复杂电网中谐波源搜索定位的仿真分析

图2功率流向法的检测原理图

第30卷第1期2010年3月

复杂电网中谐波源搜索定位的仿真分析

Simulation Analysis of Location for Harmonic Source in Complex Electric Power Grid

陈厦门，卢俊锋，谢文炳，卓娜玲，邵振国

（福州大学电气工程与自动化学院，福建闽侯350108）

摘要：为定位主谐波源，根据功率流向法、临界阻抗法的原理，在Matlab 平台上构建了谐波源定位元件的数字仿真模型，并在多谐波源电网中模拟了搜索定位过程。通过分析，提出了工程应用的注意事项。关键词：谐波源;搜索定位；仿真；功率流向法；临界阻抗法

Abstract:The harmonic -source location components are built in Matlab based on power -flow method and critical-impedance method respectively.Then harmonic source location using those components is simulated in a distributed system with multiple harmonic sources.Matters needing attention in engineering application are proposed finally.

Key words:harmonic source ；location;simulation ；power flow-based method ；critical impedance-based method 中图分类号：TM712,TM743文献标识码：A 文章编号：1674－6104（2010）01－0023－03

ISSN 1674－6104CN 35－1296／TM

DIANLI YU

DIANGONG

引言

谐波是一种严重的电能质量污染现象，会危害电网运行［1，2］。对谐波污染源用户进行就地治理能有效减小谐波对供电系统的影响。因此，确定主要污染源用户的电气位置具有较大的工程实用价值。通常，监测用户负荷电流的谐波流向可以确认谐波源用户，但在多谐波源用户的运行环境中，该方法可能导致错误的判断［3］。

谐波源定位是电能质量领域的研究热点，已提出了谐波功率流向［4-6］、临界阻抗［7，8］等判断方法，但也有文献对上述定位方法提出了质疑［9］。由于实际电网中谐波源用户分布状态类型有限，难以通过工程检测来验证各种谐波源定位方法的正确性。数字仿真是电能质量检测算法的主要验证手段，不仅可以设置多种工况，还能减少资金和设备的投入。本文在Matlab 平台建立了谐波源定位元件的数字模型，通过设置多电压等级供电系统的不同运行工况，比较不同定位方法的适用场合以及运用的限制条件，提出工程应用的注意事项。

1谐波源定位方法

供电系统的谐波源定位可从某个节点开始，通

过检测电气量判断主谐波源位于系统侧还是用户侧，并向主谐波源侧进一步测量，最终确定系统中最大的谐波源。如图1所示，首先选择A 点作为初始检测点，测量A 点的谐波电压和线路谐波电流，判别主谐波源的位置。如果主谐波源位于系统侧，将检测点向B 侧移动，以B 及其负荷支路作为检测对象；如果主谐波源位于用户侧，则将检测点定位于下一级线路，比如C 。

有功功率流向法通过判断公共连接点流过的谐波有功功率方向定位主谐波源。如图2所示，I u 、Z u

图1谐波源搜索定位示意图

基金项目：福州大学国家大学生创新实验计划项目

（081038603）

福建省科技计划重点项目（2007H0022）

分别是系统背景谐波电流和谐波阻抗，I c、Z c分别是用户谐波电流和谐波阻抗。测量公共连接点的谐波电压U pcc、线路谐波电流I pcc，谐波功率P正方向如图所示，则P=R e（U pcc·I pcc）。

有功功率流向法认为，当P＞0，主谐波源位于系统侧；当P＜0，主谐波源位于用户侧；当P=0，系统和用户产生的谐波污染是等量的。这种方法只是定性比较，尚不能得到量化结论。在实际的供电系统中，检测点两侧均可能存在谐波源。当谐波阻抗接近感性时，谐波有功功率的方向与谐波源之间的相角差有很大关系，而不取决于谐波源的大小［8］。因此，上述判断在一些情况下可能发生错误。

临界阻抗法通过比较计算得到的临界阻抗与系统阻抗的大小定位主谐波源。如图3所示，对于某次谐波，设系统总阻抗为Z，在公共点测量用户侧的电压U和电流I，则E=U+I·Z。

