分给系统侧，并计算系统侧的谐波电流大小ish；当判断为低压配电网系统的谐波源来自用户侧时，将低压配电网谐波责任划分给用户侧，并计算用户侧的谐波电流大小ich；当判断为低压配电网系统的谐波源同时来自系统侧和用户侧时，计算系统侧的谐波电流大小ish和用户侧的谐波电流大小ich，并根据谐波电流大小进行谐波责任划分，谐波电流越大责任越大，谐波电流越小责任越小。
上述的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于：步骤一中所述测量低压配电网pcc点的相电压和相电流时，将一个采样周期内第n个相电压的瞬时采样值记为u(n)，将t时刻低压配电网pcc点的相电压的瞬时采样值记为u(t)；将一个采样周期内第n个相电流的瞬时采样值记为i(n)，将t时刻低压配电网pcc点的相电流的瞬时采样值记为i(t)；其中，n的取值为1～n的自然数，n为一个采样周期内相电压或相电流的采样点总数。
上述的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于：步骤二中计算低压配电网pcc点的相电压的有效值u采用的计算公式为
上述的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于：步骤三中计算低压配电网pcc点的有功功率p采用的计算公式为
上述的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于：步骤四中计算低压配电网pcc点的等效电导g采用的计算公式为
上述的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于：步骤五中所述计算低压配电网pcc点的有功电流时，计算t时刻低压配电网pcc点的有功电流瞬时值ip(t)采用的计算公式为ip(t)＝g·u(t)；步骤五中所述计算低压配电网pcc点的有功电流的有效值ip采用的计算公式为
上述的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于：步骤五之后还包括计算低压配电网pcc点的无功电流的步骤，将t时刻低压配电网pcc点的无功电流瞬时值记为iq(t)；iq(t)的计算公式为iq(t)＝i(t)-ip(t)。
上述的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于：步骤六中所述计算低压配电网pcc点的感性无功电流iql(t)、感性无功电流的有效值iql、容性无功电流iqc(t)、容性无功电流的有效值iqc、感性剩余电流iqlr(t)、感性剩余电流的有效值iqlr、容性剩余电流iqcr(t)和容性剩余电流的有效值iqcr的具体过程为：
步骤601、对低压配电网pcc点的相电压采用积分算子使相电压相位滞后半个采样周期，得到低压配电网pcc点的相电压积分瞬时值m(t)＝∫u(t)dt，将一个采样周期内第n个相电压的瞬时采样值对应的积分瞬时值记为m(n)；对低压配电网pcc点的相电压采用微分算子使电压相位超前半个采样周期，得到低压配电网pcc点的相电压微分瞬时值v(t)＝u′(t)，将一个采样周期内第n个相电压的瞬时采样值对应的微分瞬时值记为v(n)；
步骤602、根据公式
步骤603、根据公式
步骤604、根据公式
步骤605、根据公式iqlr(t)＝i(t)-ip(t)-iql(t)计算低压配电网pcc点的感性剩余电流iqlr(t)，并根据公式
步骤606、根据公式iqcr(t)＝i(t)-ip(t)-iqc(t)计算低压配电网pcc点的容性剩余电流iqcr(t)，并根据公式
上述的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于：步骤701中所述根据低压配电网pcc点的感性剩余电流的有效值iqlr和容性剩余电流的有效值iqcr，判断低压配电网系统中是否有谐波源，采用的判断方法为：当iqlr＝0或iqcr＝0时，判断为低压配电网系统中无谐波源；当iqlr≠0或iqcr≠0时，判断为低压配电网系统中有谐波源；
