对电网的谐波源进行监测的方法

摘要

本发明公开了一种对电网的谐波源进行监测的方法，包括获取电网系统所有典型谐波的谐波数据；在地理图上对各典型谐波源接入电力系统的位置进行显示，并监测各谐波源的电压和电流；对各谐波源的电压和电流进行谐波源分析；根据国家标准，将谐波源按照谐波状态进行分级、着色和实时显示；将超标的谐波源特别标注，将常用的滤波方法和具体的滤波参数进行标注。本发明采集电网典型谐波源参数并进行分析和计算，根据标准对谐波源进行分级显示和预警，针对超标的谐波源给出相应的警告，同时给出相应的滤波方法和滤波器的参数。本发明方法清晰、全面的对电网谐波源状态进行监测、分析、显示和报警，并对谐波源进行一定的滤波指导，方法简单、高效和可靠。

权利要求

1.一种对电网的谐波源进行监测的方法，包括如下步骤：S1.获取电网监控系统中的所有典型谐波源的谐波数据；

S2.基于地理信息系统在地理图上对各典型谐波源接入电力系统的位置进行显示，并实时监测各谐波源的电压和电流；

S3.对步骤S2获取的各谐波源的电压和电流进行谐波源分析；

S4.针对步骤S3的谐波源分析结果，根据国家谐波标准和谐波源的电压等级，将谐波源的谐波电压和谐波电流分别进行分级和着色，并在地理图上按照如下规则进行实时显示：对谐波源的谐波电压进行分级和着色的规则为：(1)若谐波源的电压总谐波畸变率小于标准规定最大值的50％，则该谐波源的谐波电压等级为优；

(2)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的50％和75％之间，则该谐波源的谐波电压等级为良；

(3)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的75％和100％之间，则该谐波源的谐波电压等级为合格；

(4)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的100％和150％之间，则该谐波源的谐波电压等级为超标；

(5)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的150％和200％之间，则该谐波源的谐波电压等级为严重；

(6)若谐波源的电压总谐波畸变率大于标准规定最大值的200％，则该谐波源的谐波电压等级为极其严重；

对谐波源的谐波电流进行分级和着色的规则为：ⅰ.将测量的各次谐波电流值均折算在基准短路容量下；

ⅱ.若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的50％，则该谐波源的谐波电流等级为优；

ⅲ.若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的75％，但存在某次谐波电流大于允许值的50％，则该谐波源的谐波电流等级为良；

ⅳ.若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的100％，但存在某次谐波电流大于允许值的75％，则该谐波源的谐波电流等级为合格；

ⅴ.若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的150％，但存在某次谐波电流大于允许值的100％，则该谐波源的谐波电流等级为超标；

ⅵ.若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的200％，但存在某次谐波电流大于允许值的150％，则该谐波源的谐波电流等级为严重；

ⅶ.若谐波源存在某次谐波电流大于标准允许值的200％，则该谐波源的谐波电流等级为极其严重；

S5.针对步骤S3的谐波源分析结果，将超标的谐波源在地理图上特别标注，并将常用的滤波方法和具体的滤波参数在谐波源附近的地理图上进行标注；所述的滤波参数为采用如下步骤进行计算：

1)计算n次单调谐滤波器的计算参数，包括：①确定母线电压和n次谐波电流值测量值；

②按照下式计算最小电容值C(n)min

式中ω1为基波角频率；U1为母线电压，In为n次谐波电流值测量值，n为谐波次数；

③按照下式计算电感器参数L：

式中ε为偏谐振率，一般取值为0.015；

④按照下式计算电阻器参数R；

式中Qf为品质因数，一般取值为15～80；

2)计算高通滤波器的主要参数，包括：

①高通滤波器的截止频率选择为n+2次；

②按照下式计算高通滤波器的电容值C(min)；

式中Ii为i次谐波电流值，C*(min)为电容标幺值；

③按照下式计算高通滤波器的电阻值R；

④按照下式计算高通滤波器的电感值L1；

L1＝mR2C(min)

