基于分布式准同步电网测量系统的谐波分析方法与流程

本发明涉及一种基于分布式准同步电网测量系统的谐波分析方法。

背景技术：

随着应用电力电子器件设备的大量应用，电网谐波急剧增加。在工业电网环境，不同属性设备功率快速变化。由于国家精准扶贫政策的推出，新能源发电又以区域形式爆发性的增长，给脆弱的电网-农网带来严重的质量超标。由于农村配电网供电能力较弱，线路阻抗大，基本以单相负荷为主，用电负荷分布不均。尤其在只有电网供电时，用电高峰期呈现严重的三相不平衡状态，造成某个单相电压过低、谐波增大。由此，区域内分布式光伏发电将面临着高密度、多点接入光伏安装分布不均、潮流复杂的问题，这将造成区域配电网波动、电压抬高、三相不平衡，以及谐波电流增大且呈现随机分布，极易造成配电设施和用户设备损坏。为了满足电网末端指标及供电要求，一般采取调整变压器分接头使输出电压升高的措施。此时光伏发电的接入，在电网无负荷或轻负荷，以及无法就地消纳光伏发电的情况下，光伏发电将造成电网电压进一步抬升，超出国家电网标准上限，致使光伏逆变器停机，大量的光伏被弃光。有些光伏逆变器商家以盈利为目的，不顾及电网质量问题，不依据电网功率平衡输出特性安装光伏，在电压超标的基础上强行发电，造成电网谐波、电压严重超标，单相电压已接近300v(国家标准为220v±10％)，给电网带来的是灾难性的损坏，同时伴随部分家电被烧坏，使得国家精准扶贫政策形同虚设，给国家、个人带来了极大的经济损失，而且给利国利民的光伏发电带来了负面的影响。

由此国家针对此问题以农网末端治理和光伏发电最大化为控制目标，投入人力、财力进行专项课题研究。现行对电网系统性的同步测量方法及手段缺失，只能采用专业仪表对被检测线路中各个关键点进行非同步测量，再经分析、仿真、评估得到数据，依据分析结果采取对应的措施。当电网发生谐振时，谐波分布在整改电网，对谐波性质、谐波源的定位分析则束手无策。而对电网分布式准同步测量对谐波特性分析与定位手段目前尚未见到。

技术实现要素：

本发明的目的克服电网末端由于光伏发电接入带来的电网质量下降、发电不能达到预期等问题。利用电网谐振局部化的特点，提出一种基于分布式准同步电网测量系统的谐波分析方法。

应用本发明的分布式准同步电网系统由显示分析终端、m台电网数据采集器组成，m为整数，m≥1。

所述的m台电网数据采集器分布安装在台区内三相线路每个单相线路关键点处，如光伏发电并点网、负荷较大、电力电子设备较多等处。m台电网数据采集器同时记录下当前位置的gps定位坐标、光伏发电安装容量、负荷容量和属性。所安装的m台电网数据采集器设备地址码及排列顺序，手工录入到显示分析终端中。

显示分析终端挂接在位于配电网变压器低压侧的输出端，分别读取台区电气信息，通过载波、有线或无线网络读取台区内三相线路的电网数据采集器的数据。

所述的电网数据采集器通过电流、电压传感器与被检测点电网连接，采集安装点处的电网电气信息，包括基波电压、电流及方向，各次谐波的电流、电压的幅值及有功功率和无功功率等，并对故障进行录波功能，兼有网络校时、载波、有线或无线网络通讯等功能。

显示分析终端由多功能表、载波集中采集模块、有线无线通讯接口、显示终端及数据分析控制器组成。其中多功能表为变压器低压侧三相电气测量仪表。数据分析控制器读取多功能表的数据和m台电网数据采集器数据，并进行分析。载波集中采集模块有三个通道，分别采集台区内三相线路中每台电网数据采集器数据。显示终端可手动录入存储m台电网数据采集器安装点的地理坐标、光伏发电容量、基本负荷特性和电网每段线路长度及阻抗。实时显示采集的数据、分析结果、提出谐波分布及谐波源分析报告。

首先将m台电网数据采集器与显示分析终端接入同一个交流电源，相互连接间距不超过30cm。电网数据采集器采集电压和电流，电网数据采集器与显示分析终端通讯。显示分析终端依据多功能表采集到的电气数据为标准，对接收到的电网数据采集器采集到的电气数据进行误差分析，并将分析结果存储在显示分析终端，为后续显示分析终端所接收到的电网数据采集器的每个数据进行误差修正。

显示分析终端采用载波通讯方式与所有电网数据采集器通讯。显示分析终端通过控制载波集中采集模块的单相输出如a相，发出安装在台区内三相线路上的所有电网数据采集器地址。当显示分析终端收到有应答的电网数据采集器时，可确定该电网数据采集器安装在所测a相线路中。同时显示分析终端依据手工录入排列顺序和有应答的电网数据采集器地址，建立该相线路的排列顺序。另外b、c相线路的电网数据采集器定位方法同上；

