一种判断系统侧为主要谐波源的谐波溯源方法
【专利摘要】本发明提供了一种判断系统侧为主要谐波源的谐波溯源方法，包括：以系统侧和用户侧对公共连接点处谐波电压贡献度大小作为判断两侧谐波源作用大小的判据；利用诺顿等值电路作为系统侧和用户侧谐波源的分析模型；利用电压矢量叠加原理，对公共连接点处谐波电压进行分解，比较两侧对公共连接点处谐波电压畸变贡献度，求出系统侧为主要谐波源的充分必要条件；根据系统侧阻抗和用户侧阻抗固有特征，结合公共连接点处谐波电压电流测量信息，并根据测量得到的谐波电压和谐波电流夹角的不同，分类判断系统侧为主要谐波源。该方法可用于解决判断公共连接点处系统侧是否为主要谐波源的谐波溯源问题，具有较强的工程实用性。
【专利说明】
一种判断系统侧为主要谐波源的谐波溯源方法
技术领域
[0001] 本发明属于电能质量谐波分析领域，尤其涉及利用公共连接点监测数据判断系统 侧为主要谐波源的谐波溯源方法。
【背景技术】
[0002] 电网的电能质量问题一直是电力部门关注的重要问题。电力系统中的谐波污染问 题正变得日益严重，给电网的经济运行及用户用电造成了极大的影响。目前，各国在电能质 量研究方面取得了一些进展，但很多问题难以解决或达成共识，尤其是电网公共连接点处 实际谐波主要来源的判定。虽然不断有新的理论和算法用于该方面的研究，但这些理论尚 未得到统一的认识，还需进一步探讨。此外，用于工程实践的谐波源追溯技术即谐波溯源方 法还很不成熟，应用上存在局限甚至错误，需要寻找新的理论基础和技术指标。
[0003] 判断系统侧为主要谐波源的实质是检测系统侧对公共连接点谐波电压的影响程 度。如果系统侧影响大，则认为系统侧为主要谐波源。自从"奖惩性方案"的观点提出后，国 内外的科技工作者在这方面做了许多深入的探讨。它的基本思想是：系统与用户在额定的 范围内正常交易，如果系统不能保证供电质量，用户应当得到赔偿;如果用户的污染指标恶 化，则系统在保证向用户正常供电的前提下，收取额外的惩罚费用。这种奖惩性的供电方 案，以正确判别公共连接点处主要谐波污染来源为前提，这种方案虽然能够对谐波污染进 行合理控制，但是还有很多问题需要解决。由于系统侧谐波源大小不能直接测量，判断系统 侧为主要谐波源的谐波溯源方法一直是谐波研究中的一个难点，尤其是当公共连接点两侧 都存在谐波源时，更难判断系统侧是否为主要谐波源。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是利用公共连接点处测量数据如何正确判断系统侧 为主要谐波源。针对系统侧谐波源大小不能直接测量的难点，有必要寻找新的理论基础和 技术指标，得到判断系统侧为主要谐波源的谐波溯源方法。
[0005] 本发明所采用的技术方案是：
[0006] -种判断系统侧为主要谐波源的谐波溯源方法，包括如下步骤：
[0007] 步骤一、对于出现谐波污染的公共连接点，采用电能质量录波仪对公共连接点处 畸变的电压和电流波形进行采集，并利用快速傅里叶变换求出各次谐波的含量或大小，找 出特征次谐波；
[0008] 步骤二、利用诺顿等值电路作为系统侧和用户侧谐波源的分析模型，根据基尔霍 夫电流定律得
。其中4、A分别为系统侧和用户侧等值谐波电流 源，ZU、Z。分别为系统侧和用户侧等值谐波阻抗，0_、分别为PCC(Point of Common Coupling，公共连接点）处测得的h次(谐波次数)谐波电压和谐波电流。以谐波电压为参考 相量，则谐波电流㈧，V为电压单位伏;A为电流单位安J为谐波 电压和电流的夹角，t的幅值为υΡ。。Λ。的幅值为ip。。。另外，&的幅值为iu，矣的幅值为I。; zu 的幅值为|zu|，z。的幅值为|z。！。
[0009] 步骤三、利用电压矢量叠加原理，对PCC处谐波电压进行分解，比较两侧对PCC处谐 波电压畸变贡献度。系统侧为主要谐波源的充分必要条件是Iu>I。，等价于Ιυ 2-Ι^>〇,将公式 变形为
其中，au 为系统侧阻抗角，a。为用户侧阻抗角。
[0010] 步骤四、根据步骤三中I u2和I c2的表达式可得I u2 - I c2的表达式
