电力谐波责任划分与治理

张淼 国网天津东丽供电公司 刘聪 国网天津检修公司

一、电力谐波的产生及危害

（一）谐波的产生

电能是现代化社会发展中使用最为广泛的能源，其影响范围极广，既影响电网运行安全，又影响受电端设备的正常使用。通常，电能质量通过电压质量体现，电能质量的好坏可以通过比较理想电压与实际电压的偏差来度量。理想电压应当是平滑的正弦波（余弦波）且频率为工频，但系统中接入的发电机、变压器及电力电子器件等设备，常产生冲击波或高次谐波，加之负荷性质的不确定性，常会对电网产生干扰，导致出现了影响电力系统运行、电力设备正常工作和供电安全的谐波问题。在实际系统中，电力谐波往往不是由单一扰动源引发的，而是由电网中的所有扰动源共同叠加的效果。

（二）谐波危害

谐波的产生会造成电网的电能质量变差、影响用电设备，同时干扰周围的通讯系统，给电网和接入电网的各类负荷带来恶劣影响，缩短使用寿命、增加能耗，甚至导致用电事故发生，造成人员伤亡。通过实际检测研究发现，谐波主要危害有波形畸变、影响电网运行、仪器仪表误动、变压器使用年限缩短、网络线损增加、继电保护装置误动作等。

二、电力谐波责任划分

非线性设备、冲击性负荷的增多，产生大量非对称、瞬时波动性且分布极为广泛的谐波，使电能质量面临日益严峻的考验。加之我国目前正在运营的坚强智能电网，远景规划接入高比例分布式电源，这些会加剧电力系统的高次谐波，导致电能质量问题愈演愈烈。因此，如何有效减轻谐波污染，提高电能质量是当前电网面对的巨大挑战。针对这个问题，结合我国电网发展水平，特别制定了谐波管理标准，但由于尚无法准确划分系统和用户（多方用户分别作为独立个体）各自的责任，导致谐波管理存在诸多待解决难题。因此如何划分提取各方谐波责任，再依次追究相关各方责任，是未来研究的重点。

实际电网中，系统侧发电机、变压器和用户侧接入的非线性、冲击性负荷都会作为谐波源向公共连接点发射谐波，影响电能质量。通常来讲，谐波畸变是由系统侧谐波和用户侧谐波叠加产生的，但是并不能直接判断每个谐波源的贡献度，首先需要评估并划分不同谐波源的谐波责任。

在实际量化过程中，一般电网等效为诺顿等效电路，将谐波发射方简化为“系统侧”“用户侧”。通过合理划分并计算系统及用户的谐波发射水平，再确定两方的谐波责任，为后续谐波治理提供可靠依据。电路图如图1。

图1 谐波源贡献度量化时诺顿等效电路

为有效控制进入电网的谐波量，引用国际上的“奖惩机制”，以避免电能质量纠纷。即明确电能质量合格范围，若电网侧提供的电能质量不佳，用户应得到赔偿；若用户侧产生的谐波污染超出限值，则接受处罚；若用户主动采取措施降低己方的谐波污染，应进行适当奖励。这项机制可激励各方从根本上减小谐波“发射”，积极选取合适的滤波装置来抑制谐波“排放”，但实现的前提是准确划分电力系统中各方的谐波责任。

三、谐波贡献度量化

谐波贡献度量化的方法分为“干预式”和“非干预式”。“干预式”是主动向公共连接点添加人工扰动，例如注入谐波电流、通断某支路或启停某负荷，分别测量添加前后公共连接点谐波数值，再通过计算就可以得到该人工扰动的谐波贡献度，计算简单，但不利于电力系统稳定。“非干预式”方法是利用负荷自身的波动，既贴近于系统实际运行，又保证了系统安全运行，多采用该方式。下面就国内外研究现状，介绍3种谐波贡献度量化的方法。

（一）基于参考阻抗的方法

基于参考阻抗的方法是以诺顿等效电路为基础，利用标量叠加方式和电路叠加原理进行计算。采用谐波电流源等效替代的方式表现阻抗的变化。根据设定的各方谐波参考阻抗，构成全新的计及阻抗变化的诺顿等效电路。利用公共连接点的谐波电压、电流值和谐波参考阻抗列写回路方程，计算出各方的谐波贡献。

阻抗的变化就是两侧的实际阻抗与参考阻抗的差值，其对公共连接点谐波畸变的影响可以直观地体现在公共连接点谐波测量值中，有助于得到更准确的贡献度量化值。该方法的难点在于合理确定双方谐波阻抗的参考值。

（二）基于独立随机矢量求和的方法

利用“干预式”方法分别获取用户开机和停机时段公共连接点对应的某次谐波电压样本，它们之间的变化量即该用户对公共连接点的谐波贡献度。通过随机矢量求和的方法计算出用户谐波发射水平的95%概率值，直观简便，有完整的理论性。但该方法的前提是分别采样得到用户开机和停机时段公共连接点对应的谐波样本，具有明显的弊端，不利于电网稳定运行，同时在某些特殊情况下，完全不具有可行性。

（三）基于实测阻抗的计算

依据诺顿等效电路，可以直接测量公共连接点谐波电压、电流值，基于实测阻抗的方法是对已知数据的进行分析和处理，以得到谐波阻抗计算值。又因为一般情况下用户谐波阻抗变化较大，同时在非谐振条件下，用户侧谐波阻抗值理论上远大于系统侧，因此准确计算系统谐波阻抗值是划分公共连接点各方谐波贡献度的关键。现有的思路主要有：回归思想、波动量思想、小波分析思想和概率统计思想等。

前文简单介绍了3种谐波贡献度量化方法，并讲解了各种方法原理及优缺点，经综合比较，基于实测阻抗计算的方法，应用前景更可观，具体不再赘述。

四、电力谐波责任划分的重要意义

本文以电力系统中的谐波问题为出发点，提出谐波责任划分的概念，用以划分各谐波源产生成的谐波污染程度，用谐波贡献度指标加以量化。通过合理划分谐波责任引起各方重视，督促各方积极整改。

综合来讲，进行谐波责任划分的具体意义如下：

1.当电网发生由谐波畸变引发的事故时，谐波责任划分可以作为诊断和量化双方经济赔偿责任的有效依据，促进谐波治理“奖惩机制”的实施。

2.在谐波责任划分的过程中能准确获得系统谐波阻抗和背景谐波的相关信息，一方面可以作为无功补偿和谐波抑制的参考，另一方面也可以提前设定用户侧谐波发射水平限值。

3.通过责任划分，督促用户主动改进设备、加装滤波器，积极消除自身谐波对电网的影响，而供电公司（系统侧）通过系列措施改进主网电能质量，共同营造绿色智能电网。