一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法，具体包括以下步骤：步骤S1：测量公共联接点，即PCC点处系统和该处所有用户的相关物理量；步骤S2：计算PCC点处的谐波畸变功率DH；步骤S3：判断PCC点处的污染程度；步骤S4：计算PCC点处各个用户的谐波畸变功率；步骤S5：多次计算后确定用户应该承担的责任。本发明是目前唯一利用畸变功率量化谐波责任的专有技术，避免了现有方法所需谐波阻抗估计，准确度更高，可操作性更强，并与智能电网中大量采用的智能电表结合，更适合工程应用。
【专利说明】
一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电网领域，特别是涉及一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方 法。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济和智能电网的发展，大量电力电子、电弧炉、冲击性、间歇性装置与 负荷越来越多地接入系统，电力系统内的电流和电压波形畸变越来越严重，由此造成巨大 的谐波污染，已危及电力网和用电设备自身的安全和经济运行。为此，谐波问题的分析和综 合治理已成为国内外广泛关注的课题。
[0003] 谐波源是指向电网中注入谐波电流和产生谐波电压的电气设备，通常是指一些非 线性设备。在公共联接点处(PCC点）的谐波测量值是由该处所有用户谐波发射共同作用的 结果，通过量化各个负荷的谐波贡献度，采用经济手段对谐波源负荷进行惩罚，对谐波的受 害者进行补偿，引导用户采取适当的途径控制注入系统的谐波电流，是谐波防治的有效措 施。因此，正确识别谐波源，度量谐波贡献，进行谐波责任分摊，具有重要理论价值和工程意 义。
[0004] 现有的谐波源识别主要是基于谐波有功功率方向PH的检测，这种方法简单方便， 但是只有在非线性负载足够大或者其他非线性负载解耦时才成立，精度不足。因此，有一些 学者建议监测谐波无功功率方向QH。这两种方法互为补充，采用哪种方法取决于负荷的电 阻和电抗的平衡。但是在很多情况下，阻抗特征的确定是很难的。
[0005] 现有的谐波责任分摊方法主要分为两类:干预法和非干预法。干预法通过人为产 生扰动，非干预法利用系统自身的谐波源以及可测量参数，两者都是通过估计谐波阻抗，进 而进行谐波贡献度计算，明确各个负荷的谐波责任。虽然谐波阻抗的计算精度通过各种方 法在不断改善，但是在实际工程上，谐波阻抗值是时变的，要得到精确的谐波阻抗非常困 难，从而导致谐波贡献度计算值不完全准确，并且不易于工程实现。
[0006] "干预式"方法主要通过人为方式产生扰动，如向系统注入谐波电流、间谐波电流， 或通过开断系统某一支路来进行系统侧谐波阻抗的测量。通过这种方法，可以较准确的计 算出谐波阻抗，并由此进行谐波责任划分，但这种扰动可能会对电力系统正常运行产生不 利的影响，因此该类方法不能得到广泛应用。
[0007] 非干预式方法利用系统自身的谐波源以及可测量参数等来估计谐波阻抗和谐波 电压，并由此进行谐波责任划分。现有的方法主要有:波动法，基于被测电压波动量对电流 波动量比值的符号特征的理论研究估计方法，此法对谐波参数测量的准确度要求较高，同 时还需要测量值有足够大的波动;线性回归法，在戴维南等值电路中通过测量值(复数）的 实部、虚部构造方程，估计谐波阻抗，此法需要系统较为稳定，但是由于负荷、电网参数以及 系统运行方式的不断变化，计算方法仍然不太成熟。
[0008] 实际应用中，常用谐波有功功率的方向、大小用于识别谐波源和量化谐波污染。认 为如果是线性负载，ΡΗ>0;如果负载非线性的而且产生谐波能量，那么ΡΗ〈0。实际上，这种方 法只有在非线性负载足够大或者其他非线性负载解耦时才成立，已有学者仿真论证，在几 种实际情况下，该方法不是100%准确。
[0009] 采用以上方法的缺点如下：（1)主要基于围绕谐波电流和谐波阻抗，但要得到精确 的谐波阻抗非常困难；（2) "干预法"进行谐波责任分摊，人为产生的扰动可能会对电力系统 正常运行产生不利的影响；（3) "非干预法"中估计谐波阻抗的计算方法比较复杂，且谐波阻 抗估计精度不高；（4)现有技术均未从电磁功率流的角度，考虑畸变功率，更没有基于电量 采集或计量装置，工程应用困难。