，通过判断公式右边的正负，可作为判 断系统侧是否为主要谐波源的条件，，则 可判断系统侧为主要谐波源。
[0011] 因为实际电力系统中两侧谐波阻抗的性质可能为感性也可能为容性，所以需要根 据阻抗性质的不同，分以下几种情况：
[0012] 情况1、系统侧和用户侧阻抗同为感性:当测量得到的夹角P在第四象限时，可得步 骤四中判断条件在夹角识位于第四象限时恒成立，即系统侧为主要谐波源。
[0013] 情况2、两侧阻抗同为容性:当Η立于第一象限时，可判断系统侧为主要谐波源。
[0014] 情况3、系统侧谐波阻抗为感性和用户侧谐波阻抗为容性:当Ρ在第四象限时，由于 步骤四中判断条件的第四项余弦值符号的不确定性，需进一步深入分析。
[0015] 考虑两侧谐波阻抗电抗分量大于电阻分量时：① ^>2#2,5°:IU>I。成立，可判断系统 侧为主要谐波源；②Ρ<292.5°:需满足|Z e|>+ |Ztt|,才可判断系统侧为主要谐波源。实际情况 中，I Z。|至少为| Zu |的数倍，所以一般情况下，满足系统侧为主要谐波源条件。
[0016] 情况4、当系统侧谐波阻抗Zu呈容性和用户侧谐波阻抗Z。呈感性时，所有区间边界 值与Zu呈感性、Z。呈容性在180°处具有镜像对称性，且判断条件不变。即当Η立于第一象限 时，可判断系统侧为主要谐波源。本发明方法所有情况的使用方法归纳至表1。方法使用条 件为：（一般情况下：I Zc I > I Zu I，270。，<292.5。： |ZC|># 1?)。
[0017] 表1判断系统侧为主要谐波源
[0019] 情况5、对系统侧为主要谐波源的分析可知，当PCC处谐波有功功率方向由系统侧 指向用户侧时，不能直接判断系统侧为主要谐波源，还需根据阻抗性质进一步判断。若谐波 电压电流夹角Η立于第四象限且系统侧阻抗呈感性，或谐波电压电流夹角Η立于第一象限且 系统侧阻抗呈容性，则系统侧为主要谐波源。
[0020] 本发明所提方法实际工程操作简便，与其他传统方法相比有着较快的求解速度， 不需要利用实测数据进行计算，只需根据测量得到的谐波电压电流夹角数据和两侧阻抗性 质即可准确判断系统侧为主要谐波源，具有较强的工程实用性，便于实际工程应用。
【附图说明】
[0021] 图1是系统侧和用户侧谐波源诺顿等效电路；
[0022] 图2是两侧阻抗同为感性时的相量图(f在第四象限）；
[0023] 图3是感性系统阻抗、容性用户阻抗的相量图在第四象限）；
[0024]图4是本发明的工作流程示意图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图对本发明的判断系统侧为主要谐波源的谐波溯源方法的具体实施 方式作详细描述。
[0026]具体实施步骤如下：
[0027] 步骤一、对于出现谐波污染的公共连接点，采用电能质量录波仪对公共连接点PCC 处畸变的电压和电流波形进行采集，并利用快速傅里叶变换求出各次谐波的含量或大小；
[0028] 步骤二、利用图1所示为诺顿等值电路作为系统侧和用户侧谐波源的分析模型，根 据基尔霍夫电流定律得：
[0030] 其中/"、人分别为系统侧和用户侧等值谐波电流源，ZU、Z。分别为系统侧和用户侧 等值谐波阻抗，&_、?分别为PCC处测得的h次谐波电压和谐波电流。以谐波电压为参考相 量，匕=6_^0°(￥)，则谐波电流" =/ρα·Ζ>(Α)ι为谐波电压和电流的夹角，的幅值为 Up。。，^.的幅值为Ip。。。另外Λ的幅值为Iu，之的幅值为I。。的幅值为|z u|，z。的幅值为|z。|。
[0031] 步骤三、利用电压矢量叠加原理，对PCC处谐波电压进行分解，比较两侧对PCC处谐 波电压畸变贡献度。系统侧为主要谐波源的充分必要条件是I U>I。，等价于I^-Ic^O,将公式 变形为
[0034]其中，au为系统侧阻抗角，α。为用户侧阻抗角。
[0035]步骤四、根据公式(2)和公式(3)，用公式(2)减公式(3)可得
[0037]通过判断公式(4)右边的正负，即可作为判断系统侧是否为主要谐波源的条件，并 对判断条件化简，若有