当Z=R+jX时，Z c r=-2U

I

sin（θ+β）；当Z=R-jX

时，Z cr=2U

I

sin（θ-β）。其中，Z cr为临界阻抗，β＝90°-arctan(X/R)，θ是电压与电流间的相角差。

当Z＞Z cr时，E＞U，系统侧为主要谐波源；当Z＝Z cr时，E＝U，此时系统侧谐波源与用户侧谐波源对电网的污染情况相等；当Z＜Z cr时，E＜U，用户侧为主要谐波源。

2定位元件的数字仿真模型

在Matlab的Simulink环境中构建有功功率流向定位元件及临界阻抗定位元件，以判断主谐波源位于元件接入点的左侧还是右侧（仿真谐波源的搜索定位过程），并以此对搜索定位过程进行分析。其中，设电流流入负荷线路为正。

2.1有功功率流向定位元件

调用Matlab自带的FFT函数，根据电压和电流波形采样值计算畸变波形所含的各次谐波的电压有效值U、电流有效值I及电压电流的相角差，计算谐波有功功率，原理接线如图4。

元件输入参数是三相电压和电流波形，输出为三相谐波的有功功率。参数设置界面如图5所示，用户可根据需要设置基波频率、测量的谐波次数。2.2临界阻抗定位元件

临界阻抗定位元件的接线原理如图6所示。输入参数为PCC点的电压和电流波形，输出为系统阻抗与临界阻抗的差值ΔZ＝Z-Z c r。

元件参数设置界面如图7所示，可设置基波频率、测量的谐波次数、系统侧谐波阻抗和用户侧谐波阻抗。

3谐波源搜索定位的数字仿真

如图8所示，仿真的电力系统由110kV供电，通过110kV/35kV变压器连接2、3、4三条负荷支路，其中，支路3经过40km的输电线路，由35kV/ 10.5kV降压变压器供给负荷6至11。谐波负荷采

图3系统等值图

图4有功功率流向定位元件接线图

图5有功功率流向元件参数设置图

图6临界阻抗定位元件接线图

图7临界阻抗定位元件参数设置图

用谐波电流源并联谐波阻抗的模型，分别连接在线路4、7、10上。线路4的谐波电流为15∠30°A，线路7的谐波电流为10∠60°A，线路10的谐波电流为20∠120°A。

从线路5开始搜索定位谐波源。采用有功功率流向法分步进行搜索定位：①测得5的谐波有功功率为-3154kW，判断主谐波源位于5的用户侧；②测得12的谐波有功功率为1569kW，13的谐波功率为-4723kW，判断主谐波源为线路9、10、11之一；③测得9的谐波功率为1861kW，10的谐波功率为-6704kW，11的谐波功率为119.5kW，最终测定主谐波源位于支路10。为进一步检测系统其他部分的谐波源，可在线路5的系统侧进行搜索。

采用临界阻抗法进行搜索定位时，首先在线路5测得ΔZ＝-38.56Ω，判断主谐波源位于5的用户侧；其次，测得线路12的ΔZ＝-33.8Ω、线路13的ΔZ＝-67.61Ω，则谐波源位于12和13的用户侧；最后检测6、7、8和9、10、11支路，确定谐波源支路为7、10。

采用有功功率流向法及临界阻抗法均能确定谐波源位于线路10，与设定的主谐波源位置一样。由于采用临界阻抗法针对每条负荷线路进行检测，因而最终能确定两个主要的谐波源。

改变谐波源4的谐波电流相角（150°），重复以上搜索过程。有功功率流向法定位的主谐波源位于支路4，采用临界阻抗法定位的谐波源为支路7和支路10。临界阻抗法能正确判断主谐波源的位置，而有功功率流向法误判。改变谐波源7的谐波电流大小（4A），有功功率流向法定位的主谐波源位于支路10，采用临界阻抗法定位的主谐波源也位于10。

4结论

准确定位谐波污染源用户的电气位置有助于谐波治理工作的顺利开展。在不具备同步测量的情况下，可假设系统谐波分布在一段时间内保持不变，通过按照一定规则选择检测点，逐步搜索确定主要谐波源用户。有功功率流向法的实现简单，在等效双谐波源情况下则可能存在误判，但搜索定位的仿真过程表明该方法能够确定部分谐波用户的位置。临界阻抗法能搜索定位到多个谐波污染源，但需要已知系统等效阻抗，判断结果受系统阻抗准确度的影响较大。若能同时计算系统等效阻抗，临界阻抗法的准确度将显著提高。

数字仿真是电能质量分析的有效手段，本文在Matlab环境下建立了谐波源搜索定位的仿真模型（有功功率流向定位元件和临界阻抗定位元件），进行了谐波源搜索定位的数字仿真，为后续研究工作提供了分析手段。

参考文献

［1］林海雪，孙树勤.电力网中的谐波［M］.北京:中国电力出版社，1998.

