电力系统闪变源检测研究.pdf

总第 4 7 卷第5 3 4 期 2 0 1 0年第 0 6期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e n t at i o n VO l _4 7 No 5 3 4 Ju n 20 1 0 电力系统闪变源检测研究木 郭晓丽， 顾菊平， 张新松 ( 南通大学 电气工程学院 ， 江苏 南通 2 2 6 0 1 9 ) 摘要 ： 为了有效解决电能质量问题 ， 有必要对引起电能质量问题的扰动源进行定位 ， 以便实现综合治理 。本文建 立含有两条负荷支路的电力系统仿真模型 ， 采用F F r I - 法对用户端采集 的电压 、 电流进行分析 ， 得到两个主要的 间谐波分量， 通过计算功率因数， 并根据其正负判断出用户端的闪变源， 结果表明该方法简单易行。 关键词： 闪变源； 次谐波源； 快速傅立叶变换； 功率因数 中图分类号 ： T M7 1 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 4 0 0 4 Re s e a r c h o n M e a s u r e me n t o f F l i c k e r S o u r c e i n Po we r S y s t e m GUO Xi a o - l i ， GU J u - p i n g ， Z HANG Xi n - s o n g ( S c h o o l o f E l e c t r i c E n g i n e e r i n g ， N a n t o n g U n i v e r s i t y ， N a n t o n g 2 2 6 0 1 9 ， J i a n g s u ， C h i n a ) Abs t r a c t ：I t i s n e c e s s a r y t o d i s t i n g u i s h t h e s o u r c e o f po we r q u a l i t y di s o r de r f o r s e t t l i n g po we r qu ali t y p r o b l e mI n t h i s pa p e r a p o we r s y s t e m s i mu l a t i o n mo de l o f t wo l o a d b r a nc h e s i s b ui l t Th e n FFT alg o rit h m i s us e d t o g e t t wo p r i ma r y i n t e r -h a r mo n i c c h a r a c t e r p a r a me t e r s b y a na l y z i ng t h e v o l t a g e a n d c u r r e n t s i g na l s c o l l e c t e d f r o m e v e r y l o a d b r a n c hT h e s o u r c e o f fl i c k e r i s d i s t i n gui s h e d b y j u d g i n g p o s i t i v e and n e g a t i v e o f p o w e r f a c t o r T h e r e s u l t s s h o w t h i s me t h o d i s e f f e c t i v e Ke y wo r ds ： fli c k e r s o ur c e ， s ub i n t e r h a r mo n i c s o ur c e ， F F T， p o we r f a c t o r 0 引 言 电力系统扰动源的识别对 电能质量 问题的研究 提出了较高的要求 。 目前开展的研究很多是针对谐波 源的识别，已有基于功率潮流的有功功率流向法 、 戴 维南等值回路法等； 对于暂态电能质量主要是暂降源 的识别 ， 已有基于扰动功率 和扰动能量的方法 、 距离 阻抗继电器法等。 但有关闪变污染源的识别 目前研究 甚少， 文献【 1 采用将工频电压降( 同相位) 用每条支路 电流和短路阻抗来表示 ， 用以判断闪变源 ， 文献 2 】 利 用负荷参数 的变化判断闪变源。 本文研究 了电压闪变 和间谐波之间的关系 ，用电方以两条支路负荷为例 ， 通过获取主要间谐波分量并计算其阻抗角的方法， 有 效地识别出闪变污染源。 1 闪变产生的原因 供电系统和负荷可以采用不同的方法来模拟。 