式中m为与品质因数相关的参数，相应取值在0.5～2之间。

2.根据权利要求1所述的对电网的谐波源进行监测的方法，其特征在于步骤S2所述的典型谐波源，包括风电场、光伏并网发电、电力机车、轧机负荷和电弧炉。

3.根据权利要求1或2所述的对电网的谐波源进行监测的方法，其特征在于步骤S5所述的常用的滤波方法，滤波方法为采用n次单调谐滤波器和高通滤波器组合的方法。

说明书

对电网的谐波源进行监测的方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统自动化领域，具体涉及一种对电网的谐波源进行监测的方法。

背景技术

[0002] 随着国家经济技术的发展和人民生活水平的日益提高，电力系统的电能消耗也逐步增大。目前我国发电系统依然以燃烧煤炭作为能量来源的火力发电为主。

[0003] 随着化石能源的不断消耗，以及人民日益增强的环境保护意识，以风能、太阳能为代表的新型清洁能源在整个能源消费中扮演着越来越重要的角色。由于风能、太阳能、时变性，上述清洁能源发电过程中不可避免的产生大量谐波，随着清洁能源装机容量的不断增大，其对电力系统造成的谐波问题不可忽视。电力系统中同时存在大量非线性负荷，例如牵引机车、电弧炉、轧钢机等，这些非线性负荷同样向电力系统中注入大量谐波。另一方面，谐波同样会引起诸如电压波动和闪变等电能质量问题。

[0004] 目前，电网虽然存在众多谐波源，但是运行人员仅能针对单一电网谐波源进行实时监测；同时，如果电网谐波超限告警，运行人员无法快速判断电网谐波的主要来源，因此无法迅速针对谐波源进行紧急处理；对引发电网谐波超标的谐波源，如果不快速进行定位和处理，则超标的电网谐波可能引发电网的进一步故障，从而影响电网供电的可靠性。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种能够清晰、全面监测并显示电网谐波源的谐波状态，并且能够对谐波源进行准确定位和滤波指导的对电网的谐波源进行监测的方法。

[0006] 本发明提供的这种对电网的谐波源进行监测的方法，包括如下步骤：

[0007] S1.获取电网监控系统中的所有典型谐波源的谐波数据；

[0008] S2.基于地理信息系统在地理图上对各典型谐波源接入电力系统的位置进行显示，并实时监测各谐波源的电压和电流；

[0009] S3.对步骤S2获取的各谐波源的电压和电流进行谐波源分析；

[0010] S4.针对步骤S3的谐波源分析结果，根据国家谐波标准和谐波源的电压等级，将谐波源按照谐波状态进行分级和着色，并在地理图上进行实时显示；

[0011] S5.针对步骤S3的谐波源分析结果，将超标的谐波源在地理图上特别标注，并将常用的滤波方法和具体的滤波参数在谐波源附近的地理图上进行标注。

[0012] 步骤S2所述的典型谐波源，包括风电场、光伏并网发电、电力机车、轧机负荷和电弧炉。

[0013] 步骤S4所述的谐波源按照谐波状态进行分级和着色，包括对谐波源的谐波电压和谐波电流分别进行分级和着色。

[0014] 所述的对谐波源的谐波电压进行分级和着色，包括如下步骤：

[0015] 1)若谐波源的电压总谐波畸变率小于标准规定最大值的50％，则该谐波源的谐波电压等级为优；

[0016] 2)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的50％和75％之间，则该谐波源的谐波电压等级为良；

[0017] 3)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的75％和100％之间，则该谐波源的谐波电压等级为合格；

[0018] 4)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的100％和150％之间，则该谐波源的谐波电压等级为超标。

[0019] 5)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的150％和200％之间，则该谐波源的谐波电压等级为严重。

[0020] 6)若谐波源的电压总谐波畸变率大于标准规定最大值的200％，则该谐波源的谐波电压等级为极其严重。

[0021] 所述的对谐波源的谐波电流进行分级和着色，包括如下步骤：

[0022] 1)将测量的各次谐波电流值均折算在基准短路容量下；

[0023] 2)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的50％，则该谐波源的谐波电流等级为优；

