谐波源闪变源实时定位仪及确定谐波源闪变源方位的方法

摘要

本发明公开一种谐波源闪变源实时定位仪及确定谐波源闪变源方位的方法，定位仪安装在电力系统的供电侧与用户侧的公共连接点，将电压和电流信号经模数转换模块ADC转化为数字量送到谐波闪变特征参数计算模块HFC，HFC实时计算谐波和闪变的特征参数，谐波源闪变源识别模块HFI根据谐波和闪变的特征参数确定谐波源和闪变源的方位。谐波源指示器指示谐波源方向，闪变源指示器指示闪变源方向。本发明将谐波和闪变特征参数的测量与谐波源和闪变源的定位综合在一起，能够同时提供谐波和闪变的实时监测，对于治理谐波和闪变具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种谐波源闪变源实时定位仪及确定谐波源闪变源方位的方法，属于电能质量监测技术领域。

背景技术

电力系统谐波和闪变的监测是电能质量监测的主要内容，谐波和闪变的监测已得到科研和应用领域的广泛重视，国际标准（如IEC标准）、国家标准早已建立，监测谐波和闪变的仪器也方兴未艾。

监测谐波和闪变的主要目的是治理谐波和闪变，治理谐波和闪变最好能弄清谐波源和闪变源在哪里。但是，众多的电能质量监测仪器中，至今仍缺少谐波源和闪变源的专用定位仪器。

谐波源的定位已经发表了一些较为有效的方法，而闪变源的定位至今仍罕见有效方法。

发明内容

本发明的目的就在于针对现有技术的不足提出一种谐波源闪变源实时定位仪（下文简称‘定位仪’）及其确定谐波源闪变源方位的方法，把谐波和闪变特征参数的测量与谐波源和闪变源的定位综合在一个仪器上，突出谐波源和闪变源的定位。

本发明具体采用如下技术方案：

一种谐波源闪变源实时定位仪，它安装在电力系统的供电侧与用户侧的公共连接点，用于实时测量谐波和闪变的特征参数、实时侦测谐波源和闪变源的方位，其特征是： 

（1）包含1个模数转换模块ADC——将公共连接点的电压和电流信号转化为数字量送到谐波闪变特征参数计算模块HFC；

（2）包含1个谐波闪变特征参数计算模块HFC——实时计算谐波和闪变的特征参数；

所述特征参数包括：谐波子群功率和间谐波子群功率；

（3）包含1个谐波源闪变源识别模块HFI——根据谐波和闪变的特征参数确定谐波源和闪变源的方位；

（4）包含1个谐波源指示器和1个闪变源指示器——指示谐波源方向和闪变源方向。

上述谐波源闪变源实时定位仪确定谐波源闪变源方位的方法是：

总谐波源方向：当总谐波有功功率与基波有功功率符号相同时指示总谐波源正向——谐波源在供电侧，否则指示反向——谐波源在用电侧；

各次谐波源方向：当某次谐波有功功率与基波有功功率符号相同时指示该次谐波源正向——该次谐波源在供电侧，否则指示反向——该次谐波源在用电侧；

闪变源方向：当总间谐波有功功率与基波有功功率符号相同时指示正向——闪变源在供电侧，否则指示反向——闪变源在用电侧。

谐波和闪变特征参数主要指：电压（流）畸变率、电压（流）谐波幅值和相角、电压（流）

间谐波幅值和相角、电压短（长）时闪变、基波有功功率、谐波有功功率、谐波子群功率、间谐波子群功率等。谐波子群功率和间谐波子群功率是本发明特有的。

本发明中，谐波源的定位是在已有的‘有功功率定位法’的基础上改进的，改进之处包括：（1）谐波功率的大小和方向都是实时测量的，（2）定义了一个新概念——‘谐波子群功率’。

本发明中，闪变源的定位采用自创的‘间谐波功率法’，它来源于发明人的一个认识：电网电压（流）的间谐波信息一定包含在电压（流）的包络之中，反之，电网电压的闪变（包络）一定主要来源于电压间谐波——详细论证参见本说明书的附录。

本发明的谐波源闪变源实时定位仪及其确定谐波源闪变源方位的方法，将谐波和闪变特征参数的测量与谐波源和闪变源的定位综合在一起，能够同时提供谐波和闪变的实时监测，对于治理谐波和闪变具有重要意义。

附图说明

图1是谐波源闪变源实时定位仪安装位置示意图；

图2是谐波源闪变源实时定位仪结构图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于智能电网电能质量监测的谐波源闪变源实时定位仪，其主要功能是：实时测量电力系统的谐波和闪变的特征参数，实时侦测谐波源和闪变源的方位。对单台定位仪——‘定位’的作用主要指确定谐波源和闪变源的方位，但是如果合理配置多台定位仪——就能确定谐波源和闪变源的具体位置。

定位仪一般安装在电力系统的供电侧与用户侧的公共连接点（简称PCC）——参见附图1，为了清晰明了，图中只画出了一相——由此不难推广到三相，实际上，谐波源闪变源实时定位仪可以是单相的也可以是三相的。