为 分析简便起见， 根据戴维南等效定理 ， 供电系统可以 用一个理想的电压源( 即电路开路电压) 和阻抗串联 南通市科技局应用基础研究资助项目( K 2 0 0 8 0 0 3 ) ； 南通大学 自然科学基金资助项 目( 0 8 Z 0 2 9 ) 4 0 的形式表示 ，负荷可以用可变阻抗或可变复功率表 示。图I 给出了供电系统的的单相接线图及相量图， 和D 分别为无 限大电源母线 电压相量和供 电点母线 电压相量， I为线路电压降。j I为线路电抗值( 包括 系统电抗 ) 髀 。 以供电点母线电压 为参考相量， 当负荷变动时 引起电流变化， 其变动量为 J ， 它将引起有功功率、 无 功功率变化 ， 其变动量分别为 ： R+j x P +j Q 图1供 电 系统示 意 图 Fi g 1 S k e t c h ma p o f p o we r s y s t e m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 4期 2 0 1 0年第 0 6期 电测与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s ur e me n t I n s t r u me nt a t i o n VO L 4 7 N0 5 3 4 J u n 2 0 1 0 A P =- U AI c o s 4 o ( 1 ) AQ = U A l s i n p ( 2 ) 式 中 为负荷的阻抗角。 由式( 1 ) 、 ( 2 ) 可推得线路电压降变动量： AU = j XL A I - - A + j =X L a I s i n q + j X L A l c o s q - + j x ( 3 ) 由图1 及式( 3 ) 可见 ， 电压变动量的幅值变化主要 由无功功率变化量引起 ，可 以近似以 的大小来衡 量。若以标么值的形式来表示， 则可以写作： 们 ( 4 ) 式中 Js 为基准容量 。这是计算 电压波动的基本公式。 2 闪变和间谐波的关系 电压波动定义为电压均方根值一系列相对快速 变动或连续改变的现象。 闪变反映了电压波动引起 的 灯光闪烁对人视感产生的影响。我国制定了国标 电 能质量电压波动和闪变 ( G B 1 2 3 2 6 2 0 0 8 ) ， 同时也制 定了国标 电能质量公用电网谐波 f G B 1 4 5 4 9 9 3 ) ， 但间谐波的相关研究比较少。 问谐波和闪变二者 之间到底存在什么关系呢? 文章将从 以下两方面进 行分析 。 文献 4 】 指出当电力信号含有间谐波时， 可以观察 到由于电压波动造成白炽灯的闪烁 ， 荧光灯灯具 的闪 烁和问谐波的幅值等参数有关。 文献5 指出间谐波频 率接近谐波或是基波频率时， 闪变就会发生。谐波是 工频的整数倍 ， 所以谐波总是与基波频率保持同步变 化 ， 但非整数倍基波频率的问谐波与谐波 、 基波不是 同步变化， 如果电信号含有间谐波， 则该信号幅值就 会波动。 含有基波及单一间谐波的电力信号表达式如下 ： “ ( f ) = 1 s i n ( 2 f l t ) + ms i n ( 2 f l H t + O l H J ( 5 ) 式中 为基波幅值 i 为基波频率 ； m为间谐波相对幅 值i 为间谐波的频率； 。 为间谐波的初相位。 令 H = + A f ， 其中 为接近 的谐波频率， 为简 便起见 ， 问谐波的初相位定义为0 。 当间谐波存在时 A f #0 ，此 时信号幅值发生波 动 ， 波动的频率为I A厂 I 。 当 U 1 = 2 2 0 、 V ， f l = 5 0 H z ， m = 0 1 # q = 4 0 H z 时 ， ) 波形为如图2 所示， 电力信号幅值波动， 包络线即调幅 波的频率为1 0 H z 。 由图2 可见 ，波形包络线明显有1 0 H z 的波动 ， 由 4 0 0 2 0 0 0 0 0 2 0 4 06 0 8 t s 图2 u ) 波形 F i g 2 Wa v e s h a p e o f u ( t ) 九 0 5 0 1 0 0 1 5 0 频率mz 图3含有1 0 H z 闪变电力信号的幅频特性 Fi g 3 P o we r s i g i na l a mpl i t ud e c h a r a c t e r i s t i c i n c l u di n g l OHz fli c k e r 此可以得出结论 ，当电力信号包含间谐波分量时， 它 的幅值将发生变动 ， 由此造成闪变。 当电力信号包含间谐波分量时， 它的幅值将发生 变动 ， 由此造成闪变。 反之 ， 当电力信号包含电压波动 分量 ， 能否产生间谐波 呢? 