[0024] 3)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的75％，但存在某次谐波电流大于允许值的50％，则该谐波源的谐波电流等级为良；

[0025] 4)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的100％，但存在某次谐波电流大于允许值的75％，则该谐波源的谐波电流等级为合格；

[0026] 5)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的150％，但存在某次谐波电流大于允许值的100％，则该谐波源的谐波电流等级为超标；

[0027] 6)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的200％，但存在某次谐波电流大于允许值的150％，则该谐波源的谐波电流等级为严重；

[0028] 7)若谐波源存在某次谐波电流大于标准允许值的200％，则该谐波源的谐波电流等级为极其严重。

[0029] 步骤S5所述的常用的滤波方法，滤波方法为采用n次单调谐滤波器和高通滤波器组合的方法。

[0030] 步骤S5所述的滤波方法的滤波参数，具体包括如下步骤：

[0031] 1)计算n次单调谐滤波器的计算参数，包括：

[0032] ①确定母线电压和n次谐波电流值测量值；

[0033] ②按照下式计算最小电容值C(n)min

[0034]

[0035] 式中ω1为基波角频率；U1为母线电压，In为n次谐波电流值测量值，n为谐波次数；

[0036] ③按照下式计算电感器参数L：

[0037]

[0038] 式中ε为偏谐振率，一般取值为0.015；

[0039] ④按照下式计算电阻器参数R；

[0040]

[0041] 式中Qf为品质因数，一般取值为15～80；

[0042] 2)计算高通滤波器的主要参数，包括：

[0043] ①高通滤波器的截止频率选择为n+2次；

[0044] ②按照下式计算高通滤波器的电容值C(min)；

[0045]

[0046] C(min)＝C*(min)C(n)min

[0047] 式中Ii为i次谐波电流值，C*(min)为电容标幺值；

[0048] ③按照下式计算高通滤波器的电阻值R；

[0049]

[0050] ④按照下式计算高通滤波器的电感值L1；

[0051] L1＝mR2C(min)

[0052] 式中m为与品质因数相关的参数，相应取值在0.5～2之间。

[0053] 本发明方法采集电网中的典型谐波源的电压电流数值，对谐波源的电压、电流数值进行分析和计算，并根据国网标准对谐波源的谐波电压和谐波电流进行分级显示、预警和定位，并针对超标的谐波源给出相应的警告，同时给出相应的滤波方法和滤波器的参数设计。本发明方法能够清晰、全面的对电网谐波源状态进行监测、分析、显示、定位和报警，并且能够对谐波源进行一定的滤波指导，方法简单、高效和可靠。

附图说明

[0054] 图1为本发明的方法流程图。

[0055] 图2为本发明的单调谐滤波器电路原理图。

[0056] 图3为本发明的高通滤波器电路原理图。

[0057] 图4为本发明的具体实施例的谐波电压情况示意图。

[0058] 图5为本发明的具体实施例的谐波电流情况示意图。

具体实施方式

[0059] 如图1所示，为本发明的方法流程图：本发明提供的这种对电网的谐波源进行监测的方法，包括如下步骤：

[0060] S1.获取电网监控系统中的所有典型谐波源的谐波数据；

[0061] S2.基于地理信息系统在地理图上对各典型谐波源接入电力系统的位置进行显示，并实时监测各谐波源的电压和电流；

[0062] 所述的典型谐波源，包括风电场、光伏并网发电、电力机车、轧机负荷和电弧炉[0063] S3.对步骤S2获取的各谐波源的电压和电流进行谐波源分析；

[0064] S4.针对步骤S3的谐波源分析结果，根据国家谐波标准和谐波源的电压等级，将谐波源按照谐波状态进行分级和着色，并在地理图上进行实时显示；

[0065] 所述的谐波源按照谐波状态进行分级和着色，包括对谐波源的谐波电压和谐波电流分别进行分级和着色。

[0066] 对谐波源的谐波电压进行分级和着色，包括：

[0067] 1)若谐波源的电压总谐波畸变率小于标准规定最大值的50％，则该谐波源的谐波电压等级为优；

[0068] 2)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的50％和75％之间，则该谐波源的谐波电压等级为良；

