復(fù)雜電網(wǎng)諧波分析與諧波電能計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

王凱 雷旭琦 吳立忞 彭萍 盧江濤 強(qiáng)健

摘 要：近年來(lái)，關(guān)于諧波問(wèn)題的研究已受到高度關(guān)注，其中諧波檢測(cè)方法和監(jiān)測(cè)設(shè)備作為研究分析諧波問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)和主要依據(jù)，已成為諧波研究中的一個(gè)重要方向。用戶諧波通常是時(shí)變的，甚至諧波的源漏性質(zhì)也是時(shí)變的，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)諧波含量與方向的監(jiān)測(cè)分析有助于提高配電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。文中從諧波溯源目的出發(fā)，提出了一種基于諧波功率的諧波源荷辨識(shí)方法，開發(fā)了一套諧波監(jiān)測(cè)辨識(shí)系統(tǒng)，對(duì)電網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并驗(yàn)證了文中所提方法的可行性與正確性。示范應(yīng)用工程的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行可靠、諧波辨識(shí)靈敏、數(shù)據(jù)處理合理有效。

關(guān)鍵詞：諧波溯源；配電網(wǎng)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；GPRS

中圖分類號(hào)：TP393；TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

近年來(lái)，電氣化鐵路和冶金企業(yè)的快速發(fā)展，以及電動(dòng)汽車充電樁和新能源發(fā)電并網(wǎng)逆變器的廣泛分布，使得配電網(wǎng)中的諧波愈加豐富、諧波污染日益嚴(yán)重。其中，諧波分析方法及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為研究分析諧波問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)和主要依據(jù)，已經(jīng)成為諧波研究中的一個(gè)重要方向。

諧波分析方法一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，主要在于如何辨識(shí)電網(wǎng)中的諧波源和劃分各諧波源的諧波責(zé)任，為諧波治理提供科學(xué)的參考依據(jù)。關(guān)于諧波源的辨識(shí)，僅依靠諧波電壓和電流的大小無(wú)法識(shí)別，需要借助諧波功率的方向和諧波能量的累積效應(yīng)[1，2]才可完成。由于各諧波源存在時(shí)變性和非同期性特征，因此諧波責(zé)任的劃分必須建立在對(duì)電網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的諧波長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)和大量數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)之上。國(guó)內(nèi)外已有這方面的理論研究[3]，但實(shí)際系統(tǒng)如何評(píng)判還無(wú)一致共識(shí)。

目前，諧波檢測(cè)裝置的相關(guān)技術(shù)已較成熟[4，5]，國(guó)內(nèi)外不僅有各種用于科學(xué)研究的高性能諧波測(cè)量設(shè)備，也有多種用于工程測(cè)量和評(píng)估的諧波檢測(cè)裝置，譬如電能質(zhì)量分析儀。雖然這些儀器具有使用方便、靈活等優(yōu)點(diǎn)，但由于每次測(cè)試時(shí)間短，測(cè)試期間無(wú)法確定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，故而這種離線測(cè)試方法只能獲得測(cè)試期間片面的諧波數(shù)據(jù)，無(wú)法長(zhǎng)期得到詳實(shí)的諧波數(shù)據(jù)。針對(duì)離線測(cè)試方法的不足，在線監(jiān)測(cè)成為電網(wǎng)諧波監(jiān)管的主要手段和諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

本文首先建立了配電網(wǎng)諧波源荷辨識(shí)的等值電路模型，然后基于此分析研究了基于諧波功率的電網(wǎng)諧波溯源方法。根據(jù)以上理論研究，研制開發(fā)了諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)掛網(wǎng)運(yùn)行所得諧波數(shù)據(jù)證實(shí)了所提方法與系統(tǒng)的正確有效性。本文所研究的諧波溯源方法以及基于該方法的諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于各級(jí)電網(wǎng)諧波的監(jiān)測(cè)中。

