复杂电网谐波分析与谐波电能计量系统设计与开发

王凯 雷旭琦 吴立忞 彭萍 卢江涛 强健

摘 要：近年来，关于谐波问题的研究已受到高度关注，其中谐波检测方法和监测设备作为研究分析谐波问题的出发点和主要依据，已成为谐波研究中的一个重要方向。用户谐波通常是时变的，甚至谐波的源漏性质也是时变的，对实际系统谐波含量与方向的监测分析有助于提高配电网的运行可靠性。文中从谐波溯源目的出发，提出了一种基于谐波功率的谐波源荷辨识方法，开发了一套谐波监测辨识系统，对电网谐波监测数据进行分析处理，并验证了文中所提方法的可行性与正确性。示范应用工程的实际运行结果表明，本监测系统运行可靠、谐波辨识灵敏、数据处理合理有效。

关键词：谐波溯源；配电网；监测系统；GPRS

中图分类号：TP393；TM711 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）04-00-03

0 引 言

近年来，电气化铁路和冶金企业的快速发展，以及电动汽车充电桩和新能源发电并网逆变器的广泛分布，使得配电网中的谐波愈加丰富、谐波污染日益严重。其中，谐波分析方法及其监测系统作为研究分析谐波问题的出发点和主要依据，已经成为谐波研究中的一个重要方向。

谐波分析方法一直是近年来的研究热点，主要在于如何辨识电网中的谐波源和划分各谐波源的谐波责任，为谐波治理提供科学的参考依据。关于谐波源的辨识，仅依靠谐波电压和电流的大小无法识别，需要借助谐波功率的方向和谐波能量的累积效应[1，2]才可完成。由于各谐波源存在时变性和非同期性特征，因此谐波责任的划分必须建立在对电网关键节点的谐波长期监测和大量数据处理的基础之上。国内外已有这方面的理论研究[3]，但实际系统如何评判还无一致共识。

目前，谐波检测装置的相关技术已较成熟[4，5]，国内外不仅有各种用于科学研究的高性能谐波测量设备，也有多种用于工程测量和评估的谐波检测装置，譬如电能质量分析仪。虽然这些仪器具有使用方便、灵活等优点，但由于每次测试时间短，测试期间无法确定设备的运行状态，故而这种离线测试方法只能获得测试期间片面的谐波数据，无法长期得到详实的谐波数据。针对离线测试方法的不足，在线监测成为电网谐波监管的主要手段和谐波监测系统的发展方向。

本文首先建立了配电网谐波源荷辨识的等值电路模型，然后基于此分析研究了基于谐波功率的电网谐波溯源方法。根据以上理论研究，研制开发了谐波监测系统，系统挂网运行所得谐波数据证实了所提方法与系统的正确有效性。本文所研究的谐波溯源方法以及基于该方法的谐波监测系统可广泛应用于各级电网谐波的监测中。

1 配电网谐波源荷辨识方法

1.1 谐波等值电路模型

在配电网谐波源荷辨识过程中，谐波等值电路模型是谐波分析计算的基础。E Thunberg和L Soder等人曾提出电网谐波源的诺顿等效模型[6]。通常把含有背景谐波的供电系统等效为一个谐波电压源与电源内阻抗的串联支路，把非线性负荷等效为一个负荷阻抗与谐波电流源的并联支路。基于此，可得到图1所示的某用户与其等效供电系统的h次谐波等值电路简化模型。

图1中，Ush和Zsh分别表示供电系统的h次谐波电压源和谐波阻抗；Ich和Zch分别表示某个用户负荷的等效h次谐波电流源和谐波阻抗。UPCCh和IPCCh为该特定用户与电网公共连接点（PCC）的h次谐波电压与流过PCC点的h次谐波电流，规定电流的正方向为从供电系统流向用户。

1.2 基于谐波功率的电网谐波溯源

电网谐波源荷辨识的基本思路为：通过测量PCC点的谐波电压和谐波电流，经过计算获得各次谐波功率的大小和方向，进而根据谐波功率方向对PCC点两侧的主要谐波污染源进行识别定位。

通常在实际电网中，供电系统和用户负荷均含有谐波分量。由图1可知，当电源侧和用户侧谐波源单独作用时，根据叠加原理可将电网分解为两个等效电路，如图2所示。

由图2可得，此时由供电系统和用户非线性负荷共同在PCC点引起的h次谐波电压和h次谐波电流分别为：

根据PCC点谐波电压和电流，可得穿越PCC点的谐波功率如下：

由式（2）可以看出，PCC点的功率包含三个部分：单独由供电系统背景谐波产生的谐波功率、单独由用户非线性负荷产生的谐波功率、系统背景谐波与用户负荷谐波共同作用所产生的谐波交互功率。