步骤701中所述判断低压配电网系统的谐波源来自系统侧还是用户侧，还是同时来自系统侧和用户侧，采用的方法为：当iql＝-iqc时，判断为低压配电网系统的谐波源来自用户侧；当iql≠-iqc且iqlr＜＜iql时，或当iql≠-iqc且iqcr＜＜iql时，判断为低压配电网系统的谐波源来自系统侧；当iql≠-iqc且iqlr≈iql时，或当iql≠-iqc且iqcr≈iql时，或当iql≠-iqc且iqlr>iql时，或当iql≠-iqc且iqcr>iql时，判断为低压配电网系统的谐波源同时来自系统侧和用户侧。
上述的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，其特征在于：步骤702中所述当判断为低压配电网系统的谐波源来自系统侧时，将低压配电网谐波责任划分给系统侧，并计算系统侧的谐波电流大小ish，采用的计算公式为ish＝ih；其中，ih为低压配电网的总谐波电流的有效值且
步骤702中所述当判断为低压配电网系统的谐波源来自用户侧时，将低压配电网谐波责任划分给用户侧，并计算用户侧的谐波电流大小ich，采用的计算公式为ich＝iqlr；
步骤702中所述当判断为低压配电网系统的谐波源同时来自系统侧和用户侧时，计算用户侧的谐波电流大小ich用的计算公式为ich＝iqlr，计算系统侧的谐波电流大小ish采用的计算公式为ish＝ih-ich。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明利用低压配电网pcc点处测量到的相电压和相电流划分谐波责任，避免了网络参数和谐波阻抗的计算，简单方便，易于实现。
2、本发明针对传统的方法在含有背景谐波电压条件下谐波责任评估不准确的情况提出了一种解决方案，能够将低压配电网系统的背景谐波电压转化为相应的谐波剩余电流，实现系统侧谐波责任量化计算。
3、本发明提出了一种时域的谐波责任划分方法，不用对信号进行频谱分解，计算量小，且能够准确划分系统侧和用户侧谐波责任。
4、本发明针对现有方法只能判断出主要谐波源责任的情况，提出了一种基于剩余电流的谐波责任划分方法，能够实现低压配电网pcc点处系统侧和用户侧的谐波责任判别，并能准确量化双方谐波电流大小，为降低电能损耗、谐波治理及经济处罚提供了科学依据，能够对低压配电系统的安全、经济运行提供帮助。
综上所述，本发明的方法步骤简单方便，易于实现，不用对信号进行频谱分解，计算量小，能够准确划分系统侧和用户侧谐波责任，为降低电能损耗、谐波治理及经济处罚提供了科学依据。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法的方法流程框图。
图2a为本发明试验一中低压配电网pcc点电压波形图。
图2b为本发明试验一中低压配电网pcc点电流波形图。
图3a为本发明试验一中低压配电网pcc点容性无功电流波形图。
图3b为本发明试验一中低压配电网pcc点容性剩余电流波形图。
图3c为本发明试验一中低压配电网pcc点感性无功电流波形图。
图3d为本发明试验一中低压配电网pcc点感性剩余电流波形图。
图4a为本发明试验二中低压配电网pcc点电压波形图。
图4b为本发明试验二中低压配电网pcc点电流波形图。
图5a为本发明试验二中低压配电网pcc点容性无功电流波形图。
图5b为本发明试验二中低压配电网pcc点容性剩余电流波形图。
图5c为本发明试验二中低压配电网pcc点感性无功电流波形图。
图5d为本发明试验二中低压配电网pcc点感性剩余电流波形图。
图6a为本发明试验二中低压配电网pcc点电压波形图。
图6b为本发明试验二中低压配电网pcc点电流波形图。
图7a为本发明试验二中低压配电网pcc点容性无功电流波形图。
图7b为本发明试验二中低压配电网pcc点容性剩余电流波形图。
图7c为本发明试验二中低压配电网pcc点感性无功电流波形图。
图7d为本发明试验二中低压配电网pcc点感性剩余电流波形图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的基于剩余电流的低压配电网谐波责任划分方法，包括以下步骤：
步骤一、测量低压配电网pcc点的相电压和相电流；
本实施例中，步骤一中所述测量低压配电网pcc点的相电压和相电流时，将一个采样周期内第n个相电压的瞬时采样值记为u(n)，将t时刻低压配电网pcc点的相电压的瞬时采样值记为u(t)；将一个采样周期内第n个相电流的瞬时采样值记为i(n)，将t时刻低压配电网pcc点的相电流的瞬时采样值记为i(t)；其中，n的取值为1～n的自然数，n为一个采样周期内相电压或相电流的采样点总数。