公式( 6 ) 是研究闪变的常用 数学模型， 将其展开， 可以得到公式( 7 ) ， 即： ( ) = 1 + m c o s ) s i n ( 2 ) ( 6 ) 1 M ( ) = 1 s i n ( 2 7 rf l t ) + I t U l m s i n ( 2 t rfi 斗 + s i n ( 2 ，r ( 7 ) 由式( 7 ) 可以看 出， 经角频率为 。 = 2 ) 的调幅波 m c o s ( ) 调制后， 基波中增加了旁频 枷 成分， 其 幅值均为U m 2 。当fi= 5 0 Hz ， O 2 霄= 1 0 H z 时， 基波中增加了4 0 Hz ， 6 0 H z 的间谐波。 其幅频特性如图3 所示。 实际上， 调幅波很可能存在多个谐波成分( 设为 n 个 ) ， 则调制后 的结果为各次谐波( 包括基波) 各增加 n对( 即2 n 个) 旁频成分， 这些旁频成分就是间谐波。因 此 ， 通过提取问谐波分量 ， 可以获得闪变信息。 综上分析不难得到间谐波和闪变二者之间的关 系， 电力信号存在间谐波时能引起闪变， 含有闪变的 电力信号可以提取间谐波成分。由于波动频率为 0 0 5 3 5 H z 的电压波动对闪变有直接影响 ， 而次谐波 的频率小于基波频率嘲 ， 因此得出结论只要判断出次 谐波源就意味着可以判断出闪变源。 间谐波源的判别 一 41一 A ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 4期 2 0 1 0年第 o 6期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e as u r e m e n t& l ns t r u m e n t a t i o n Vo 1 4 7 NO 5 3 4 Ju n 2 01 O 目前 ， 电力系统中常用的谐波检测方法是快速傅 立叶变换算法 。F F T 算法 以频点的方式处理频域 信 息 ， 对采样的数据有严格的要求7 J 。 在数据同步采样和 整周期截断情况下 ， F 算法能够实现整数次谐波 的 精确分析和检测 ， 反之则存在误差 。对于非整数次谐 波的检测， 由于间谐波和谐波之 间的频域宽度小于一 个基波频率 ， 故分析窗的宽度至少需要一个信号周期 以上 ，即分析窗 的宽度需要增加 。如某一信号含有 5 0 H z 基波及7 5 H z 间谐波 ， 为了得 lJ 7 5 H z 的频谱 ， 应用 F F T 算法， 需要采样窗的宽度为2 个信号周期， 即频率 分辨率为2 5 H z 。如果此时信号含有的间谐波频率为 4 0 Hz 、 6 0 Hz ， 采样窗 口还是2 个信号周期 ， 即每隔2 5 H z 就得到一个频率值 ， 由于6 0 H z 不是2 5 H z 的整数倍 ， 即 不能实现整周期采样 ， 将产生了频谱泄漏现象和栅栏 效应 ， 由此出现了一些虚假的问谐波分量。对于含有 间谐波的信号 ，如果分析时采取合适宽度的采样窗 ， 就能得到真正的问谐波频谱。 假设一个电力信号 ，它含有 ： 2 V的直流分量 ； 频 率为5 0 H z 、 相位 为一 3 0 。 、 幅度 为3 V的交流信号 ； 频率 为6 0 H z 、 相位 为1 2 0 。 、 幅度为 1 V的交流信号 ； 频率为 7 5 H z 、 相位为9 O 。 、 幅度为1 5 V的交流信号。 以2 5 6 H z 的采样频率对这个信号进行采样，采样 2 5 6 点。 信号F F T 变换后， 根据函数a b s 0 、 a b g l e 0 取其模、 幅 角 ， 可以方便地求得信号含有不同频率分量所对应的 实际幅值及相位 。部分程序如下 ： F s = 2 5 6 ； 采样频率f Hz ) N = 2 5 6 ； 采样点数 t = 0 ： 1 F s ： N F s ； 采样时刻 S = 2 + 3 C O S ( 2 p i 5 0 t - p i 3 0 1 8 0 ) + 1 0 C O S ( 2 p i 6 0 t + p i 1 2 0 1 8 0 ) + 1 5 c o s ( 2 p i 7 5 t + p i 9 0 1 8 0 ) ； Y：m( s ， N ) ； 做F F T 变换 A y y =( a b s ff) ) ； 取模 A y y = A y y ( N 2 ) ；换算成实际的幅度 A y y ( 1 ) = A y y ( 1 ) 2 ； P y y = 1 ： N 2 ； f o r l ： N 2 P y y ( i ) = a g l e (Y( i ) ) ； 计算相位 幅度一 频率曲线、 相位 频率曲线如图4 所示， 其检 测结果见表1 。由表l 可见F 丌算 法能够精确地检测出 电力信号含有的各次间谐波的幅值及相位。 通常电力系统各用户端利用数据采集系统可以 记录下支路电压及 电流 ， 采用F 算法能够获取主要 的间谐波分量( 即此时它的幅值最大 ) 。 