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［3］郑美容，邵振国，金海巍.存在外界污染源时的谐波治理效果评估［J］.电力与电工，2009，29(3):18-20，27.

［4］HEYDT G T.Identification of Harmonic Sources by a State Estimation Technique［J］.IEEE Trans on Power Delivery，1989，4(1)：569-575.

［5］P.H.Swart，M.J.Case，J.D.Van Wyk.On Techniques for

图8多负荷节点谐波源模型

（下转第41页）

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1995，44(3):683-685.

［7］Chun Li ，Wilsun Xu.A

‘Critical Impedance ’-Based

Method for Identifying Harmonic Sources ［J ］.IEEE Trans.on Power Delivery ，2004，19(2):671-678.

［8］刘秀玲，王洪瑞，王永青，等.临界阻抗法在配电网谐波源

探测中的应用［J ］.电力系统自动化.2007，31(14):76-80.［9］WILSUN Xu ，Xian Liu ，Yilu Liu.An Investigation on the

Validity of Power -Direction Method for Harmonic Source Determination ［J ］.IEEE Transactions on Power Deliver ，2003，18(1):214-219.

（收稿日期：2010-02-01）

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（上接第25页）

图1电缆沟盖板液压起吊装置设计简图

中在两个支撑底座小车及吊装横杠。单台支撑底座重15kg ，横杆重5kg ，分别装入3个便携箱,设备总占地0.5m 2。各部件重量适宜，装车携带方便。

2.3装卸灵活

仅需两名作业人员即可快速（15min 内）完成整

套装置的组装及拆卸。组装时，将支撑底座小车推放定位于盖板两侧，取下液压泵分别放置于相应支撑底座两旁。吊装横杠依据作业需求选取适当节数组装，将一对活动套环套入横杠后，即可将横杠插入支撑架套孔，形成门型吊装装置。在可调吊装钢钩上选取适当位置钩住盖板吊环，调节吊钩的平衡位置，即完成吊装盖板的前期准备工作。

2.4吊装快速准确，工作强度低

仅需两名作业人员即可完成电缆沟盖板吊装及

复位。盖板起吊作业程序为：两名作业人员同时手动按压两侧液压泵带动千斤顶作业，提起盖板至适当高度后，两名作业人员同时将支撑小车推放至适当空位，释放液压千斤顶即可将盖板平稳放落地面。盖

板复位作业程序与上述相反，复位过程需注意盖板与电缆沟井吻合。操作熟练者仅用5min 便可完成盖板吊装或复位作业，操作过程平稳顺畅，能轻松完成多点水平作业，劳动强度低，作业速度快，完成质量好。

3结束语

电缆沟盖板液压起吊装置能满足实际需要，兼

备实用性、易用性、灵活性的特点，能避免施工作业给盖板造成的损坏，保障电力电缆运行环境，降低电缆走廊维护费用，节约施工成本。参考文献

［1］胡爱武.基于力与速度协调的新型手动千斤顶的研发

［D ］.中南工业大学硕士学位论文，2007.［2］刘

克.分离式液压千斤顶就位大型设备的施工工艺［J ］.

起重运输机械,2007,（7）.

（收稿日期：2010-01-02）

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法国首座第三代核反应堆2013年发电法国首座第三代核反应堆将于2013年投入商业化运营服务。

第三代核反应堆的建设要比第二代复杂得多，特别是土建方面，需浇注2层混凝土外膜。第一层能

防御飞机的撞击，第二层阻止辐射外网泄露。因此，结扎钢筋的密度与第二代完全不同，达到220kg/m 3。此外，工程质量系数的要求也比第二代更高。

［摘自《中国电力》2010，（1）］