配電網(wǎng)的諧波及其測(cè)量

關(guān)鍵字：諧波；　諧波測(cè)量；　諧波數(shù)據(jù)處理

1 概述

配電網(wǎng)中的高次諧波的治理已經(jīng)成為我國(guó)電力環(huán)保工作的十分重要的內(nèi)容之一。高次諧波有著顯著的特點(diǎn)：①隨機(jī)性的變化，即為小周期、短間隔的不規(guī)則性變化，反映出諧波為隨機(jī)變量的特征；②規(guī)則性的變化，其大小隨諧波源負(fù)荷的大小、系統(tǒng)運(yùn)行方式等作大周期的變化。

諧波測(cè)量對(duì)抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用：檢定實(shí)際網(wǎng)絡(luò)諧波源用戶的諧波水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；了解和掌握各種電力設(shè)備投運(yùn)前、后相關(guān)系統(tǒng)的諧波水平及其變化、檢驗(yàn)諧波對(duì)有關(guān)設(shè)備的影響；諧波故障和異常的原因測(cè)量，以找到應(yīng)采取的相應(yīng)對(duì)策；諧波專題測(cè)試還可以便于了解諧波源特性、系統(tǒng)諧波阻抗、諧波潮流分布和諧波放大現(xiàn)象等。

2 諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的具體規(guī)定

2．1 測(cè)量條件

國(guó)標(biāo)GB／T14549－1993《電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波》明確諧波測(cè)量應(yīng)在最嚴(yán)重的條件下進(jìn)行，即選擇在電網(wǎng)正常供電時(shí)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最小運(yùn)行方式，且在諧波源工作周期中產(chǎn)生的諧波量大的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行，例如電弧爐應(yīng)在熔化期、可控硅軋機(jī)應(yīng)在軋鋼大負(fù)荷期、電氣化鐵道應(yīng)在電力機(jī)車集中的高峰期測(cè)量。

當(dāng)測(cè)量點(diǎn)附近安裝有電容器組或存在其它諧波濾波器組時(shí)，有可能會(huì)產(chǎn)生某次諧波放大或諧振，應(yīng)在電容器組，或?yàn)V波器組的各種運(yùn)行組合的方式下進(jìn)行測(cè)量。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，并不一定達(dá)到最嚴(yán)重的條件，例如測(cè)點(diǎn)附近有多個(gè)諧波源，系統(tǒng)在某些方式下會(huì)形成諧振等，可在多種方式和測(cè)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2．2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)和測(cè)試量

原則上選取諧波源用戶接入公用電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)作為諧波的監(jiān)測(cè)點(diǎn)、測(cè)量該點(diǎn)的諧波電壓和諧波源用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流，要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)的諧波水平必須符合諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。諧波電壓和諧波電流的諧波次數(shù)一般測(cè)量第2～19次，但根據(jù)諧波源的特點(diǎn)和測(cè)試分析結(jié)果，可以適當(dāng)變動(dòng)諧波次數(shù)測(cè)量的范圍，前者用含有率（％）表示，后者用有效值（A）表示；標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，諧波電壓必須測(cè)取總諧波畸變率THDu（％）。

2．3 測(cè)量間隔和持續(xù)時(shí)間

對(duì)于負(fù)荷變化快的諧波源（例如：煉鋼電弧爐、晶閘管變流設(shè)備供電的軋機(jī)、電力機(jī)車等），測(cè)量的間隔時(shí)間不大于2min，測(cè)量次數(shù)應(yīng)滿足數(shù)理統(tǒng)計(jì)的要求，一般不小于30次，以使測(cè)量值平均數(shù)的分布接近于正態(tài)分布所需的最低樣本數(shù)。
       
對(duì)于負(fù)荷變化慢的諧波源（例如：化工整流器、直流輸電換流站等），測(cè)量間隔和持續(xù)時(shí)間不作規(guī)定。

為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，對(duì)于負(fù)荷變化快的諧波，每次測(cè)量結(jié)果可為3s內(nèi)所測(cè)得的平均值。推薦采用下式計(jì)算：