显示分析终端在线实时取电网数据采集器所有数据、误差修正，并将实时采集数据与历史同时刻数据比对，依据数据分析需要分别求和、求平均、最大值和最小值计算，保存在显示分析终端。后期的谐波分析、谐波源辨识及定位，依据上述数据处理的方法进行并提交谐波分析评估报告。

本发明通过显示分析终端实时对多功能表和电网数据采集器采集的各采集点的谐波电压unh、电流inh幅值，相位关系进行分析，得到第h次谐波的潮流分布和谐波电压、电流变化规律，确定谐波源位置并辨识谐波源的性质。

本发明方法步骤如下：

步骤一，筛选出超标谐波畸变率并对应确定谐波次数h；

步骤二，判断谐波发生点的位置；

步骤三，分析谐波发生点的谐波性质。

各步骤说明如下：

步骤一，显示分析终端分别读取多功能表电压总畸变率thdu和电流总畸变率thdi数据，并与总谐波畸变率允许值比较，筛选出超标谐波畸变率并对应确定谐波次数h。

具体为：

显示分析终端分别读取多功能表电压总畸变率thdu和电流总畸变率thdi数据，当判断thdu≥5％,thdi≥5％；

显示分析终端再分别读取多功能表谐波含有率数据。当某次谐波电压uh、大于谐波电压幅值阈值uth，电流ih幅值也大于谐波电流幅值阈值ith，即uh≥uth,ih≥ith时，确定该h次谐波为畸变率大的谐波：

thh＝max({uh,ih|h＝1,2,...,63})≥(uth,ith)

其中，谐波含有率为含有谐波畸变率、波峰系数、电话谐波波形因子在内的谐波参量；h为谐波为畸变的次数；thh为第h次谐波电压、电流幅值；uh为第h次谐波电压；ih为第h次谐波电流。

如分析结果th5≥(uth,ith)、th7≥(uth,ith)，则筛选出的谐波超标次数分别为h＝5次和h＝7次。

步骤二，依据谐波次数h，显示分析终端将该相线路上所有的电网数据采集器采集到的第h次谐波电压uh、电流幅值ih，分别与谐波电压幅值阈值uth和谐波电流幅值阈值ith进行比较，当判断第n台电网数据采集器采集的数据unh≥uth,inh≥ith时，第n台电网数据采集器所在的位置为谐波发生之处。其中，n为1≤n≤m的一个整数，unh为第n台电网数据采集器的第h次谐波电压；inh为第n台电网数据采集器的第h次谐波电流；

具体为：

依据步骤一分析确定的谐波次数h，显示分析终端将该线路上所有的电网数据采集器采集到的第h次谐波电压uh、电流ih幅值，分别与谐波电压幅值阈值uth和谐波电流幅值阈值ith比较，得到h次谐波电压电流有效值，同时都大于谐波电压、电流幅值阈值构成的二元组sn：

sn∈{(unh,inh)|unh≥uth&&inh≥ith,n∈{1,2,...,m-1,m}}

由此判断出第n台电网数据采集器采集到的第h次谐波电压unh、电流inh幅值，同时满足都大于谐波电压幅值阈值uth和谐波电流幅值阈值ith。

其中，构成h次谐波电压电流有效值的二元组sn中的n，为第n台电网数据采集器；&&为逻辑与关系；unh为第n台电网数据采集器的第h次谐波电压；inh为第n台电网数据采集器的第h次谐波电流；

如分析结果s3≥(uth,ith)、s4≥(uth,ith)，则筛选出第3台和第4台电网数据采集器所在的位置为谐波发生之处；

由此通过sn确定第n台电网数据采集器所在的位置为谐波发生之处。

步骤三，通过第n台电网数据采集器采集的数据，分别计算得到谐波的有功功率pnh、无功功率qnh、视在功率snh及谐波电流与电压相位角依据谐波电流与电压相位角的取值范围，分析确定该点的谐波性质，确定是由感性元件谐振、容性元件谐振引起的谐波放大，电阻元件的谐波衰减，还是有源谐波源产生的。

分析第n台电网数据采集器采集点的谐波性质：

1)对步骤二确定的第n台电网数据采集器采集到的数据进行功率因数计算；

由第n台电网数据采集器采集到的第h次谐波的电压unh、电流inh、有功功率pnh、和无功功率qnh，计算出第h次谐波的视在功率snh为：

snh＝unh×inh(1)