定位仪可以分别指示：谐波源和闪变源在供电侧还是在用户侧？这样在电网的关键PCC上合理配置若干台定位仪，就能确定谐波源和闪变源的具体位置。

定位仪的结构如附图2，定位仪的输入是PCC的电压信号（经TV）和电流信号（经TA），定位仪将电压和电流信号经内部PT（CT）和模数转换模块ADC转化为数字量送到谐波闪变特征参数计算模块HFC，HFC实时计算谐波和闪变的特征参数，谐波和闪变的特征参数送到谐波源闪变源识别模块HFI，HFI根据谐波和闪变的特征参数确定谐波源和闪变源的方位。

LCD显示谐波和闪变的特征参数，谐波源指示器指示谐波源方向，闪变源指示器指示闪变源方向，通信口可将定位仪的信息远传。HFI确定谐波源闪变源方位的原则是：

总谐波源方向：当总谐波有功功率与基波有功功率符号相同时指示总谐波源正向——谐波源在供电侧，否则指示反向——谐波源在用电侧。

各次谐波源方向：当某次谐波有功功率与基波有功功率符号相同时指示该次谐波源正向——该次谐波源在供电侧，否则指示反向——该次谐波源在用电侧。

闪变源方向：当总间谐波有功功率与基波有功功率符号相同时指示正向——闪变源在供电侧，否则指示反向——闪变源在用电侧。

．HFC的主要工作

HFC实时计算谐波和闪变的特征参数，这样的计算是连续不断的、一次接一次的，每次计算都基于一个新的数据窗口——当前采集到的电压、电流采样序列。HFC的工作包括：

1）连续同步采样电压、电流信号                                                个周波共个采样点，同步采样就是采样周期相等且采样频率是电网频率的整数倍。PLL（锁相环）的作用是频率跟踪——让采样频率始终是电网频率的整数倍。实际上，PLL存在跟踪误差，跟踪误差会造成‘频谱泄漏’。IEC61000-4-30要求频率跟踪误差小于万分之三。将当前采样到的电压、电流采样序列记为：

其中，，M是信号中最高次谐波的次数。IEC61000-4-7规定、，这样用FFT（快速Fourier变换）求出的间谐波的分辨率就是次。

2）分别对电压、电流采样序列实施FFT，得到个频点的电压、电流谐波幅值和相角，

、时，500个频点的电压谐波幅值和相角为

500个频点的电流谐波幅值和相角为

其中，下标能被（）整除的对应整次谐波，其它对应间谐波。

3）对电压采样序列实施IEC61000-4-15的闪变算法，得到短时闪变（）和长时闪变（）；

4）将2）和3）得到的测量数据上传给HFI。

．HFI的主要工作

HFI的主要工作是：实时确定谐波源和闪变源的方位，具体包括：

2.1计算各类有功功率

1）总有功功率

理论上，总有功功率是基波有功功率与总谐波有功功率之和，总谐波有功功率是各整次谐波有功功率与总间谐波有功功率之和。用数字积分算法从电压、电流采样序列直接求出总有功功率：

2）基波有功功率

3）谐波子群功率

IEC61000-4-7定义的第m次‘谐波子群’是第m次（整次）谐波的幅值与相邻的2个间谐波幅值的‘方和值’，这样做是为了收集第m次谐波的泄漏能量——使谐波幅值的计算更为合理，但是方和值丢失了方向（符号），所以本发明利用‘谐波子群’的思想定义了一个新的功率——谐波子群功率，第m次谐波子群功率定义为：

（）

其中，第2项是传统意义上的第m次谐波功率，第1项和第3项体现了第m次谐波的‘主泄漏’——即第m次谐波泄漏功率的主要部分。当PLL的频率跟踪误差小于万分之三时，‘主泄漏’占到整次谐波泄漏的90%以上。

4）间谐波子群功率

本发明利用IEC61000-4-7中‘间谐波子群’的思想定义了一个新的功率——间谐波子群功率，第m次间谐波子群功率定义为：

          （）

它表征了第m次与第（m +1）次两个整次谐波之间（这段频带）的间谐波功率，间谐波子群功率基本上去除了整次谐波泄漏的功率。

5）总谐波有功功率

总谐波有功功率是除了基波有功功率以外的所有谐波和间谐波有功功率之和，所以总谐波有功功率为：

6）总间谐波有功功率

总间谐波有功功率是总谐波有功功率去除各次谐波子群功率：

去除各次谐波子群功率——不仅去除了传统意义上的整次谐波功率、还去除了整次谐波的主泄漏功率，这样求出的间谐波有功功率当然更为合理。

指示谐波源方向和闪变源方向

1）谐波源方向

按照谐波源定位的‘有功功率定位法’可以确定谐波源方向是：

当与符号相同：指示总谐波源正向——谐波源在供电侧；

当与符号相反：指示总谐波源反向——谐波源在用电侧；

当与符号相同：指示第m次谐波源正向——第m次谐波源在供电侧；

当与符号相反：指示第m次谐波源反向——第m次谐波源在用电侧。

2）闪变源方向

闪变源定位采用本发明提出的‘间谐波功率法’，‘间谐波功率法’基于这样一个认识：电网电压的闪变（包络）一定‘主要’来源于间谐波。

附录1严格证明了一个结论：对于一个幅值调制信号，如果载波和包络都是周期信号，且载波频率不是包络频率的整数倍，那么该信号中的间谐波与信号的包络一定互为因果。

在实际电网中，工频信号（载波）一般不是严格周期信号——但十分接近周期信号，闪变（包络）一般也不是严格周期信号——但具有一定的周期波动性，载波频率有可能是包络频率整数倍——但发生的概率极小，所以将理论上的‘命题’转化为实用的‘认识’加了‘主要’二字。