由于间谐波经 常成对 出现 ， 获取两个主要 间谐波分量的相位 ， 并可 一 42 4 画 2 0 2 0 0 _ 丑 0 一2 0 0 0 5O l 0 0 频率 H z ( a 】 幅度 一频率 曲线 i s 0 5 0 l 【 x 】 频率 Hz f b ) 相位频率曲线 图 4 F 兀、 结 果显 示 F i g 4 Re s u l t o fFFI 表 1 含有 间谐波的电力信号检测结果 T a b 1 The e x p e r i me n t r e s u l t s o f p o we r s i g i na l i nc l u di n g i n t e r h a r mo ni e 以方便地求得次谐波阻抗角 ， 取其余弦即为功率 因数 ( 考虑基波电压、 电流的参考方向) 。 次谐波分量的功率 因数在相同参考方向下与基波功率因数相反的支路向 系统提供功率 ， 从而判断其为次谐波源和闪变源支路。 4 实例分析 为了验证本文提出方法的可行性及准确性， 建立电 力系统模型。2 2 0 V 侧有两条并联连接的负荷 ， 如图5 所 示。 A 监测点为R L 支路负荷2 2 0 V、 2 0 k w、 1 0 k V a r ， 其功率 因数为0 8 9 4 ； B 监测 点为波 动性 负荷 ，负 载特性为 图5电力 系统模 型 F i g 5 Mo d e l o f p o we r s y s t e m I I 1 5 - ： 函 皿 苴 ) 趣 互 皿 n 衄 - ： 0 0 盈 l 陬 陬 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 4期 2 0 1 0年第 0 6期 电测与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r u me l l t a 6O i l VO L 4 7 N0 5 3 4 J un 2 01 O 之 O 0 2 0 4 0 6 0 8 O 1 0 o 2 0 0 频 率， H ( a ) 幅度一 频率 曲线 ( 0 2 O 图6电流F F T结 果显 示 F i g 6 F兀 r e s u l t o f c u r r e n t r = l 一 0 2 c o s ( 2 盯8 t 一 ) ， 8 H z 为负载变化频率。 设电压 j 为 u = 2 2 0 c o s ( 2 百 5 0 t ) V， 则负载电流i - u r ， 电流波形幅 度、 相位一 频率曲线图如图6 所示。 通过分析监测点记录的电压 、 电流， 利用文中3 提 及的算法， 电流含有3 4 H z 、 4 2 H z 、 5 8 H z 、 6 6 H z 等问谐波 分量， 主要的次谐波为4 2 H z 、 阻抗角6 0 。 ， 在相同参考方 向下监测点的功率因数值为一 0 8 6 6 ， 负值表示B 点负荷 产生有功功率而非消耗功率， 所以是次谐波源。 5 结论 文章研究 了电压闪变和问谐波之间的关系 ， 发现 电力信号存在问谐波时能引起闪变 ， 含有 闪变的电力 信号可以提取间谐波成分 ， 因此只要判断出次谐波源 就意味着可以判断出闪变源。 由于间谐波经常成对 出 现 ， 获取两个主要 的间谐波分量的相位 ， 进一步计算 出功率因数 ， 根据功率 因数的正负从而判断其为次谐 波源和闪变源支路 。实验结果表明该方法简单易行。 参 考 文 献 【 1 】D a n A I d e n t i f i c a t i o n o f F l i c k e r S o u r c e s C P r o c e e d i n g s o n 8 t h I n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n h a r mo n i c s a n d q u ali of p o we At h e n s ， Gr e e c e ， l 9 9 8 【 2 】 堵俊， 郭晓丽， 张新松 供电系统中闪变源定位研究 J 】 电力系统保 护与控制， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 4 ) ： 6 2 6 5 DU J u n ， GUO Xi a o l i ， Z HANG Xi n s o n g Re s e a r c h o n ide n t i fi c a t i o n o f fl i c k e r s o u r c e i n p o w e r s u p p l y s y s t e m J P o w e r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d