配電網(wǎng)閃變源定位方法

吳瑾櫻，蘇文博，邵振國

（福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州350116）

配電網(wǎng)閃變源定位方法

吳瑾櫻，蘇文博，邵振國

（福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州350116）

閃變源定位對于解決規(guī)模龐大、復(fù)雜的配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題具有重要的工程意義。為此歸納總結(jié)了閃變源定位的各種方法，包括基于功率潮流方向的閃變源定向方法、電壓電流相關(guān)性方法及注入水平評估的定位方法。分別闡述了各種方法的基本原理，指出了閃變源定位方法的優(yōu)缺點。

電能質(zhì)量；閃變源定位；間諧波；間諧波功率；閃變功率

0 引言

電能的應(yīng)用程度已成為現(xiàn)代社會經(jīng)濟發(fā)展水平的主要標志。整流設(shè)備、電弧爐、軋鋼機等波動性負荷和分布式電源的接入，致使電壓波動［1］，其中0.05～35 Hz范圍的電壓波動就有可能引發(fā)閃變。閃變引起照明燈光閃爍使得人眼疲勞，損害人的身體健康，并進一步惡化電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。定位引發(fā)閃變的干擾源可以協(xié)調(diào)供用電雙方的矛盾，降低電能質(zhì)量敏感用戶的損失。科技工作者在閃變檢測方面做了許多深入研究，主要集中在對傳統(tǒng)的IEC閃變儀進行改進，分析各種閃變檢測方法的性能與特點，提高閃變儀的性能［2～5］。有關(guān)閃變源定位方法的相關(guān)文獻不多，還不能準確定位電網(wǎng)中的所有閃變源。進行閃變源定位的關(guān)鍵是要找到閃變源和非閃變源在某些特征量上的差別。本文介紹了功率流向法、電壓電流相關(guān)度法、比率法、負荷阻抗分析法這幾種閃變源定位方法的基本原理，指出了他們各自的優(yōu)缺點。

1 基于功率類指標的閃變源定向

節(jié)點電壓包含的低頻波動只能作為閃變存在與否的判據(jù)［6］。采用電壓電流的組合特征量進行定向?qū)F(xiàn)有的閃變源定位方法大體分兩類:一是通過檢測波動潮流判斷干擾來源；二是通過電壓與電流畸變關(guān)系判斷干擾來源找出內(nèi)在聯(lián)系的波動負荷參數(shù)。

1.1 基于間諧波功率流向的閃變源識別

變頻調(diào)速裝置、感應(yīng)電動機、鐵磁諧振、大功率風電機組等［7］可能產(chǎn)生間諧波。間諧波與基波作用會導致電壓的均方根值波動［8，9］，實質(zhì)上調(diào)幅波可看成一對間諧波的疊加［10］。文獻［11］將w0±wj頻率的次諧波功率流向作為閃變源定位的判據(jù)。

閃變電壓的典型數(shù)學模型如式（1）表示:

式中:V是工頻電壓幅值；mj是電壓波動值與工頻量的比值；wj是電壓波動頻率；w0是工頻電壓角頻率。展開式（1），得到

由式（2）可以看出，信號中含有wj+w0，wj-w0的關(guān)于基波角頻率對稱的間諧波信號。

文獻［8］首先提出了考慮閃變差異性的閃變源識別方法，借鑒諧波功率的概念提出了間諧波閃變功率定義。間諧波閃變功率表達式為:

式中:K（Δf）為視感度加權(quán)濾波器的幅頻特性；mueqj（Δfj）和mieqj（Δfj）分別對應(yīng)Δfj波動頻率下電壓和電流總的等效波動值；jueqj和jieqj分別對應(yīng)Δfj波動頻率下電壓和電流總的等效相位。若P＞0，則系統(tǒng)側(cè)為主要的閃變源；若P＜0，則用戶側(cè)為主要的閃變源。間諧波功率流向法只需監(jiān)測支路的電壓電流數(shù)據(jù)，不需要系統(tǒng)阻抗等參數(shù)，簡單直觀，在只有系統(tǒng)側(cè)或用戶側(cè)存在諧波和閃變時可以準確識別閃變源位置。但是，文獻［12］通過實例驗證了在系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)同時存在同一頻次諧波時，該方法可能會給出錯誤的結(jié)論。文獻［13，14］指出復(fù)雜的多諧波源供電系統(tǒng)中，諧波源可能同時消耗和注入諧波功率，不能以諧波功率流向判斷諧波源是位于系統(tǒng)側(cè)還是負荷側(cè)［15］。功率流向方法僅僅適用于周期型閃變，不能夠檢測到快速變化的隨機的閃變［16］。因此，間諧波功率流向作為定位依據(jù)有可能得出錯誤結(jié)論。

1.2 基于閃變功率流向的閃變源識別

文獻［17，18］給出閃變功率的定義，閃變源兩端的電壓和流過閃變源支路的電流用調(diào)幅波模型表示:

式中:mu（t），mi（t）為閃變源產(chǎn)生的低頻波動分量。

人眼對于閃變的視覺敏感程度與調(diào)制波的頻率和幅值有著密切關(guān)系，需要將mu（t），mi（t）做加權(quán)視感度濾波處理［19］，得到muπ，miπ。閃變功率定義如式（6），T為積分周期。

可采用平方解調(diào)法、獨立分量法、較新的小波變換法及傳統(tǒng)的FFT分析或者Prony估計法［3，20～23］分離波動分量，根據(jù)（6）式求出功率值符號。為正表示閃變功率與基波功率流向一致，閃變源位于系統(tǒng)側(cè)。為負表示閃變功率與基波相反，閃變源位于負荷側(cè)。該方法中所有信號均在時域中進行計算，不需要變換到頻域。基于間諧波功率或閃變功率判斷干擾來源并無本質(zhì)區(qū)別。在PCC點兩側(cè)都存在干擾源的時候，以上只能判斷出主導干擾源。在多閃變源支路的工況下，功率大小還與支路電流相位有關(guān)，不同支路上的閃變源還有可能使得實際閃變水平增加或者減少。功率類定向指標無法區(qū)分波動性負荷與分布式電源之間的交互影響，由此可能會造成誤判。

2 基于電壓電流相關(guān)性的閃變源鑒別

2.1 基于電壓和電流相關(guān)度的閃變源識別

文獻［24］通過分析PCC點電壓與各負荷支路電流的波形相似度區(qū)分普通負荷與閃變源。閃變源電流受負荷本身特性影響較大，電壓與負荷電流波形相似度低。普通負荷的等效阻抗值基本恒定，負荷電流與電壓之間具有很高的相似性。

2個信號波形的線性相關(guān)度表達式為

式中:uk，ik分別為信號u和i的采樣值（k=1，2，…，n）。和分別為uk，ik的數(shù)學期望值；相關(guān)系數(shù)在-1～1區(qū)間。絕對值越接近1，相關(guān)越密切；越接近于0，相關(guān)越不密切。

考慮相位差90°的兩個完全相似的波形，相關(guān)系數(shù)卻為0，而實際電網(wǎng)中的多數(shù)負荷并非純電阻，因而線性負荷的相關(guān)系數(shù)值也較小，因此不能直接用相關(guān)系數(shù)識別非線性負荷支路。文獻［24］進而采用移動窗數(shù)據(jù)處理的方式得到不受相位差影響的相關(guān)系數(shù)，消除相位差帶來的影響，但是沒有解決隨機波動信號的相位影響。

2.2 基于電壓電流比率法的閃變源識別

文獻［19，25］提出了基于電壓電流比率的閃變源識別方法。

如圖1所示，首先計算PCC點的電壓和電流有效值序列Upcc（k），Ipcc（k），并分別求其增量序列

式中:k=0，1，2，…，n。

只有系統(tǒng)側(cè)存在閃變源時，PCC的電壓隨著Z2的增大而增大，PCC的電流也變大。

只有負荷側(cè)存在閃變源時，隨著Z1增大，流過PCC的電流減小

因此，可以根據(jù)式（10）、式（11）進行閃變源定位。在只有系統(tǒng)側(cè)或者用戶側(cè)存在閃變源時，可以給出準確的結(jié)果，在雙端電源供電時同樣適用［25］。同時，由于采用電壓電流的有效值變動進行聯(lián)合分析，一定程度上也可以克服隨機干擾的影響。但是該方法只能定性地分析閃變污染源的來源，對于存在多個支路的節(jié)點，無法定位閃變來自哪條出線。同時，隨機型閃變存在一定的暫態(tài)過程，在系統(tǒng)和負荷側(cè)阻抗同時出現(xiàn)較大范圍波動時，僅僅根據(jù)有效值的變化率并不一定能給出準確結(jié)果。

圖1 系統(tǒng)等效電路

3 閃變干擾用戶注入水平評估

干擾源定位研究需要解決兩個問題:一是鑒別干擾性負荷；二是計算干擾性負荷對系統(tǒng)的危害程度。前者根據(jù)定位特征量給出是或否的確定性結(jié)論；后者是定量分析，需要定義合適的指標［6］。文獻［19，25］只是定性判斷干擾源與PCC點的相對位置，沒有鑒別負荷特性。功率類指標在測點兩側(cè)都存在干擾源時，只能判斷出主導干擾源［13］。如果定義危害評估指標P，就可以依據(jù)危害值解決干擾源定位問題。

3.1 注入水平評估思路

評估污染用戶注入水平的評估場景如圖2，Us為系統(tǒng)等效電壓源，Zs為系統(tǒng)等效阻抗。評估流程如圖3。

圖2 評估場景

圖3 評估流程圖

3.2 基于注入電流波動量的評估

文獻［26］認為電力系統(tǒng)電壓波動主要由電流無功部分引起，提出基于無功電流變化的閃變污染量評估方法。文獻［27］根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)跟蹤單個干擾負荷的阻抗參數(shù)，計算單個負荷造成的節(jié)點電壓閃變嚴重程度，從而從數(shù)量上來比較多個干擾負荷的強弱。文獻［28］建立了虛擬評估場景，建立用戶的污染模型并計算各個污染用戶的評估電壓。