根据‘间谐波功率法’，确定闪变源方向的方法是：

当与符号相同：指示正向——闪变源在供电侧

当与符号相反：指示反向——闪变源在用电侧

2.3显示谐波和闪变的细化数据

方向指示器从总体上指明谐波源、闪变源的方向，LCD显示谐波、闪变的具体数据和‘方向’的细节，主要包括：

1）谐波特征参数

谐波特征参数的计算按照IEC61000-4-7规定的方法。

2）闪变特征参数

闪变特征参数的计算按照IEC61000-4-15规定的方法。

3）谐波功率

主要包括：基波功率的大小和方向、总谐波功率的大小和方向、各整次谐波子群功率的大小和方向。

各整次谐波子群功率的大小和方向反映了各整次谐波对总谐波的贡献，也可用于追溯某次谐波的源头。

4）间谐波功率

主要包括：总间谐波功率的大小和方向、各间谐波子群功率的大小和方向。

各间谐波子群功率的大小和方向反映分段频带间谐波对闪变的贡献，或者说某一段频带的间谐波对闪变大小和方向的影响。

数据记录、分析与报警

HFI对上列数据进行记录——每隔一个固定时间间隔（比如1分钟）记录（存储）1组数据，每组数据都有时标。

HFI对当前和历史数据进行分析，按预先设定的原则进行判断，适时地发出报警甚至控制信号——断开某个谐波源或闪变源（如果允许）。

谐波源闪变源实时定位仪是硬件与软件相结合的产物，它采用图2所示的“PT（CT）+ADC +HFC+HFI”结构，HFC和HFI都基于微处理器。谐波源指示器和闪变源指示器可以是LED指示灯，也可以是其它文字或图型显示器。

HFC实时计算谐波和闪变的特征参数，谐波和闪变特征参数的测量遵循IEC61000-4-30、IEC61000-4-7和IEC61000-4-15就行了，IEC标准比国标严，满足了IEC标准一定能满足国标。

HFI用‘有功功率定位法’实时确定谐波源方向，用‘间谐波功率法’实时确定闪变源方向，并用指示器明确指示谐波源和闪变源的方向。LCD显示谐波特征参数、闪变特征参数、谐波功率大小和方向、间谐波功率大小和方向等等。

HFI对当前和历史数据进行分析，按预先设定的原则进行判断，适时地发出报警甚至控制信号——断开某个谐波源或闪变源（如果允许）。

谐波源闪变源实时定位仪可以做成在线的也可以做成便携的。

附录1

命题：对于一个幅值调制信号，如果载波和包络都是周期信号，且载波频率不是包络频率的整数倍，那么该信号中的间谐波与信号的包络一定互为因果。

证明：首先，根据Fourier级数理论，周期为f的信号总可以表达为

                                        （1）

式中，常数和分别为第m次谐波的幅值和初相角，是基波频率， M是所含整次谐波的最高次数。

如果上列周期信号的幅值被调制，调制后的信号就变成

                              （2）

式中，是信号幅值的波动量——称为包络，周期信号称为载波。

如果包络也是周期信号，那么式（2）可化为：

                 （3）

式中，常数和分别为包络所含第l次谐波的幅值和初相角、是的基波频率，L是所含谐波的最高次数。

式（3）可以展开为：

      （4）

也就是

 （5）

上式等号右边的第一项就是载波，第二项频率为：

           ，         （6）

如果载波频率不是包络频率的整数倍，那么等号右边的第一项包括了信号所有的整次谐波，第二项包括了信号所有的间谐波。

从式（5）不难看出：在本命题的前提下，闪变与间谐波是互为因果的，如果没有间谐波（等号右边的第二项）信号就不会有闪变（包络），反之亦然。

讨论：

上述命题在理论上是完全成立的——但它的成立是有严格条件的， 与几乎所有的理论成果一样——理论与实际总存在差距，问题是这种差距有多大？理论对实际还是否有指导意义？

先看第一个条件——载波和包络都是周期信号。实际电网中，工频信号（载波）肯定不是严格周期信号——但十分接近周期信号，闪变（包络）一般也不是严格周期信号——但具有一定的周期波动性，所以这个条件大多数情况下是基本符合的。

再看第二个条件——载波频率不是包络频率的整数倍。实际电网中，载波频率是包络频率整数倍的概率极小，所以这个条件在极大多数情况下也是基本符合的。

所以，正文提出闪变源定位的‘间谐波功率法’时，采用的提法是：电网电压的闪变（包络）一定主要来源于间谐波，也就是说，间谐波功率的方向基本代表了闪变源的方向。