[0069] 3)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的75％和100％之间，则该谐波源的谐波电压等级为合格；

[0070] 4)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的100％和150％之间，则该谐波源的谐波电压等级为超标。

[0071] 5)若谐波源的电压总谐波畸变率在标准规定最大值的150％和200％之间，则该谐波源的谐波电压等级为严重。

[0072] 6)若谐波源的电压总谐波畸变率大于标准规定最大值的200％，则该谐波源的谐波电压等级为极其严重。

[0073] 对谐波源的谐波电流进行分级和着色，包括：

[0074] 1)将测量的各次谐波电流值均折算在基准短路容量下；

[0075] 2)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的50％，则该谐波源的谐波电流等级为优；

[0076] 3)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的75％，但存在某次谐波电流大于允许值的50％，则该谐波源的谐波电流等级为良；

[0077] 4)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的100％，但存在某次谐波电流大于允许值的75％，则该谐波源的谐波电流等级为合格；

[0078] 5)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的150％，但存在某次谐波电流大于允许值的100％，则该谐波源的谐波电流等级为超标；

[0079] 6)若谐波源的各次谐波电流值均小于标准允许值的200％，但存在某次谐波电流大于允许值的150％，则该谐波源的谐波电流等级为严重；

[0080] 7)若谐波源存在某次谐波电流大于标准允许值的200％，则该谐波源的谐波电流等级为极其严重。

[0081] S5.针对步骤S3的谐波源分析结果，将超标的谐波源在地理图上特别标注，并将常用的滤波方法，如采用n次单调谐滤波器和高通滤波器组合的方法，和具体的滤波参数在谐波源附近的地理图上进行标注。

[0082] 单调谐滤波器的电路原理图如图2所示，高通滤波器的电路原理图如图3所示.[0083] 当采用n次单调谐滤波器和高通滤波器组合的滤波方法时，滤波器的参数的计算过程如下：

[0084] 1)计算n次单调谐滤波器的计算参数，包括：

[0085] ①确定母线电压和n次谐波电流值测量值；

[0086] ②按照下式计算最小电容值C(n)min

[0087]

[0088] 式中ω1为基波角频率；U1为母线电压，In为n次谐波电流值测量值，n为谐波次数；

[0089] ③按照下式计算电感器参数L：

[0090]

[0091] 式中ε为偏谐振率，一般取值为0.015；

[0092] ④按照下式计算电阻器参数R；

[0093]

[0094] 式中Qf为品质因数，一般取值为15～80；

[0095] 2)计算高通滤波器的主要参数，包括：

[0096] ①高通滤波器的截止频率选择为n+2次；

[0097] ②按照下式计算高通滤波器的电容值C(min)；

[0098]

[0099] C(min)＝C*(min)C(n)min

[0100] 式中Ii为i次谐波电流值，C*(min)为电容标幺值；

[0101] ③按照下式计算高通滤波器的电阻值R；

[0102]

[0103] ④按照下式计算高通滤波器的电感值L1；

[0104] L1＝mR2C(min)

[0105] 式中m为与品质因数相关的参数，相应取值在0.5～2之间。

[0106] 以下结合一个具体实施例对本发明的方法进行进一步说明：

[0107] 假设某区域主要包括风电场、牵引变电站、电弧炉、轧钢机、光伏电站等5种典型谐波源，上述谐波源电压等级均为110kV，谐波源并网测量点测试的某时刻谐波电压和电流情况如表1、表2所示。

[0108] 表1某地区谐波源谐波电压情况

[0109]谐波源类型 电压总谐波畸变率
风电场1 1.2％
风电场2 2.5％
牵引变电站 5％
电弧炉1 1.8％
电弧炉2 3.5％
轧钢机 4.3％
光伏电站 1.7％

[0110] 表2某地区谐波源谐波电流情况(均转换为基准容量)

[0111]

[0112] 基于GIS技术，对该地区进行平面地图展示，将各典型谐波源电力系统接入点位置标注在地图上。不同的谐波源采用不同的外观图形显示在地图上，具体对应方式如表3所示。