1 配電網(wǎng)諧波源荷辨識(shí)方法

1.1 諧波等值電路模型

在配電網(wǎng)諧波源荷辨識(shí)過(guò)程中，諧波等值電路模型是諧波分析計(jì)算的基礎(chǔ)。E Thunberg和L Soder等人曾提出電網(wǎng)諧波源的諾頓等效模型[6]。通常把含有背景諧波的供電系統(tǒng)等效為一個(gè)諧波電壓源與電源內(nèi)阻抗的串聯(lián)支路，把非線性負(fù)荷等效為一個(gè)負(fù)荷阻抗與諧波電流源的并聯(lián)支路。基于此，可得到圖1所示的某用戶與其等效供電系統(tǒng)的h次諧波等值電路簡(jiǎn)化模型。

圖1中，Ush和Zsh分別表示供電系統(tǒng)的h次諧波電壓源和諧波阻抗；Ich和Zch分別表示某個(gè)用戶負(fù)荷的等效h次諧波電流源和諧波阻抗。UPCCh和IPCCh為該特定用戶與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)（PCC）的h次諧波電壓與流過(guò)PCC點(diǎn)的h次諧波電流，規(guī)定電流的正方向?yàn)閺墓╇娤到y(tǒng)流向用戶。

1.2 基于諧波功率的電網(wǎng)諧波溯源

電網(wǎng)諧波源荷辨識(shí)的基本思路為：通過(guò)測(cè)量PCC點(diǎn)的諧波電壓和諧波電流，經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得各次諧波功率的大小和方向，進(jìn)而根據(jù)諧波功率方向?qū)CC點(diǎn)兩側(cè)的主要諧波污染源進(jìn)行識(shí)別定位。

通常在實(shí)際電網(wǎng)中，供電系統(tǒng)和用戶負(fù)荷均含有諧波分量。由圖1可知，當(dāng)電源側(cè)和用戶側(cè)諧波源單獨(dú)作用時(shí)，根據(jù)疊加原理可將電網(wǎng)分解為兩個(gè)等效電路，如圖2所示。

由圖2可得，此時(shí)由供電系統(tǒng)和用戶非線性負(fù)荷共同在PCC點(diǎn)引起的h次諧波電壓和h次諧波電流分別為：

根據(jù)PCC點(diǎn)諧波電壓和電流，可得穿越PCC點(diǎn)的諧波功率如下：

由式（2）可以看出，PCC點(diǎn)的功率包含三個(gè)部分：?jiǎn)为?dú)由供電系統(tǒng)背景諧波產(chǎn)生的諧波功率、單獨(dú)由用戶非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波功率、系統(tǒng)背景諧波與用戶負(fù)荷諧波共同作用所產(chǎn)生的諧波交互功率。

考慮到電網(wǎng)的典型運(yùn)行特性：（1）供電系統(tǒng)和用戶負(fù)荷的等值阻抗均呈阻感性，且用戶負(fù)荷的阻抗遠(yuǎn)大于供電系統(tǒng)的等值阻抗[7]；（2）供電系統(tǒng)的背景諧波電壓源與用戶負(fù)荷的諧波電流源相互獨(dú)立和正交。可得到一般工況下，PCC點(diǎn)的諧波功率表達(dá)式：

式（3）表明，在PCC點(diǎn)測(cè)到的諧波有功功率是背景諧波在用戶負(fù)荷等值阻抗上產(chǎn)生的諧波功率與用戶非線性負(fù)荷在供電系統(tǒng)等值阻抗上產(chǎn)生的諧波功率之和。由于背景諧波在用戶負(fù)荷等值阻抗上產(chǎn)生的諧波功率恒為正，而用戶非線性負(fù)荷在供電系統(tǒng)等值阻抗上產(chǎn)生的諧波功率恒為負(fù)，因此，若PCC點(diǎn)諧波有功功率大于零，則表明背景諧波總體上污染了用戶負(fù)荷；若PCC點(diǎn)諧波有功功率小于零，則表明用戶負(fù)荷諧波總體上污染了供電系統(tǒng)。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的性能要求[8-10]，本課題將諧波監(jiān)測(cè)溯源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為四層，依次為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和用戶操作層。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。