[0039] 则可判断系统侧为主要谐波源。
[0040] 因为实际电力系统中两侧谐波阻抗的性质可能为感性也可能为容性，所以需要根 据阻抗性质的不同，分以下几种情况：
[0041] 情况1、当系统侧和用户侧阻抗同为感性：
[0042] 当测量得到的夹角9在第四象限且两侧阻抗同为感性时，因为用户侧谐波阻抗模 长大于系统侧谐波阻抗模长（I Z。| > | Zu | )，所以公式(5)左边前两项大于零;因为两侧阻抗同 为感性，au和α。属于(0°，90°)范围，所以公式(5)左边后两项的余弦项恒为正。可得不等式 (5)在夹角糾立于第四象限时恒成立，即系统侧为主要谐波源。
[0043] 图2描述了公式（1)中各相量的关系，其中9US_-4^_与的夹角，0。为1与 t ?的夹角，且I |>|心/?丨"将相量和'向相量投影，因为0U恒为钝角，Θ。恒为 锐角，所以有IU>I C成立。
[0044] 情况2、当两侧阻抗同为容性时，推导过程同上，可知Η立于第一象限时，也有IU>I C 成立，此时可判断系统侧为主要谐波源。
[0045] 情况3、当系统侧谐波阻抗为感性和用户侧谐波阻抗为容性：
[0046] 当f在第四象限且系统侧谐波阻抗Zu呈感性、用户侧谐波阻抗Zc呈容性时，由于式 (5)第四项余弦值符号的不确定性，无法直接得到使不等式(5)成立的阻抗参数条件，还需 进一步深入分析。
[0047] 考虑两侧谐波阻抗电抗分量大于电阻分量时，有系统侧谐波阻抗角％和用户侧谐 波阻抗角负值_ac属于(45°，90° )。设为系统侧谐波电流源幅值，其最小值为Iumin， /c(%ac)为用户侧谐波电流源幅值，其最大值为I cmax。图3中，利用几何学余弦定理可得到： /c(f，etc)始终在a c = -90°时取至『292.5°时函数最小值点发生改变。
[0048] (1/^^292.5 :在au = 90 时，Iu = Iumin。右 | Zu I = I Zc I，则Iumin= Icmax，因为电网中 | Zu I〈 zc|，所以有iumin>i cmax ，则iu>ic成立；
[0049] ②《<292.5°:在au = 45°时，Iu = Iumin。证明同上，但需满足|Zc|># |Zd|。实际情况中， zc |至少为| zu |的数倍，满足系统侧为主要谐波源条件。
[0050] 情况4、当Zu呈容性丄呈感性时，推导过程与上述类似，所有区间边界值与Z u呈感 性、Z。呈容性在180°处具有镜像对称性，且判断条件不变。即当f位于第一象限时，可判断系 统侧为主要谐波源。本发明方法所有情况的使用方法归纳至表1。方法使用条件为：（一般情 况下：I zc I > I Zu I，錄通2.3°: ΙΛ卜ΙΛΙ)。
[0051] 表1判断系统侧为主要谐波源
[0053]情况5、对系统侧为主要谐波源的分析可知，当PCC处谐波有功功率方向由系统侧 指向用户侧时，不能直接判断系统侧为主要谐波源，还需根据阻抗性质进一步判断。若谐波 电压电流夹角Η立于第四象限且系统侧阻抗呈感性，或谐波电压电流夹角Η立于第一象限且 系统侧阻抗呈容性，则系统侧为主要谐波源。整套判断系统侧为主要谐波源的方法流程图， 见图4,方法在等效模型建立、公共连接点选取和数据测量方面都很简便，与其他传统方法 相比有着较快的求解速度，不需要利用实测数据进行大量计算，只需根据测量角度及两侧 阻抗性质即可判断，具有较强的工程实用性。
[0054]根据本发明的方法，对某城市局部电网负荷接入点的实测数据进行分析。该城市 电网中直流落点作为谐波源从500kV输电网向10kV配电网传播，用户侧非线性负荷作为谐 波源从10kV配电网向500kV输电网传播。已知：该城市电网系统侧为感性，用户侧由于城市 电网大量使用电缆，以及装有大容量滤波装置，使用户侧呈容性。电网中11次谐波严重超 标，为判断某10kV变电站谐波污染主要来自系统侧还是用户侧，现对该站的电压电流畸变 波形进行录波，并提取出11次谐波电压和谐波电流数据。