C o n t r o l ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 4 ) ： 6 2 - 6 5 3 】 胥 国毅 闪变源识别 的研究 D 北京： 华北 电力大学， 2 0 0 6 X U G u o y i I d e n t i f i c a t i o n of F l i c k e r S o u r c e【 D J _ B e i j i n g ： N o r t h C h i n a E l e c t ri c P o we r Un i v e r s i t y ，2 0 0 6 4 】周林 ， 张凤， 栗秋华， 等 配 电网中谐波源定位综述 高 电压技术， 4 0 6 0 8 0 1 0 0 频 l- l z f b 1 相位一 频率曲线 2 0 0 7 ， 3 3 ( 5 ) ： 1 0 3 1 0 7 Z HO U L i n ， Z H A NG F e n g ， L I Q i u h u a ， e t a 1 Me t h o d s f o r L o c ali z i n g th e H a r mo n i c S o u r c e i n P o w e r D i s t ri b u t i o n Ne t w o r k J 1Hi g h Vo l t a g e E n g i n e e ri n g , 2 0 0 7 ， 3 3 ( 5 ) ： 1 0 3 1 0 7 5 郝江涛， 刘念， 幸晋渝 电力系统问谐波分析 f J 1 电力自动化设备， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 1 2 ) ： 3 6 - 3 9 HAO J i a n g t an，L i u Ni an，Xi n g J i n y uS t u d y o n i n t e r h a r mo n i c o f p o we r s y s t e m J E l e c t r i c P o w e r A u t o ma t i o n E q u i p m e n t 2 0 0 4 2 4 ( 1 2 ) ： 3 6 3 9 6 】 邓淑娟， 罗隆福， 李勇 新型工业变流系统间谐波与次谐波特性分析 【J J 电网技术， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 5 ) ： 2 8 3 2 ， 4 3 DE NG S h u a n ， L U O L o n g ， L I Y o n g C h ara c t e ri s t i c A n al y s i s o n I n t e r - Ha r mo n i c s an d S u b - Ha r mo n i c s i n t h e Ne w T y pe o f I n d us t C o n v e n i n g S y s t e m J P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 5 ) ： 2 8 - 3 2 ， 4 3 1 7 琳 海雪 电力系统中的间谐波问题l J 供用电， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 3 ) ：6 9 L I N H m x u e I n t e r H armo n i c s i n E l e c t ri c P o w e r S y s t e m I T h e E l e c t ri c S u p p l y a n d D e mand ， 2 0 0 1 ， 1 8 ( 3 ) ： 6 - 9 【 8 D a h a i Z h a n g ， Wi l s u n Xu ， A l e x and r e N a s s i F l i c k e r S o u r c e I d e n t i f i c a t i o n b y I n t e r h armo n i c P o w e r D i r e c t i o n C C C E C E C CG E I ， S a s k a t o o n ， Ma y 2 0 0 5 ： 5 4 9 - 5 5 2 作者简介 ： 学与研 究工 及其 驱动控 教学 与研究 收稿 13 期 ： 2 0 0 9 1 1 - 1 0 ( 杨长江 编发 ) 4 3 、 一 一 一 轴 靴 膊 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m