[0010] 谐波源识别、谐波责任分摊方法一直都只基于谐波电压、谐波电流、谐波阻抗，而 电力系统的本质在于电能量的转换和传输，而其中的电能量主要是电功率和电功率对时间 的积分（电量），所以基于功率的理念进行谐波贡献度量化、谐波责任分摊具有正确性和可 行性。
[0011] 因此，基于畸变功率及其各分量的定义，结合在智能电网中广泛使用的智能电表， 计算公共联接点（PCC)的各个用户的畸变功率，进而计算其谐波贡献度，进行谐波责任分 摊，是本专利的核心内容和关键技术。
【发明内容】
[0012] 有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方 法，基于电磁功率流的物质本质，利用可测量得到的畸变功率，结合现有电量采集装置和智 能电表可实现的功能，基于IEEE Std. 1459-2010定义的畸变功率概念。避免现有方法所需 谐波阻抗估计，克服现有方法依赖于精确谐波阻抗的缺陷，并从功率流的角度，科学解释各 谐波源的责任。
[0013] 本发明采用以下方案实现:一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法，具 体包括以下步骤：
[0014] 步骤S1:测量公共联接点，即PCC点处系统和该处所有用户的相关物理量；
[0015]步骤S2:计算PCC点处的谐波畸变功率Dh;
[0016]步骤S3:判断PCC点处的污染程度；
[0017]步骤S4:计算PCC点处各个用户的谐波畸变功率；
[0018] 步骤S5:多次计算后确定用户应该承担的责任。
[0019] 进一步地，所述步骤S1中，利用智能电表与滤波装置测量所需的物理量，所述物理 量包括电流有效值IRMS、电压有效值Urms、视在功率S、全波有功功率P、基波有功功率Pi、基波 无功功率&、基波视在功率Si。
[0020] 进一步地，所述步骤S2中，采用IEEE Std 1459-2014提出的畸变功率Dh定义：
[0022]式中：
[0023] 电流畸变率THDi为：
[0025] 电压畸变率THDv为：
[0027]进一步地，所述步骤S3中，判断Dh与η之间的大小关系;若PCC点处的Dh小于n，则该 PCC点处谐波污染较轻，无需追究各个用户的谐波污染责任，结束计算;若PCC点处的Dh大于 η，则该pcc点处谐波污染较严重，量化各个用户的谐波贡献度。
[0028] 进一步地，所述步骤S4中，如果PCC点处的Dh大于II，进一步对用户侧各个用户计算 谐波畸变功率，对各个负荷采用公式
计算谐波功率DHi;由DHi大 小判断负荷是否为谐波源，如果DHl很小，则该负荷i非谐波源;反之为谐波源，对其进行谐波 责任分摊。
[0029]进一步地，所述步骤S5中，对各个用户进行责任分摊时，将第m个用户的谐波贡献 度定义为：
[0031 ]与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0032] (1)提出从畸变功率出发，为研究谐波责任分摊等谐波问题提供新思路:现有的谐 波责任分摊方法都是基于谐波电流和谐波阻抗，"干预"法和"非干预法"均是为了测量谐波 阻抗，大多数研究致力于不断地提高测量谐波阻抗的精度，但是要精确的测量谐波阻抗依 旧非常困难。本发明专利避免了测量谐波阻抗，基于畸变功率出发，从功率流的内在机制出 发，物理意义明确，能客观、准确地反映各扰动源的谐波贡献度，为研究谐波责任分摊等问 题提供新思路。
[0033] (2)为协调供用电双方矛盾、提高供电质量提供依据:如果分清了谐波污染中各个 用户的责任，合理地进行谐波分摊，由谐波问题造成的供电公司和用户之间的矛盾就可以 迎刃而解，并有利于提高用户的用电质量和供电公司的服务水平。
[0034] (3)根据谐波贡献度，对负荷进行奖惩，有利于谐波防治:在公共联接点处(PCC点） 的谐波测量值是由该处所有用户谐波发射共同作用的结果，通过量化各个负荷的谐波贡献 度，采用经济手段对谐波源负荷进行惩罚，对谐波的受害者进行补偿，引导用户采取适当的 途径控制注入系统的谐波电流，是谐波防治的有效措施。根据本发明专利的方法，可以准确 的量化PCC点处各个用户的谐波贡献度，为谐波治理、谐波防治提供依据。
[0035] (4)提出的方法可与智能电表结合，可操作性强，为计量和检测装置的更新换代提 供新方向，提高其经济效益:提出的方法不需要对电网侧和负荷侧谐波阻抗进行估计，可操 作性更强，可与智能电网中大量采用的智能电表结合，更适合工程应用。只需对现有计量和 检测装置进行小的更新，便可实现谐波源识别和谐波责任划分，提高智能电表等装置的经 济效益。
