不同电能质量等级下的谐波责任划分方法

许中，马智远，崔晓飞，王瑜（.广州供电局有限公司电力试验研究院，广东广州　5060；.西南交通大学电气工程学院，四川成都　6003）

不同电能质量等级下的谐波责任划分方法

许中1，马智远1，崔晓飞1，王瑜2
（1.广州供电局有限公司电力试验研究院，广东广州510620；2.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031）

提出一种考虑不同电能质量等级下的谐波责任划分方法。首先，计算公共连接点的电压总谐波畸变率，对PCC点进行电能质量等级划分；其次，根据划分的电能质量等级对谐波电压、谐波电流数据进行分段处理，利用偏最小二乘法计算每段谐波责任；最后，求加权求和得到关注时间段的谐波责任。为验证方法的有效性，在IEEE13节点测试系统上做了仿真分析。结果表明，该方法综合考虑到电能质量的影响，较传统方法更为合理。

电能质量；电压总谐波；畸变率；谐波责任划分；偏最小二乘法

随着电力电子技术的飞速发展，用电负荷日趋复杂化和多样化。大量具有非线性特征的负荷会给电力系统注入过多的高次谐波，对电力系统包括用户的安全、经济运行产生危害和影响。谐波含量的增加，会使电气设备过热、产生振动和噪声，发生绝缘老化，使用寿命缩短，甚至故障或烧毁；同时，可能引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱；对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰［1-5］。为了避免电能质量纠纷和有效控制电网中的谐波，国际上提出了一种“奖惩性方案”。该方案有效实施的重要前提之一就是要正确划分和评估各谐波源的谐波责任。

目前，谐波责任划分主要是要区分公共连接点（point of common coupling，PCC）两端系统侧和用户侧对PCC点谐波畸变的影响，其关键技术是求取谐波阻抗，现有谐波阻抗估计方法主要分为“干预式”和“非干预式”2种。“干预式”方法为向系统注入谐波电流或开断某条支路来估计系统侧谐波阻抗，但这种干扰式方法会对电力系统稳定运行带来不利影响，因此不能广泛使用。“非干预式”方法利用系统本身的谐波源，通过测量PCC点谐波电压、谐波电流来估计谐波阻抗和谐波责任，这类方法不会影响系统的正常运行，是目前使用较为广泛的一种方法。“非干预式”主要有波动量法［6-10］、线性回归法［11-21］和参考阻抗法［22］等，其中，波动量法利用PCC点谐波电压波动量对谐波电流波动量比值的符号特性计算系统侧谐波阻抗，进而估计用户谐波发射水平；线性回归法通过构造回归方程来估计谐波阻抗；参考阻抗法通过设置参考阻抗，将谐波阻抗的变化转换为谐波电流源的变化来估计谐波发射水平，参考阻抗的设置对计算结果影响较大。这些方法在估计谐波责任时都仅考虑用户在PCC点产生的谐波电压的大小，未考虑到电能质量本身的影响。假设同一用户在2个不同时间段的谐波责任相同，但这并不能说明在这2个时间段内该用户对PCC点产生的影响是一样的，还需考虑PCC点的电能质量等级。PCC点的谐波污染越严重，对电网稳定运行危害越大，用户应承担的责任就越大。因此，有必要考虑电能质量对谐波责任计算的影响，综合求取谐波责任。

鉴于此，本文提出了不同电能质量等级下的谐波责任划分方法。首先，计算PCC点的电压总谐波畸变率，对PCC点进行电能质量等级划分；其次，根据划分的电能质量等级对谐波电压、谐波电流数据进行分段处理，利用偏最小二乘法［23-24］计算每段谐波责任；最后，加权求和得到最终的谐波责任。通过IEEE13节点测试系统的仿真分析，验证了本文提出的方法综合考虑到电能质量的影响，较传统方法更为合理。

1　谐波责任指标

假设系统中有n个已知谐波源负荷，如图1所示，其中I.k（k=1，2，…，n）为谐波源k的某次谐波电流［8］。

图1　多谐波源系统示意图Fig.1　A typical power system with multiple harmonic sources

PCC点的谐波畸变是由用户侧和系统侧共同作用引起的，根据叠加定理，PCC点的某次谐波电压V.pcc为各谐波源在PCC点产生的谐波电压和系统侧产生的背景谐波电压的相量和，则PCC点的某次谐波电压V.pcc为：式中：Zpcc，k为除谐波源k以外的系统和其他用户的某次等效谐波阻抗；V.0为系统侧在PCC点产生的背景谐波电压。

谐波源k在PCC点产生的谐波电压为：

谐波源k对PCC点的谐波责任为V.pcc，k在V.pcc上的投影。以3个谐波源为例，V.pcc、V.pcc，k与V.0之间的相量关系如图2所示。

图2　谐波电压投影示意图Fig.2　Projection diagram of the harmonic voltage

谐波源k在PCC点的谐波责任指标为：

2　方法原理

采用公用电网谐波中的相关指标，选取电压总谐波畸变率作为评价指标，将指标划分成5个等级，其中第3等级为国标限值，表示谐波电压质量合格，1～2等级表示谐波电压质量优于国标限值，4～5等级表示谐波电压质量超出国标范围，谐波污染水平超标。由于不同的电压等级，国标规定限值不同，因此仅以10 kV配电网为例，进行等级划分，如表1所示。