諧波監(jiān)測(cè)終端由電壓電流信號(hào)檢測(cè)單元、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)字式諧波檢測(cè)分析單元、GPRS通信終端、數(shù)據(jù)記錄與存儲(chǔ)固件、電源、殼體等組成。諧波監(jiān)測(cè)終端具有實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓電流信號(hào)、分析計(jì)算諧波含量、統(tǒng)計(jì)諧波電能、系統(tǒng)對(duì)時(shí)等功能，核心器件采用當(dāng)前最為先進(jìn)的美國(guó)TI公司生產(chǎn)的高精度浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器件TMS320LF28335，該器件內(nèi)置16路12位ADC接口，可基本滿足信號(hào)采樣的要求；內(nèi)置SCI通信接口可方便地實(shí)現(xiàn)與GPRS數(shù)據(jù)終端DTU的串行通信[11]；內(nèi)置足量的RAM和ROM可滿足數(shù)據(jù)處理和程序存儲(chǔ)的需要。這些特點(diǎn)簡(jiǎn)化了故障電流監(jiān)測(cè)單元的硬件結(jié)構(gòu)，提升了工作的可靠性。GPRS通信終端完成了監(jiān)測(cè)終端與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息交換。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)服務(wù)器、因特網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、打印機(jī)、電源系統(tǒng)等組成，并配有專門設(shè)計(jì)開發(fā)的諧波監(jiān)測(cè)分析與管理軟件，及時(shí)傳送和處理監(jiān)測(cè)終端的諧波信息，存儲(chǔ)、記錄和打印，以便更進(jìn)一步開展二次數(shù)據(jù)分析處理。

第一層為數(shù)據(jù)采集層，負(fù)責(zé)故障數(shù)據(jù)的收集，主要由諧波監(jiān)測(cè)終端、GPRS DTU模塊構(gòu)成，共同完成對(duì)系統(tǒng)諧波電流以及功率的整合收集；

第二層為數(shù)據(jù)傳輸層，負(fù)責(zé)將諧波數(shù)據(jù)打包上傳至數(shù)據(jù)中心，可選有線或無(wú)線傳輸方式，本文采用GPRS+Internet鏈路的方法，在經(jīng)濟(jì)性、可行性方面均有提高；

第三層為數(shù)據(jù)處理層，開發(fā)專用于配電網(wǎng)諧波電流以及功率的分析軟件，對(duì)諧波電流特征進(jìn)行分析處理以及實(shí)現(xiàn)諧波數(shù)據(jù)的可視化。同時(shí)數(shù)據(jù)處理層配備數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和Web服務(wù)器，方便用戶訪問(wèn)，保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性與安全性；

第四層為用戶操作層，通過(guò)遠(yuǎn)程桌面連接方式實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬服務(wù)器上數(shù)據(jù)中心軟件的操作，查看諧波電壓、諧波電流、諧波功率等數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)記錄，可在任何聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)上查看，不受時(shí)間、地域的限制，提高了用戶操作的便捷性。

諧波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電壓、電流數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集分析，既可以定時(shí)啟動(dòng)采集，也可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)采集，即主站發(fā)送命令到終端，終端接收到采集指令后，收集配網(wǎng)電壓、電流、功率數(shù)據(jù)。文中設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接線如圖4所示。

3 應(yīng)用效果

本文按照上述原理開發(fā)了諧波溯源分析方法與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在廣西電網(wǎng)公司欽州供電局所轄電網(wǎng)開展了示范性應(yīng)用。選擇欽州市區(qū)三個(gè)供電點(diǎn)分別安裝了三套諧波監(jiān)測(cè)裝置，開發(fā)了面向多裝置的基于GPRS+Internet通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)分析軟件[12]，如圖5和圖6所示。三套諧波監(jiān)測(cè)裝置已連續(xù)運(yùn)行了5個(gè)月，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳穩(wěn)定可靠。