【附图说明】
[0036]图1是本发明的同轴电缆的坡印廷矢量图。
[0037] 图2是本发明的含背景谐波的电网给线性负荷供电示意图。
[0038] 图3是本发明的线性负荷坡印廷矢量瞬时功率流示意图。
[0039] 图4(a)是本发明的背景谐波电压供电非线性负荷的基本电路图。图4(b)是本发明 的图4(a)的等效电路图。
[0040] 图5是本发明的非线性负荷坡印廷矢量瞬时功率流示意图。
[0041] 图6是本发明的谐波源识别和责任分摊流程图。
[0042] 图7是本发明的多谐波源仿真电路图。
[0043] 图8是本发明的负荷谐波畸变功率变化图。
【具体实施方式】
[0044] 下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
[0045] 本实施例提供一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法，如图6所示，具体 包括以下步骤：
[0046] 步骤S1:测量公共联接点，即PCC点处系统和该处所有用户的相关物理量；
[0047]步骤S2:计算PCC点处的谐波畸变功率Dh;
[0048]步骤S3:判断PCC点处的污染程度；
[0049]步骤S4:计算PCC点处各个用户的谐波畸变功率；
[0050] 步骤S5:多次计算后确定用户应该承担的责任。
[0051]在本实施例中，所述步骤S1中，利用智能电表与滤波装置测量所需的物理量，所述 物理量包括电流有效值Irms、电压有效值Urms、视在功率S、全波有功功率P、基波有功功率Pi、 基波无功功率Qi、基波视在功率Si。
[0052] 在本实施例中，所述步骤S2中，采用IEEE Std 1459-2014提出的畸变功率Dh定义：
[0054] 式中：
[0055] 电流畸变率THDi为：
[0057] 电压畸变率THDv为：
[0059]在本实施例中，所述步骤S3中，判断Dh与η之间的大小关系;若PCC点处的Dh小于n， 则该PCC点处谐波污染较轻，无需追究各个用户的谐波污染责任，结束计算;若PCC点处的Dh 大于η，则该PCC点处谐波污染较严重，量化各个用户的谐波贡献度。
[0060] 在本实施例中，所述步骤S4中，如果PCC点处的Dh大于n，进一步对用户侧各个用户 计算谐波畸变功率，对各个负荷采用公式
计算谐波功率DHi;由 DHl大小判断负荷是否为谐波源，如果DHl很小，则该负荷i非谐波源；反之为谐波源，对其进 行谐波责任分摊。
[0061] 在本实施例中，所述步骤S5中，对各个用户进行责任分摊时，将第m个用户的谐波 贡献度定义为：
[0063] 在本实施例中，所述步骤S1中采用的现有电量采集装置或新型智能电表是基于智 能电网而存在，由电子集成电路组成，能够实现远程交互的智能终端设备，具有数字采样、 CPU分析、数据储存、安全等级高、稳定性强等特点，已成为智能电网智能化终端的代表。根 据《GDW 1354_2013智能电能表功能规范》，智能电表可以计量电流有效值Irms、电压有效值 Urms、视在功率S、全波有功功率P、全波有功功率Q等，只需对智能电表所采集的信号加滤波 装置，便可计算得到基波量，包括:基波电流11、基波电压山、视在功率Si、有功功率Pi、全波 有功功率&。根据《DL_T_645-2007多功能电能表通信协议》，智能电表可以通过通信通道将 数据传入电网管理处，电网管理系统可以根据上述数据，按照公式（1)、（2)、（3)、（4)计算得 到电压畸变率THDI、电流畸变率THDV、畸变功率Dh、谐波贡献度HRm，从而得到各个用户的谐 波贡献度。因此，该谐波源识别与责任分摊方法，可与智能电网中广泛使用的智能电表和电 量采集装置相结合，充分体现其可操作性，具有工程意义。
[0064] 在本实施例中，电网中谐波源与非谐波源的畸变功率有明显区别。经过线性负荷 的谐波电流是本次谐波电压的线性函数，流经非线性负荷的谐波电流是各次谐波电压的复 杂函数。当供电网内含有背景谐波，负荷为线性负荷时，谐波电压和电流变化很小，畸变功 率Dh变化也很小；负荷为非线性负荷时，负荷侧谐波(尤其是谐波电流)变化剧烈，必然导致 畸变功率Dh发生明显变化。因此，识别谐波源，畸变功率是关键因素之一。