[0055] PCC处的谐波电压幅值为117V，谐波电流幅值为2A，谐波电压电流夹角P为342°，并 且对长时间的监测数据进行分析，其谐波电压电流夹角始终在(330°，354° )之间波动。可 知:该站系统侧呈感性，用户侧呈容性，谐波电压电流夹角始终在(330°，354°)之间。可以判 断PCC处谐波主要来自系统侧。
[0056] 本发明所提方法实际工程操作简便，与其他传统方法相比有着较快的求解速度， 不需要利用实测数据进行计算，只需根据测量得到的谐波电压电流夹角数据和两侧阻抗性 质即可准确判断系统侧为主要谐波源，具有较强的工程实用性，便于实际工程应用。
【主权项】
1. 一种判断系统侧为主要谐波源的谐波溯源方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤一、对于出现谐波污染的公共连接点，采用电能质量录波仪对公共连接点处崎变 的电压和电流波形进行采集，并利用快速傅里叶变换求出各次谐波的含量或大小，找出特 征次谐波； 步骤二、利用诺顿等值电路作为系统侧和用户侧谐波源的分析模型，根据基尔霍夫电 流定律得其中4、：/。分别为系统侧和用户侧等值谐波电流源，Zu、Z。 分别为系统侧和用户侧等值谐波阻抗，玲。。、/p。。分别为PCC处测得的h次谐波电压和谐波电 流；W谐波电压为参考相量，馬。。=咕。八，则谐波电流ip。。％。。如(Α)，ν为电压单位伏;A 为电流单位安，9为谐波电压和电流的夹角，的幅值为Up。。，/'P。。的幅值为Ip。。。另外，的幅 值为iu，4的幅值为ic;Zu的幅值为IZuI ,Zc的幅值为IZcI; 步骤Ξ、利用电压矢量叠加原理，对PCC处谐波电压进行分解，比较两侧对PCC处谐波电 压崎变贡献度;系统侧为主要谐波源的充分必要条件是Iu〉I。，等价于1。2-1。2〉0,将公式变形 为，其中，α。为系统 侧阻抗角，Qc为用户侧阻抗角； 步骤四、根据步骤Ξ中I U 2和I C 2的表达式可得I U 2 - I C 2的表达式通过判断公式右边的正负，作为判断系统 侧是否为主要谐波源的条件，化简韦，则可判断系 统侧为主要谐波源。2. 根据权利要求1所述判断系统侧为主要谐波源的谐波溯源方法，其特征在于： 根据步骤四得到的判断系统侧是否为主要谐波源的条件，需要根据阻抗性质的不同， 分W下几种情况： 情况1、系统侧和用户侧阻抗同为感性：当测量得到的夹角0在第四象限时，可得步骤四 中判断条件在夹角例立于第四象限时恒成立，即系统侧为主要谐波源； 情况2、两侧阻抗同为容性:当f位于第一象限时，可判断系统侧为主要谐波源； 情况3、系统侧谐波阻抗为感性和用户侧谐波阻抗为容性：当g在第四象限时，由于步骤 四中判断条件的第四项余弦值符号的不确定性，需进一步深入分析； 当两侧谐波阻抗电抗分量大于电阻分量时：①庐>292.5。;1。〉1。成立，判断系统侧为主要 谐波源;:需满周勾>^β岡，才能判断系统侧为主要谐波源； 情况4、当系统侧谐波阻抗Zu呈容性和用户侧谐波阻抗Zc呈感性时，所有区间边界值与 Zu呈感性、Zc呈容性在180°处具有镜像对称性，且判断条件不变；即当則立于第一象限时，判 断系统侧为主要谐波源； 本方法所有情况的使用方法归纳至表1 ;使用条件为:|勾>|勾，270°<口<292.5°; !勾>^/^|Zu|; 表1判断系统侧为主要谐波源情况5、对系统侧为主要谐波源的分析可知，当PCC处谐波有功功率方向由系统侧指向 用户侧时，不能直接判断系统侧为主要谐波源，还需根据阻抗性质进一步判断;若谐波电压 电流夹角列立于第四象限且系统侧阻抗呈感性，或谐波电压电流夹角則立于第一象限且系统 侧阻抗呈容性，则系统侧为主要谐波源。
【文档编号】G01R23/16GK106093570SQ201610402237
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】肖楚鹏, 邱泽晶, 许朝阳, 王智琦, 冷月, 丁胜, 陈小飞, 向洁, 胡锦, 郭松
【申请人】南瑞（武汉）电气设备与工程能效测评中心, 四川大学, 国网湖北省电力公司, 国家电网公司