表1　电能质量评估指标分级限值Tab.1　The grade limit of power quality

评估等级越高，谐波污染越严重，对电网稳定运行危害越大。因此，根据不同的电能质量等级赋予不同的谐波责任权重，当关注母线的电能质量等级为1～3级时，表明该母线在当前时刻的谐波含量在国标限值内，对电网的影响较小，用户应承担较小的谐波责任，赋予较小的权重。但是当关注母线的电压电能质量等级为4～5级时，表明该母线在当前时刻的谐波含量超出了国标限值，用户应承担较大的谐波责任，赋予较大的权重，权重设置如表2所示。

表2　电能质量等级对应谐波责任权重Tab.2　The weights of power quality level

计算关注时间段各时刻的电压总谐波畸变率，按表1限值划分电能质量等级，根据划分的电能质量等级对数据进行分段处理，利用偏最小二乘法计算每段谐波责任，则关注时间段内谐波源k应承担的谐波责任为式中：Ni为第i段所占数据量；N为总数据量；ωg（i）为第i段电能质量为第g级的谐波责任权重；upcc，k（i）为第i段的谐波责任。

3　算例验证

用本文提出的算法对图3所示的IEEE13节点标准测试系统进行仿真。该测试系统由2台发电机、13条母线、7台变压器组成［25］。

图3IEEE13节点系统Fig.3　IEEE 13-bus power system

假定母线3为关注母线，在母线8、10、13处接入3个谐波源HL1、HL2、HL3作为用户侧谐波源，分别记为谐波源1、2、3，其注入谐波电流为某牵引变电所测得数据，采样间隔为3 s，1 h对应1 200个采样点。电网中高次谐波含量很小，在注入谐波电流时，只注入1～13次谐波电流，用Matlab进行仿真，计算各谐波源的谐波责任。3个谐波源注入5次谐波电流情况如图4所示。

图4　谐波源节点注入的5次谐波电流曲线Fig.4　Slow varying curve of the 5th harmonic current injection at harmonic source buses

计算母线3各个时刻的电压总谐波畸变率，其分布情况如图5所示。可以看出谐波畸变率较高，谐波污染较严重，过半数据点总谐波畸变率远远超过国标限值。

图5　母线3电压总谐波畸变率Fig.5　Total harmonic distortion of voltage at bus3

按电能质量等级进行分段处理，利用偏最小二乘法计算各段谐波责任，结果如表3所示。

表3　电能质量等级对应谐波责任指标Tab.3　Harmonic impact of power quality level　%

根据式（4）计算关注时间段内各谐波源所应承担的谐波责任，如表4所示。表4同时给出了不进行电能质量等级划分处理时，直接利用偏最小二乘法和稳健回归法得到的各谐波源谐波责任指标。可以看出，在谐波污染严重超标的情况下，用户应承担的谐波责任不仅由谐波责任指标单独决定，应考虑电能质量等级的影响。

表4　计算谐波责任结果Tab.4　Estimated harmonic impact　%

4　结语

本文提出考虑不同电能质量等级下的谐波责任划分方法，根据划分的电能质量等级对谐波电压、谐波电流数据进行分段处理；利用偏最小二乘法计算每段谐波责任；加权求和得到关注时间段的谐波责任。与传统谐波责任划分方法相比，本文方法综合考虑到电能质量的影响，较传统方法更为合理。本文仅根据电压总谐波畸变率进行电能质量等级划分，考虑因素较少，如何对电能质量进行综合评估及如何合理设置谐波指标权重还有待进一步研究。

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（编辑董小兵）

Estimating the Individual Harmonic Responsibility Considering Differences of the Power Quality Level

XU Zhong1，MA Zhiyuan1，CUI Xiaofei1，WANG Yu2
（1.Electric Power Testing and Research Institute of Guangzhou Power Supply Bureau Co.，Ltd.，Guangzhou 510620，Guangdong，China；2.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China）

A new method is proposed to evaluate the individual harmonic responsibility of harmonic sources considering the power quality level.First of all，the total harmonic distortion of voltage at the common coupling point is estimated. Second，data of the harmonic voltage and the harmonic current are divided into different data segments according to the power quality level classified，and the harmonic responsibility of each segment is estimated in the partial least squares method.Finally，the weighted sum is calculated to get the final harmonic responsibility.The proposed method is tested on the IEEE 13-bus test system.The result shows that the proposed approach considering the influence of the power quality is more reasonable compared with the traditional method.

power quality；total harmonic of voltage；distortion rate；quantifying the harmonic impact；partial least squares method

1674-3814（2016）06-0053-05

TM7

A

2015-07-23。

许中（1987—），男，硕士研究生，工程师，研究方向为电能质量、新能源相关技术；

马智远（1987—），男，硕士研究生，工程师，研究方向为电能质量、新能源相关技术；

崔晓飞（1985—），男，硕士研究生，工程师，研究方向为在线监测、电能质量相关技术；

王瑜（1991—），女，硕士研究生，研究方向为电能质量谐波责任划分。

国家自然科学基金项目（51407150）；四川省科技创新苗子工程项目（2015099）。

Project Supported by National Natural Science Fund（51407150）；Technology Innovation Project of Sichuan Province（2015099）.