[0065] 在本实施例中，用坡印廷矢量分析导体内的功率传递，能给出清晰的物理解释。坡 印亭矢量定义为描述空间任何一点能量密度的流动率，表征了单位面积、单位时间内流入 或流出的电磁能。电磁能通量沿导体传播时的流动密度(功率密度)可用坡印廷矢量量化。 电流在导体内产生电场E和磁场Η，功率从电网侧沿导体传递到负荷侧。以同轴电缆为例，如 图1所示，两端电压为V，导体内电流为i，半径为a、b、c，导体内电解质电场和磁场产生的坡 印廷矢量为：
[0067]坡印廷矢量穿过导体横截面Ji(b2-a2)的电磁功率为：
[0069] 可见，用坡印廷矢量分析导体内的功率传递，能给出清晰的物理解释。
[0070] 在本实施例中，如图2、图3、图4、图5所示，分别分析电网含背景谐波，对线性负荷 和对非线性负荷充电时的功率流，得出畸变功率的分量表示。
[0071] 其中，图2和图3表示含背景谐波的电网给线性负荷供电时，利用坡印亭矢量分析 瞬时功率。当电网侧含有背景谐波，负荷为线性负荷RL时，电网侧电压如式(5)，原理如图2 所示。
[0075]电网侧电压vs可分解为基波分量vsi和谐波分量vsh，并进一步分解为与电流同相和 正交的两个分量：
[0078] 此时，坡印廷矢量瞬时功率流如图3,其中，对应于基波视在功率Si，而 VqliH、VqHil、VqHiH是对应于电压、电流和畸变功率Di、Dv和Dh的瞬时功率。
[0079]由基尔霍夫电压定律可得：
[0082]谐波电流iH引起的瞬时功率为：
[0084] Rimin定义为二阶本征功率（intrinsic power ofthe second-order)，均值为零， 总会伴随谐波有功功率存在，不会引起电网内功率损耗。
[0085] RL吸收的畸变功率Dh瞬时分量为：
[0087]图4和图5为含背景谐波的电网给非线性负荷供电时，利用坡印亭矢量分析瞬时功 率。当电网侧含背景谐波，负荷为非线性负荷NL时，基本原理和等效电路如图4(a)和图4 (b)，NL的坡印廷矢量瞬时功率流如图5所示。
[0088] Rs和Ls为电网的等效参数，电网侧电压如式(5)。
[0089] 此时，流经NL的电流为：
[0099] 谐波电流引起的瞬时功率为：
[0100] (vsh-vh)i 'H=vsHi 'h-vhi 'h (17)
[0101 ]其中，式(24)右侧的第二项为NL谐波电压和电流引起的瞬时功率，即谐波视在功 率：
[0104]式中，第一项为VsH与i 'η引起谐波视在功率SH瞬时分量;第二项为谐波有功功率和 mn次二阶本征功率的一部分;最后一项为Ls与vsh和vh之间的功率振荡。
[0105] NL的畸变功率Dh瞬时分量为：
[0107]式中，第一项刻画背景谐波电压与谐波电流的相互作用；第二项是电网等效参数 吸收的谐波畸变功率。
[0108]由于非线性负荷产生的谐波电流远大于线性负荷引起的谐波电流，比较式（12)和 式（19)，由于非线性负荷谐波电流i 'h大于线性负荷谐波电流ih，因此，非线性负荷畸变功率 PDHNL大于线性负荷畸变PDHRL，该方法提出用畸变功率度量各个谐波源的谐波贡献的技术。
[01 09]在对实际电网内各扰动源负荷谐波贡献度进行量化时，不失一般性，谐波电压和 谐波电流的测量满足IEEE Std 1159-2009标准，以各扰动源负荷的一个生产周期（一般为 24小时），具体可根据实际负荷性质或考核目标需求确定)为考核周期，谐波电压和谐波电 流均按现有标准取95 %概率值，然后计算谐波源的谐波贡献度。
[0110] 在本实施例中，采用实例分析说明谐波源识别和谐波贡献度量化的具体流程和方 法的准确性，分别从理论模型、物理模型两方面论证。
[0111] 理论模型：
[0112] 以一个带多谐波源的电网模型进行仿真分析，常见接入电网的非线性负荷主要 有：电子控制装置、晶闸管控制设备等，这些负荷通常为典型的谐波源。为不失一般性，对图 7所示电网进行仿真，其中，L1为纯电阻性负荷;L2为补偿无功和滤除电网内谐波的无源滤 波器;L3为晶闸管控制电抗(TCR)型静止无功补偿装置(SVC);L4为桥式整流负荷;L5为PWM 整流负荷;L6为晶闸管控制直流调速器负荷。
[0113] 电网侧的背景谐波电压如表1，基波额定电压220V，基频50Hz。
[0114] 表1电网侧背景谐波电压
[0116] (1)在PCC点处仿真计算各个物理量，包括：电流有效值Irms、电压有效值Urms、视在 功率S、基波有功功率Pi、全波有功功率P、无功功率Q，此例子中的测量值如表2;