步骤二、计算低压配电网pcc点的相电压的有效值u和相电流的有效值i；
本实施例中，步骤二中计算低压配电网pcc点的相电压的有效值u采用的计算公式为
步骤三、计算低压配电网pcc点的有功功率p；
本实施例中，步骤三中计算低压配电网pcc点的有功功率p采用的计算公式为
步骤四、计算低压配电网pcc点的等效电导g；
本实施例中，步骤四中计算低压配电网pcc点的等效电导g采用的计算公式为
步骤五、计算低压配电网pcc点的有功电流和有功电流的有效值ip；其中，将t时刻低压配电网pcc点的有功电流瞬时值记为ip(t)；
本实施例中，步骤五中所述计算低压配电网pcc点的有功电流时，计算t时刻低压配电网pcc点的有功电流瞬时值ip(t)采用的计算公式为ip(t)＝g·u(t)；步骤五中所述计算低压配电网pcc点的有功电流的有效值ip采用的计算公式为
本实施例中，步骤五之后还包括计算低压配电网pcc点的无功电流的步骤，将t时刻低压配电网pcc点的无功电流瞬时值记为iq(t)；iq(t)的计算公式为iq(t)＝i(t)-ip(t)。
步骤六、计算低压配电网pcc点的感性无功电流iql(t)、感性无功电流的有效值iql、容性无功电流iqc(t)、容性无功电流的有效值iqc、感性剩余电流iqlr(t)、感性剩余电流的有效值iqlr、容性剩余电流iqlr(t)和容性剩余电流的有效值iqcr；
本实施例中，步骤六中所述计算低压配电网pcc点的感性无功电流iql(t)、感性无功电流的有效值iql、容性无功电流iqc(t)、容性无功电流的有效值iqc、感性剩余电流iqlr(t)、感性剩余电流的有效值iqlr、容性剩余电流iqcr(t)和容性剩余电流的有效值iqcr的具体过程为：
步骤601、对低压配电网pcc点的相电压采用积分算子使相电压相位滞后半个采样周期，得到低压配电网pcc点的相电压积分瞬时值m(t)＝∫u(t)dt，将一个采样周期内第n个相电压的瞬时采样值对应的积分瞬时值记为m(n)；对低压配电网pcc点的相电压采用微分算子使电压相位超前半个采样周期，得到低压配电网pcc点的相电压微分瞬时值v(t)＝u′(t)，将一个采样周期内第n个相电压的瞬时采样值对应的微分瞬时值记为v(n)；
步骤602、根据公式
步骤603、根据公式
步骤604、根据公式
步骤605、根据公式iqlr(t)＝i(t)-ip(t)-iql(t)计算低压配电网pcc点的感性剩余电流iqlr(t)，并根据公式
步骤606、根据公式iqcr(t)＝i(t)-ip(t)-iqc(t)计算低压配电网pcc点的容性剩余电流iqcr(t)，并根据公式
步骤七、进行低压配电网谐波责任的划分，具体方法为：
步骤701、根据低压配电网pcc点的感性剩余电流的有效值iqlr和容性剩余电流的有效值iqcr，判断低压配电网系统中是否有谐波源，当判断为低压配电网系统中有谐波源时，再判断低压配电网系统的谐波源来自系统侧还是用户侧，还是同时来自系统侧和用户侧；
本实施例中，步骤701中所述根据低压配电网pcc点的感性剩余电流的有效值iqlr和容性剩余电流的有效值iqcr，判断低压配电网系统中是否有谐波源，采用的判断方法为：当iqlr＝0或iqcr＝0时，判断为低压配电网系统中无谐波源；当iqlr≠0或iqcr≠0时，判断为低压配电网系统中有谐波源；
步骤701中所述判断低压配电网系统的谐波源来自系统侧还是用户侧，还是同时来自系统侧和用户侧，采用的方法为：当iql＝-iqc时，判断为低压配电网系统的谐波源来自用户侧；当iql≠-iqc且iqlr＜＜iql时，或当iql≠-iqc且iqcr＜＜iql时，判断为低压配电网系统的谐波源来自系统侧；当iql≠-iqc且iqlr≈iql时，或当iql≠-iqc且iqcr≈iql时，或当iql≠-iqc且iqlr>iql时，或当iql≠-iqc且iqcr>iql时，判断为低压配电网系统的谐波源同时来自系统侧和用户侧。
步骤702、当判断为低压配电网系统的谐波源来自系统侧时，将低压配电网谐波责任划分给系统侧，并计算系统侧的谐波电流大小ish；当判断为低压配电网系统的谐波源来自用户侧时，将低压配电网谐波责任划分给用户侧，并计算用户侧的谐波电流大小ich；当判断为低压配电网系统的谐波源同时来自系统侧和用户侧时，计算系统侧的谐波电流大小ish和用户侧的谐波电流大小ich，并根据谐波电流大小进行谐波责任划分，谐波电流越大责任越大，谐波电流越小责任越小。