根據(jù)圖2列出方程:

us（t）-upcc（t）=Rsic（t）+Lsdic（t）/dt（12）式中:us（t），upcc（t）分別表示系統(tǒng)瞬時電壓、PCC點瞬時電壓；ic（t）為支路電流。對式（12）兩邊同時進行以工頻為基頻的一階動態(tài)相量計算，可得

式中:符號〈us（t）〉1，〈upcc（t）〉1和〈ic（t）〉1分別表示us（t），upcc（t）和ic（t）經(jīng)動態(tài)相量計算后得到的一階動態(tài)相量。對上式兩邊同時進行以閃變頻率fh為基頻的一階動態(tài)相量計算，得到相量方程如下:

式中:ΔIc，ΔUpcc，ΔUs分別為電流、PCC電壓和電源電壓的波動值。

通過各負荷支路的電流計算各自引起的電壓波動量ΔU，并計算危害指標作為衡量各自的污染程度。在多個干擾對象共同作用時，能夠有效地辨識出隱藏的干擾源。

3.3 基于波動阻抗檢測的評估

波動負荷接入電網(wǎng)后，產(chǎn)生波動的負荷電流，從而導致公共連接點電壓波動，引起閃變。波動負荷和恒定負荷在等效阻抗上的特征差異可以作為閃變干擾源的定性鑒別依據(jù)［27］，閃變污染源的定性鑒別問題其實就是實現(xiàn)波動負荷的鑒別［29］。因此可以根據(jù)閃變發(fā)生時的電壓，電流錄波數(shù)據(jù)辨識其參數(shù)，評估負荷參數(shù)變化對系統(tǒng)的危害［30，31］。

在分析電壓和電流的波形畸變時，首先需要進行電網(wǎng)的電磁暫態(tài)仿真，通過代數(shù)微分方程求出電壓、電流的瞬時值［32］，負荷等效為時變電阻R（t）與L（t）串聯(lián)組合。

根據(jù)歐姆定律，圖4中電壓電流瞬時值滿足

圖4 負荷阻抗等效電路圖

設(shè)閃變發(fā)生時的負荷電壓、電流錄波數(shù)據(jù)分別為u（k），i（k），采樣頻率為Fs。電流的一階倒數(shù)為:

將（16）式代入（15），得到

實際上負荷參數(shù)變化頻率遠小于采樣頻率，可認為在連續(xù)兩個采樣點上R（k）和L（k）保持不變。因此，得到負荷參數(shù)

在一個周期內(nèi)連續(xù)測量，得到一系列R和L的值。若R和L為常數(shù)或微小變化，則為普通負荷。若出現(xiàn)規(guī)則波動變化，則為閃變源。

通過阻抗波動程度判斷閃變源簡單易行。波動程度越高的負荷，對電網(wǎng)波形污染更嚴重。通過波動程度比較，在一定程度上可以有效地找到系統(tǒng)中主要的閃變源。

文獻［28］提出基于阻抗波動模型的閃變污染用戶危害評估，設(shè)波動阻抗、負荷電流為:

其中，r（t）=rcos（wht+jz）；m（t）=mcos（ωht +Δφi）；Ic0是電流恒定部分。由于rm＜＜1，R（t）i≈R0i1，L（t）i≈L0i1，且i1≈i+Δi，Δi=Ic0（1+ r（t））cos（ω0t+φi）。

對式（15）列出動態(tài)相量方程

式中:ΔU為Δi以wh為基頻的一階動態(tài)相量。聯(lián)立式（21）和式（14）

4 結(jié)論

閃變干擾源定位具有很好的工程運用前景和實際意義，上述各類方法可以區(qū)分出電網(wǎng)中的閃變源與普通負荷，功率類指標和注入水平指標還可以給出定量比較結(jié)果，但是在多個干擾相互交錯影響的情況下，功率類指標可能遺漏潛在干擾。實現(xiàn)閃變干擾負荷的注入水平評估，通過比較注入水平大小可以實現(xiàn)定位，這方面研究工作的進展有助于提高在日后日益龐大復(fù)雜的有源配電網(wǎng)中的電能質(zhì)量水平。

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Survey on Methods for Flicker Source Localization in Distribution Grid

Wu Jinying，Su Wenbo，Shao Zhenguo
（College of Electrical Engineering and Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China）

Flicker source localization is of great significance for solving power quality problems in a large and complex distribution grid.This article summarizes the methods of identifying the flicker source including the power-direction method，the correlation coefficient method and the injection level assessment method，illustrates the basic principles of these methods，points out their applicability and shortage.

power quality；flicker source localization；interharmonics；interharmonic power；flicker power

TM714

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.05.004

2015-01-26。

福建省科技計劃重點項目（2013H0024）。

吳瑾櫻（1991-），女，碩士研究生，研究方向為電能質(zhì)量，E-mail:1739090445@qq.com。