[0117] (2)在PCC点测量计算谐波谐波畸变功率Dh，根据式1和表3，计算得到PCC点出的Dh = 205.85，分析得出此处的谐波污染较严重，需要对量化各个负荷的谐波贡献度，对其进行 谐波责任追究；
[0118] (3)进一步对用户侧各个用户测量计算谐波畸变功率，对各个负荷按照式1计算谐 波功率DHi，计算结果如表3，
[0119] (4)对各个用户进行责任分摊，按式4计算各个用户的谐波贡献度，计算结果如表 3〇
[0120] 表2仿真结果
[0122]表3各支路谐波功率及谐波贡献度
[0124] 由表3可见，L2为无源滤波器，能抑制了谐波，在视在功率相差不大的情况下，L2的 尹氏畸变功率Dh明显小于L1，可以合理解释滤波器的谐波抑制作用，正确反映了实际物理 机制，且能有效识别13儿4儿5儿6等负荷的谐波贡献度。这些结果与理论分析完全一致，证 明了方法的正确性。
[0125] 物理模型：
[0126] 在实验室环境下，利用热水器、电脑、制冷空调、制热空调作非线性负荷，进行物理 模型验证。谐波电压和谐波电流的测量遵循IEEE Std 1159-2009，测量结果结果经MATLAB 处理后计算被测对象的谐波贡献度，各被测对象的畸变功率随时间的变化如图8,测量周期 内的畸变功率平均值如表4。
[0127] 表4实测数据结果
[0129] 由图8和表4可见，实测结果与实际物理现象一致。
[0130] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与 修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【主权项】
1. 一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法，其特征在于:具体包括以下步骤： 步骤S1:测量公共联接点，即PCC点处系统和该处所有用户的相关物理量； 步骤S2:计算PCC点处的谐波畸变功率Dh ; 步骤S3:判断PCC点处的污染程度； 步骤S4:计算PCC点处各个用户的谐波畸变功率； 步骤S5:多次计算后确定用户应该承担的责任。2. 根据权利要求1所述的一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法，其特征在 于:所述步骤S1中，利用智能电表与滤波装置测量所需的物理量，所述物理量包括电流有效 值1_、电压有效值Urms、视在功率S、全波有功功率P、基波有功功率Pi、基波无功功率&、基波 视在功率Si。3. 根据权利要求1所述的一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法，其特征在 于:所述步骤S2中，采用IEEE Std 1459-2014提出的畸变功率Dh定义：(1) 式中： 电流畸变率THD〗*:(2) 电压畸变率THDv为：⑶4. 根据权利要求1所述的一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法，其特征在 于:所述步骤S3中，判断Dh与η之间的大小关系;若PCC点处的Dh小于η，则该PCC点处谐波污染 较轻，无需追究各个用户的谐波污染责任，结束计算;若PCC点处的Dh大于II，则该PCC点处谐 波污染较严重，量化各个用户的谐波贡献度。5. 根据权利要求1所述的一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法，其特征在 于:所述步骤S4中，如果PCC点处的Dh大于II，进一步对用户侧各个用户计算谐波畸变功率， 对各个负荷采用公式计算谐波功率DHl;由0(]1大小判断负荷是 否为谐波源，如果DHl很小，则该负荷i非谐波源;反之为谐波源，对其进行谐波责任分摊。6. 根据权利要求1所述的一种基于畸变功率的谐波源识别和责任分摊方法，其特征在 于:所述步骤S5中，对各个用户进行责任分摊时，将第m个用户的谐波贡献度定义为：⑷ 〇
【文档编号】G01R31/00GK105866585SQ201610248382
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】张逸, 肖先勇, 徐双婷, 林焱, 黄道姗, 刘文亮, 熊军
【申请人】国网福建省电力有限公司, 国家电网公司, 国网福建省电力有限公司电力科学研究院, 国网福建省电力有限公司厦门供电公司, 四川大学