[0113] 表3不同谐波源外观图示

[0114]

[0115] 针对不同的电压等级，将各谐波源谐波电压和电流等级分别在地图上实时动态显示。采用国家标准限值对谐波电压和电流等级进行划分。划分规则如下：

[0116] 优质：<50％限值

[0117] 良好：50％～75％限值

[0118] 接近限值：75％～100％限值

[0119] 以110kV电压等级为例，对于电压谐波，其电压总谐波畸变率限值为2.0％。将其划分为3个等级，划分结果如表4所示。

[0120] 表4谐波电压等级划分

[0121]电压总谐波畸变率 <1％ 1％～1.5％ 1.5％～2％
谐波电压等级 优质 良好 接近限值

[0122] 对于电流谐波，各次谐波电流允许值不同，以2次谐波电流为例，基准容量为750MVA时，允许值为12A。将其划分为3个等级，划分结果如表5所示。

[0123] 表5谐波电流等级划分

[0124]2次谐波电流值 <6A 6A～9A 9A～12A
谐波电流等级 优质 良好 接近限值

[0125] 对于其他次谐波电流，采用类似划分方法。综合各次谐波电流等级，取最差等级反应总体情况。

[0126] 经过谐波电压和电流等级划分，对于未超标的谐波源，以不同白灰的渐进式填充来代替不同谐波等级，以风电场谐波源为例，显示图样如表6所示。

[0127] 表6风电场谐波等级显示图样

[0128]

[0129] 对于超过国家规定允许值的谐波源，地图上以白灰黑的渐进式填充进行阈值告警。根据超出情况，分别划分为超标、严重、极其严重，划分规则如下：

[0130] 超标：100％～150％限值

[0131] 严重：150％～200％限值

[0132] 极其严重：>200％限值

[0133] 以110KV电压等级为例，对于电压谐波，其电压总谐波畸变率限值为2.0％。将超过限值的部分划分为3个等级，划分结果如表7所示。

[0134] 表7谐波电压等级划分

[0135]电压总谐波畸变率 2％～3％ 3％～4％ >4％
谐波电压等级 超标 严重 极其严重

[0136] 对于电流谐波，各次谐波电流允许值不同，以2次谐波电流为例，基准容量为750MVA时，允许值为12A。将超过限值的部分划分为3个等级，划分结果如表8所示。

[0137] 表8谐波电流等级划分

[0138]2次谐波电流值 12A～18A 18A～24A >24A
谐波电流等级 超标 严重 极其严重

[0139] 对于其他次谐波电流，采用类似的划分方法。综合各次谐波电流等级，取最差等级反应总体情况。

[0140] 经过谐波电压和电流等级划分，对于超标的谐波源，以不同白灰黑的渐进式填充来代替不同谐波等级，以风电场谐波源为例，显示图样如表9所示。

[0141] 表9风电场谐波等级显示图样

[0142]

[0143]

[0144] 针对上述区域，各谐波源谐波等级划分结果如表10所示。

[0145] 表10某地区谐波源谐波情况

[0146]谐波源类型 电压总谐波畸变率 电流谐波总畸变率
风电场1 良好 接近限值
风电场2 超标 严重
牵引变电站 极其严重 严重
电弧炉1 接近限值 接近限值
电弧炉2 严重 极其严重
轧钢机 极其严重 极其严重
光伏电站 接近限值 接近限值

[0147] 根据划分结果，风电场2、牵引变电站、电弧炉2电压谐波电流谐波均超限，需要采用黑色或部分黑色填充方式进行阈值告警。针对上述划分结果，电压电流谐波情况示意图分别如图4、图5所示。

[0148] 根据显示结果，风电场2、牵引变电站、电弧炉2电压谐波电流谐波均超限，需将常用的滤波器匹配方案集成在显示图样中。风电场2推荐5、7次单调谐滤波器和高通滤波器组合，牵引变电站推荐3、5、7次单调谐滤波器和高通滤波器组合，电弧炉2推荐3、5、7次单调谐滤波器组合，轧钢机推荐3、5、7、11、13次单调谐滤波器组合。