式（1）中，Unk為3s內(nèi)第k次測(cè)得的n次諧波的方均根值；m為3s內(nèi)取得均勻間隔的測(cè)量次數(shù)，m≥6。

式（1）的值即可作為持續(xù)測(cè)量過(guò)程中的一次諧波測(cè)量值。

2．4 測(cè)量數(shù)據(jù)的處理及諧波水平值的確定

由于諧波源的多樣性和多變性，數(shù)據(jù)處理必須根據(jù)對(duì)象有所區(qū)別，在測(cè)量時(shí)段內(nèi)所測(cè)得的各測(cè)量值均為隨機(jī)變量，應(yīng)按統(tǒng)計(jì)的方法確定其諧波水平。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：取測(cè)量時(shí)段內(nèi)各相持續(xù)測(cè)量過(guò)程中實(shí)測(cè)值的95％概率值，并取三相中最大一相的值，作為該測(cè)試時(shí)段的諧波水平值，并以此作為判斷諧波是否超標(biāo)的依據(jù)。為了實(shí)用方便，實(shí)測(cè)值的95％概率值可近似按實(shí)測(cè)值由大到小的順序排列，舍棄前面5％個(gè)大值，取剩余實(shí)測(cè)值中的最大值。

但對(duì)負(fù)荷變化慢的諧波源，可選五個(gè)接近的實(shí)測(cè)值，取其算術(shù)平均值作為諧波水平值。

3 IEC對(duì)諧波測(cè)量方法的規(guī)定

國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，把諧波按其波動(dòng)快慢和性質(zhì)分為四類：

（1）準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)（慢變化）諧波；

（2）波動(dòng)諧波；

（3）快速變化諧波；

（4）間諧波（interharmonics）及其它虛擬部分。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的諧波主要指前三類。該文件中對(duì)不同波動(dòng)性質(zhì)的諧波測(cè)量間隔，即測(cè)量時(shí)段及由測(cè)量值確定諧波值的方法提出如下建議： 

      （1）很短間隔：Tvs＝3s；

       （2）短間隔：Tsh＝10min；

       （3）長(zhǎng)間隔：TL＝1h；

       （4）日間隔：Td＝24h；

       （5）周間隔：Tw＝7d

第（1）種很短間隔測(cè)量的諧波取值、對(duì)于產(chǎn)生瞬時(shí)影響的波動(dòng)和快速變化的諧波，取　　Tvs＝3s中各點(diǎn)測(cè)量值中的最大值，對(duì)于產(chǎn)生長(zhǎng)期影響的諧波，取3s中各點(diǎn)測(cè)量值的均方根值作為各次諧波的評(píng)估值。對(duì)于后四種間隔的測(cè)量，一般采用對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按累積概率P作統(tǒng)計(jì)計(jì)算，P為諧波取值不超過(guò)某一給定值的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)不同的波動(dòng)和影響情況，可用測(cè)量間隔內(nèi)每個(gè)Tvs＝3s內(nèi)的測(cè)量值確定的最大值或均方根值，再取不超過(guò)概率P的最大值，第（2）、（3）種測(cè)量的P值選取為P＝1％、（10％）、50％、（90％）、95％、99％，第（4）、（5）種測(cè)量的P值至少選取為95％和99％，測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)至少為100個(gè)。

4 諧波測(cè)量與監(jiān)測(cè)儀器

數(shù)字式諧波分析儀是已廣泛應(yīng)用于實(shí)際的在線諧波測(cè)量、分析諧波分布的重要工具，它是利用離散傅立葉級(jí)數(shù)（DFT），或由離散傅立葉變換過(guò)渡到傅立葉變換（FFT）的基本原理構(gòu)成。模擬信號(hào)經(jīng)采樣、離散化為數(shù)字序列信號(hào)后，經(jīng)微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行諧波分析和計(jì)算，得到基波和各次諧波的幅值和相位，并可獲得更多的信息，如諧波功率、諧波阻抗、以及對(duì)諧波進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)處理和分析，各種分析計(jì)算結(jié)果可在屏幕上顯示或按需要打印輸出。儀器精度較高，功能較多，使用方便。