表1所列為示范系統(tǒng)在某一時(shí)刻的實(shí)測(cè)結(jié)果，圖7所示為諧波功率在一天中的變化。可以看出，該系統(tǒng)的5次諧波和7次諧波功率為負(fù)，諧波功率隨時(shí)間不斷變化。

由圖7可以看出，對(duì)于同一個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)而言，同一用戶在不同時(shí)刻呈現(xiàn)出不同的諧波性質(zhì)，諧波源荷性質(zhì)隨時(shí)間不斷變化，但同一用戶相對(duì)穩(wěn)定；同一用戶對(duì)不同的諧波次數(shù)呈現(xiàn)出不同的源荷性質(zhì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

諧波對(duì)工業(yè)生產(chǎn)存在著不同程度的影響，這種影響會(huì)導(dǎo)致電表計(jì)量誤差偏大或影響其他生產(chǎn)設(shè)備的使用壽命等，通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)分析有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和評(píng)估這種影響。通過(guò)理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）由于配電網(wǎng)接線復(fù)雜，針對(duì)不同諧波源的源荷性質(zhì)應(yīng)選擇合適的監(jiān)測(cè)位置，監(jiān)測(cè)位置諧波含量須豐富且穩(wěn)定；

（2）本文提出的基于諧波功率的電網(wǎng)諧波溯源方法是正確可行的；

（3）同一用戶在不同時(shí)刻的諧波功率和源荷性質(zhì)可能不相同。

參考文獻(xiàn)

[1] WILKOSZ K. Single-point measurement localization of prevailing harmonic sources in a power system[C]// International Conference on Environment and Electrical Engineering.IEEE， 2012：1-6.

[2] STEVANOVI D， PETKOVI P. A single-point method based on distortion power for the detection of harmonic sources in a power system[J].Metrology & measurement systems， 2014， 21（1）：3-14.

[3] FERNANDEZ F M， CHANDRAMOHANAN NAIR P S. Method for separation of customer and utility contributions of harmonics at point of common coupling[J].Iet generation transmission & distribution， 2013，7（4）：374-381.

[4]劉欣，楊北革，王健，等.新型高壓電能表的研究[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28（9）：88-91.

[5]薛太林，康佳.基于頻域伸縮的改進(jìn)DFT算法[J]. 電測(cè)與儀表，2015，52（3）：18-21.

[6] THUNBERG E， SODER L. A Norton approach to distribution network modeling for harmonic studies[J].IEEE transactions on power delivery， 1999，14（1）：272-277.

[7]王建勛，劉會(huì)金，劉春陽(yáng).基于復(fù)合判據(jù)的諧波/間諧波源識(shí)別方法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013， 33（7）：63-69.

[8] ZHANG W， GAO W. The Embedded Smart Home Control System Based on GPRS and Zigbee[C]// MATEC Web of Conferences. EDP Sciences， 2015.

[9] CHANG M， WANG Q. Application of wireless sensor network and gprs technology in development of remote monitoring system[J]. Telkomnika： indonesian journal of electrical engineering， 2015，13（1）： 151-158.

[10]黃新波，唐書霞，劉家兵，等.青海—西藏交直流聯(lián)網(wǎng)工程輸電線路在線監(jiān)測(cè)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].高電壓技術(shù)，2013，39（11）：2589-2596.

[11] JALILIAN M， SARIRI H， PARANDIN F， et al. Design and implementation of the monitoring and control systems for distribution transformer by using GSM network[J]. International journal of electrical power & energy systems， 2016，74： 36-41.

[12]沈鑫，曹敏，薛武，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的輸變電設(shè)備智能在線監(jiān)測(cè)研究及應(yīng)用[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2016，10（1）：32-41.