其中，n为该线路安装的m台电网数据采集器中的任意一台，1≤n≤m；h为谐波的次数，1≤h，为整数；

依据基波计算原理，分别得到第n台电网数据采集器采集点的第h次谐波的有功功率pnh、无功功率qnh与视在功率snh及谐波电流相角关系式：

其中，为第h次谐波在第n台电网数据采集器采集的电压和第n-1台电网数据采集器采集的谐波电流之间的相角。

依据式(2)和式(3)可以计算出第n台电网数据采集器采集点采集的h次谐波的功率因数。

其中，1≤n≤m。

2)依据式(4)判断功率因数是否接近于0，从而确定谐波性质；

当第n台电网数据采集器采集的数据经显示分析终端计算得到：

此时谐波电压相位超前于电流相位，即呈现无源感性元件特征，由此判断第n台电网数据采集器的采集点产生的谐波为感性元件参与谐振导致的谐波放大，其中，&&为逻辑与关系；

此时谐波电流相位超前于电压相位，即呈现无源容性元件特征，由此判断第n台电网数据采集器采集点产生的谐波为容性元件参与谐振导致的谐波放大；

3)依据式(4)判断功率因数是否接近于1，以确定谐波属性；

当第n台电网数据采集器采集的数据经显示分析终端计算得到：

此时谐波电压与电流同相，即呈现电阻对谐波抑制特征，由此判断第n台电网数据采集器采集点产生的谐波为电阻元件的谐波衰减所致；

当第n台电网数据采集器采集的数据经显示分析终端计算得到：

此时谐波电压与电流方向相反，即呈现源谐波源特征，由此判断第n台电网数据采集器所在的采集点为有源谐波源。

附图说明

图1为分布式准同步电网系统性能评估系统的结构；

图2基于分布式准同步电网测量系统的谐波分析方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。本发明实施方法具体如下：

如图1所示，应用本发明的分布式准同步电网测量系统由显示分析终端和m台电网数据采集器组成，m为整数，m≥1。

所述的m台电网数据采集器分布安装在台区内三相线路每个单相线路关键点处，如光伏发电并点网、负荷较大、电力电子设备较多等处。电网数据采集器与显示分析终端通讯。

显示分析终端挂接在位于配电网变压器低压侧的输出端，分别读取台区电气信息，通过载波、有线或无线网络读取台区内三相线路的电网数据采集器的数据。

所述的电网数据采集器通过电流、电压传感器与被检测点电网连接，采集安装点处的电网电气信息，包括基波电压、电流及方向，各次谐波的电流、电压的幅值以及有功功率和无功功率等，并对故障进行录波功能，兼有网络校时、载波、有线或无线网络通讯等功能；

显示分析终端由多功能表、载波集中采集模块、有线无线通讯接口、显示终端及数据分析控制器组成。其中多功能表为变压器低压侧三相电气测量仪表。数据分析控制器读取多功能表的数据和m台电网数据采集器数据，并进行分析。载波集中采集模块有三个通道，分别采集台区内三相线路中每台电网数据采集器数据。显示终端可手动录入存储m台电网数据采集器安装点的地理坐标、光伏发电容量、基本负荷特性和电网每段线路长度及阻抗。实时显示采集的数据、分析结果、提出谐波分布及谐波源分析报告。

显示分析终端依据多功能表采集到的电气数据为标准，对接收到的电网数据采集器采集到的电气数据进行误差分析，并将分析结果存储在显示分析终端，为后续显示分析终端所接收到的电网数据采集器的每个数据进行误差修正。

m台电网数据采集器分布安装在台区内三相线路每个单相线路关键点处，如光伏发电并网点、负荷较大、电力电子设备较多等处。并将所安装的m台电网数据采集器设备地址码及排列顺序，手工录入到显示分析终端中。

显示分析终端采用载波通讯方式与所有电网数据采集器通讯。显示分析终端通过控制载波集中采集模块的单相输出如a相，发出安装在台区内三相线路上的所有电网数据采集器地址。当显示分析终端收到有应答的电网数据采集器时，可确定该电网数据采集器安装在所测a相线路中。同时显示分析终端依据手工录入排列顺序和有应答的电网数据采集器地址，建立该相线路的排列顺序。另外b、c相线路的电网数据采集器定位方法同上。

显示分析终端在线实时取电网数据采集器所有数据、误差修正，并将实时采集数据与历史同时刻数据比对，依据数据分析需要分别求和、求平均、最大值和最小值计算，保存在显示分析终端，接下来的电网性能评估分析，依据上述处理的数据进行谐波分析、谐波源辨识及定位，并提交谐波分析评估报告。

如图2所示，本发明基于分布式准同步电网测量系统的谐波分析方法方法步骤如下：

步骤一，显示分析终端分别读取多功能表电压总畸变率thdu和电流总畸变率thdi数据，并与总谐波畸变率允许值比较，筛选出超标谐波畸变率并对应确定谐波次数h；

步骤二，依据谐波次数h，显示分析终端将该线路上所有的电网数据采集器采集到的第h次谐波电压uh、电流ih幅值，分别与谐波电压幅值阈值uth和谐波电流幅值阈值ith比较，当判断第n台电网数据采集器采集的数据unh≥uth,inh≥ith时，第n台电网数据采集器所在的采集点为谐波发生的位置，其中，unh为第n台电网数据采集器的第h次谐波电压；inh为第n台电网数据采集器的第h次谐波电流；

步骤三，通过第n台电网数据采集器采集的数据与计算，分别得到谐波的有功功率pnh、无功功率qnh与视在功率snh及谐波电流与电压相位角依据取值范围，分析确定该点谐波是由感性、容性元件谐振引起的谐波放大，电阻元件的谐波衰减，还是有源谐波源产生的。