由于微機(jī)芯片的性能不斷提高，利用FFT原理、多通道輸入的諧波分析儀漸已取代其它的分析儀，國(guó)產(chǎn)比較典型的是GXF－908A多功能電力諧波分析儀，該儀器采用了較先進(jìn)的MCS－8098單片計(jì)算機(jī)，使運(yùn)算速度較快，實(shí)時(shí)性較強(qiáng)；能實(shí)現(xiàn)三相電壓和三相電流共六路信號(hào)同步采樣；可以顯示或輸出三相2～39次諧波含有率、電壓畸變率、相位關(guān)系，及諧波功率和阻抗等；可繪出被測(cè)信號(hào)波形，諧波直方圖和變化曲線，并可以從多次測(cè)量值中篩選出前五個(gè)大值；每次測(cè)量結(jié)果可以為一個(gè)周期或3s平均值等，以適應(yīng)國(guó)標(biāo)的要求。

對(duì)諧波進(jìn)行長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)，可以用功能較簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、體積較小而又能作為常規(guī)儀表接入電網(wǎng)的諧波檢測(cè)儀，如諧波功率計(jì)，諧波電壓、電流，諧波監(jiān)測(cè)儀和報(bào)警器等。

5 測(cè)量?jī)x器的功能和精度

測(cè)量?jī)x器的功能至少應(yīng)滿足諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，基本測(cè)試量為諧波電壓和諧波電流。儀器的測(cè)量通道應(yīng)能同時(shí)測(cè)取三相量，并具有國(guó)標(biāo)要求的統(tǒng)計(jì)功能。

諧波測(cè)量?jī)x器應(yīng)具有一定的精度及滿足系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)使用的工作條件。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用了國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）關(guān)于諧波測(cè)量和儀器的通用導(dǎo)則。該導(dǎo)則規(guī)定了用于諧波測(cè)量?jī)x器的主要性能、準(zhǔn)確度要求和對(duì)不同波動(dòng)性質(zhì)的諧波的測(cè)量方法，并總結(jié)了TV和TA諧波測(cè)量的誤差等，表1列出了儀器的最大允許誤差。

在表1中所給的條件下，同一儀器的絕對(duì)允許誤差較相對(duì)允許誤差為大，即對(duì)較小諧波量的測(cè)量，允許精度較低。而B級(jí)儀器比A級(jí)儀器對(duì)應(yīng)的允許誤差較大，精度較低。

A級(jí)儀器用于較精確的測(cè)量，其頻率測(cè)量范圍為0～2500Hz，儀器的相角測(cè)量誤差不大于±5°（各次）或±1°·h，B級(jí)儀器供一般性的測(cè)量或監(jiān)測(cè)使用，主要用于測(cè)量諧波大小，相角精度不作規(guī)定。儀器應(yīng)保證在額定電壓±15％波動(dòng)范圍內(nèi)，電壓總畸變率不超過(guò)8％條件下正常工作。

6 結(jié)語(yǔ)

電網(wǎng)諧波管理的依據(jù)是國(guó)家頒發(fā)的《電力法》、《電力供應(yīng)與使用條例》、《電能質(zhì)量·公用電網(wǎng)諧波》及電力部門制定的相關(guān)法規(guī)、條例。對(duì)電網(wǎng)的諧波測(cè)量和檢測(cè)有利于諧波的管理，從測(cè)量的實(shí)際值幫助我們分析和尋找電網(wǎng)諧波電壓超標(biāo)的原因，對(duì)有關(guān)諧波源和電容器采取針對(duì)性的措施。當(dāng)存有諧波源的電網(wǎng)新增電容補(bǔ)償設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)核算諧波諧振或放大的可能性，投運(yùn)前后在系統(tǒng)和電容器組的各種運(yùn)行方式下進(jìn)行諧波監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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