本实施例中，步骤702中所述当判断为低压配电网系统的谐波源来自系统侧时，将低压配电网谐波责任划分给系统侧，并计算系统侧的谐波电流大小ish，采用的计算公式为ish＝ih；其中，ih为低压配电网的总谐波电流的有效值且
步骤702中所述当判断为低压配电网系统的谐波源来自用户侧时，将低压配电网谐波责任划分给用户侧，并计算用户侧的谐波电流大小ich，采用的计算公式为ich＝iqlr；
步骤702中所述当判断为低压配电网系统的谐波源同时来自系统侧和用户侧时，计算用户侧的谐波电流大小ich用的计算公式为ich＝iqlr，计算系统侧的谐波电流大小ish采用的计算公式为ish＝ih-ich。
为了验证本发明能够产生的效果，进行了以下试验：
试验一、在低压配电网pcc点处，系统侧为谐波源，有谐波电压；电力用户侧为非谐波源，不发射谐波电流，低压配电网pcc点电压波形如图2a所示，低压配电网pcc点电流波形如图2b所示，可见电压波形、电流波形有畸变，低压配电网pcc点容性无功电流波形如图3a所示，低压配电网pcc点容性剩余电流波形如图3b所示，低压配电网pcc点感性无功电流波形如图3c所示，低压配电网pcc点感性剩余电流波形如图3d所示，根据本发明方法计算的计算结果如表1所示。
表1低压配电网pcc点的各电流有效值及总谐波电流有效值
根据表1列出的计算结果可知，系统的剩余电流不为零，感性和容性无功电流分量不相等，剩余电流远远小于无功电流时，低压配电网的谐波来自于系统侧，系统侧发射的谐波电流大小为ish＝ih＝0.13024(a)。
可见，该谐波电流是由背景谐波电压产生，本发明实现了将背景谐波电压转为谐波电流的目的。
试验二、在低压配电网pcc点处，系统侧不发射谐波，电力用户侧为谐波源，发射谐波电流。低压配电网pcc点处的电压波形如图4a所示，低压配电网pcc点电流波形如图4b所示，可见电流波形有畸变，低压配电网pcc点容性无功电流波形如图5a所示，低压配电网pcc点容性剩余电流波形如图5b所示，低压配电网pcc点感性无功电流波形如图5c所示，低压配电网pcc点感性剩余电流波形如图5d所示，根据本发明方法计算的计算结果如表2所示。
表2低压配电网pcc点的各电流有效值及总谐波电流有效值
根据表2列出的计算结果可知，系统的剩余电流不为零，感性和容性无功电流分量大小相等，剩余无功电流和无功电流大小为同一数量级，低压配电网的谐波来自于电力用户侧，用户侧发射的谐波电流大小为ich＝iqlr＝13.35073(a)。
可见，由于用户侧负载的非线性引起谐波电流。
试验三、在低压配电网pcc点处，系统侧有谐波电压；用户为谐波源，发射谐波电流，低压配电网pcc点处的电压波形如图6a所示，低压配电网pcc点电流波形如图6b所示，可见电压、电流波形有畸变，可知在pcc点测量到的电压和电流信号是用户及背景谐波电压造成的谐波耦合，无法区分谐波源的责任。低压配电网pcc点容性无功电流波形如图7a所示，低压配电网pcc点容性剩余电流波形如图7b所示，低压配电网pcc点感性无功电流波形如图7c所示，低压配电网pcc点感性剩余电流波形如图7d所示，根据本发明方法计算的计算结果如表3所示。
表3低压配电网pcc点的各电流有效值及总谐波电流有效值
根据表3列出的计算结果可知，系统的剩余电流不为零，感性和容性无功电流分量不相等，剩余无功电流大于无功电流时，系统的剩余电流主要来自于负载侧(非正弦电压引起的剩余电流太小可以忽略)，因此，电力用户侧发射的谐波电流大小为ich＝iqlr＝14.20683(a)，系统侧发射的谐波电流大小为ish＝ih-ich＝15.07558-14.20683＝0.86875(a)。
综上所述，通过本发明的方法能够很好地判别谐波责任是来自于系统侧还是电力用户侧，即背景谐波电压还是非线性负载引起的谐波，本发明实现了将背景谐波电压转为谐波电流的目的，并且能量化各谐波电流的大小。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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