考虑到电网的典型运行特性：（1）供电系统和用户负荷的等值阻抗均呈阻感性，且用户负荷的阻抗远大于供电系统的等值阻抗[7]；（2）供电系统的背景谐波电压源与用户负荷的谐波电流源相互独立和正交。可得到一般工况下，PCC点的谐波功率表达式：

式（3）表明，在PCC点测到的谐波有功功率是背景谐波在用户负荷等值阻抗上产生的谐波功率与用户非线性负荷在供电系统等值阻抗上产生的谐波功率之和。由于背景谐波在用户负荷等值阻抗上产生的谐波功率恒为正，而用户非线性负荷在供电系统等值阻抗上产生的谐波功率恒为负，因此，若PCC点谐波有功功率大于零，则表明背景谐波总体上污染了用户负荷；若PCC点谐波有功功率小于零，则表明用户负荷谐波总体上污染了供电系统。

2 监测系统设计

结合国内外关于监控系统的研究现状以及实际应用场合的性能要求[8-10]，本课题将谐波监测溯源系统结构分为四层，依次为数据采集层、数据传输层、数据处理层和用户操作层。监测系统的具体设计实现方案如图3所示。

谐波监测终端由电压电流信号检测单元、信号调理单元、数字式谐波检测分析单元、GPRS通信终端、数据记录与存储固件、电源、壳体等组成。谐波监测终端具有实时检测电网电压电流信号、分析计算谐波含量、统计谐波电能、系统对时等功能，核心器件采用当前最为先进的美国TI公司生产的高精度浮點数字信号处理器件TMS320LF28335，该器件内置16路12位ADC接口，可基本满足信号采样的要求；内置SCI通信接口可方便地实现与GPRS数据终端DTU的串行通信[11]；内置足量的RAM和ROM可满足数据处理和程序存储的需要。这些特点简化了故障电流监测单元的硬件结构，提升了工作的可靠性。GPRS通信终端完成了监测终端与数据处理系统之间的无线网络信息交换。

数据处理系统由计算机服务器、因特网络设备、打印机、电源系统等组成，并配有专门设计开发的谐波监测分析与管理软件，及时传送和处理监测终端的谐波信息，存储、记录和打印，以便更进一步开展二次数据分析处理。

第一层为数据采集层，负责故障数据的收集，主要由谐波监测终端、GPRS DTU模块构成，共同完成对系统谐波电流以及功率的整合收集；

第二层为数据传输层，负责将谐波数据打包上传至数据中心，可选有线或无线传输方式，本文采用GPRS+Internet链路的方法，在经济性、可行性方面均有提高；

第三层为数据处理层，开发专用于配电网谐波电流以及功率的分析软件，对谐波电流特征进行分析处理以及实现谐波数据的可视化。同时数据处理层配备数据库服务器和Web服务器，方便用户访问，保证存储数据的可靠性与安全性；

第四层为用户操作层，通过远程桌面连接方式实现对虚拟服务器上数据中心软件的操作，查看谐波电压、谐波电流、谐波功率等数据以及历史数据记录，可在任何联网的计算机上查看，不受时间、地域的限制，提高了用户操作的便捷性。

谐波监测系统可实现对谐波电压、电流数据的远程采集分析，既可以定时启动采集，也可以实现主动采集，即主站发送命令到终端，终端接收到采集指令后，收集配网电压、电流、功率数据。文中设计的监测系统接线如图4所示。

3 应用效果

本文按照上述原理开发了谐波溯源分析方法与监测系统设计，并在广西电网公司钦州供电局所辖电网开展了示范性应用。选择钦州市区三个供电点分别安装了三套谐波监测装置，开发了面向多装置的基于GPRS+Internet通信网络的远程监测分析软件[12]，如图5和图6所示。三套谐波监测装置已连续运行了5个月，监测数据上传稳定可靠。

表1所列为示范系统在某一时刻的实测结果，图7所示为谐波功率在一天中的变化。可以看出，该系统的5次谐波和7次谐波功率为负，谐波功率随时间不断变化。

由图7可以看出，对于同一个监测地点而言，同一用户在不同时刻呈现出不同的谐波性质，谐波源荷性质随时间不断变化，但同一用户相对稳定；同一用户对不同的谐波次数呈现出不同的源荷性质。

4 结 语

谐波对工业生产存在着不同程度的影响，这种影响会导致电表计量误差偏大或影响其他生产设备的使用寿命等，通过对实际系统的监测分析有助于进一步认识和评估这种影响。通过理论分析和实测结果，可得出以下结论：

（1）由于配电网接线复杂，针对不同谐波源的源荷性质应选择合适的监测位置，监测位置谐波含量须丰富且稳定；

（2）本文提出的基于谐波功率的电网谐波溯源方法是正确可行的；

（3）同一用户在不同时刻的谐波功率和源荷性质可能不相同。

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