电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计方法和系统

摘要

本发明提供了一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计方法和系统，其中方法包括：建立电力系统公共连接点处的系统侧电路的戴维南等效电路模型；在电力系统公共连接点处，采集多个谐波电压数据和多个谐波电流数据；计算电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值；对戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到关于谐波电压波动值、谐波电流波动值和系统侧谐波阻抗的电学关系方程；根据2范数构建电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量函数，基于系统侧谐波电压源波动量函数的最小值确定电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。本发明提供的方法和系统能够准确而快速得到公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其是涉及一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计方法和系统。

背景技术

近年来，人们对电能的质量提出越来越高的要求。然而电网中大量电力电子装置和非线性负荷的接入，导致谐波问题愈发严重，不仅对电力系统的稳定运行造成干扰，还给各方带来巨大的经济损失。为监测、治理谐波问题，国内外均出台相关政策，依据谐波发射水平进行相应奖惩，合理量化谐波污染责任至关重要，而评估谐波发射水平的关键在于系统侧谐波阻抗的准确计算。然而，现有对系统侧谐波阻抗进行计算的方法包括“干预式”和“非干预式”，都存在计算结果不准确和计算复杂的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计方法和系统，本发明能够准确而快速地得到电力系统系统侧谐波阻抗估计值。

第一方面，本发明实施例提供了一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计方法，包括：建立电力系统公共连接点处的系统侧电路的戴维南等效电路模型；所述戴维南等效电路模型用于表征所述系统侧电路的谐波电压源和系统侧谐波阻抗之间的连接关系；在所述电力系统公共连接点处，采集多个谐波电压数据和多个谐波电流数据，得到谐波电压观测数据组和谐波电流观测数据组；基于所述谐波电压观测数据组和所述谐波电流观测数据组，计算所述电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值；基于所述戴维南等效电路模型得到所述系统侧电路的戴维南等效电路方程，并对所述戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到关于所述谐波电压波动值、谐波电流波动值和系统侧谐波阻抗的电学关系方程；根据2范数构建所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量函数，得到第一系统侧谐波电压源波动量函数；所述第一系统侧谐波电压源波动量函数用于描述所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量的大小；将所述电学关系方程代入到所述第一系统侧谐波电压源波动量函数，得到第二系统侧谐波电压源波动量函数；所述第二系统侧谐波电压源波动量函数用于描述所述系统侧电路的谐波电压源波动量的大小随系统侧谐波阻抗的变化关系；基于所述第二系统侧谐波电压源波动量函数的最小值确定所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。

进一步地，基于所述第二系统侧谐波电压源波动量函数的最小值确定所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值包括：计算所述第二系统侧谐波电压源波动量函数的最小值；确定所述第二系统侧谐波电压源波动量函数的数值为所述最小值时，所述系统侧谐波阻抗的取值，并将所述系统侧谐波阻抗的取值作为所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。

进一步地，基于所述谐波电压观测数据组和所述谐波电流观测数据组，计算所述电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值包括：通过以下公式计算所述电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值：其中，为第n个谐波电压波动值，为所述谐波电压观测数据组中第n+1个采样数据的谐波电压值，为所述谐波电压观测数据组中第n个采样数据的谐波电压值；n为大于零的正整数；其中，为第n个谐波电流波动值，为所述谐波电流观测数据组中第n+1个采样数据的谐波电流值，为所述谐波电流观测数据组中第n个采样数据的谐波电流值。

进一步地，基于所述戴维南等效电路模型得到所述系统侧电路的戴维南等效电路方程，并对所述戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到关于所述谐波电压波动值、谐波电流波动值和系统侧谐波阻抗的电学关系方程包括：基于所述戴维南等效电路模型得到所述系统侧电路的戴维南等效电路方程为对所述戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到电学关系方程为其中，Z_u为系统侧谐波阻抗，为系统侧谐波电压源波动量，为系统侧谐波电压源电压值。

进一步地，根据2范数构建所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量函数，得到第一系统侧谐波电压源波动量函数包括：根据2范数构建数学表达式为的第一系统侧谐波电压源波动量函数，其中，N为所述多个谐波电压数据或所述多个谐波电流数据的采集个数。

第二方面，本发明实施例还提供了一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计系统，包括：等效电路模块，数据采集模块，数据处理模块，第一计算模块，第二计算模块和第三计算模块，其中，所述等效电路模块，用于建立电力系统公共连接点处的系统侧电路的戴维南等效电路模型；所述戴维南等效电路模型用于表征所述系统侧电路的谐波电压源和系统侧谐波阻抗之间的连接关系；所述数据采集模块，用于在所述电力系统公共连接点处，采集多个谐波电压数据和多个谐波电流数据，得到谐波电压观测数据组和谐波电流观测数据组；所述数据处理模块，用于基于所述谐波电压观测数据组和所述谐波电流观测数据组，计算所述电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值；所述第一计算模块，用于基于所述戴维南等效电路模型得到所述系统侧电路的戴维南等效电路方程，并对所述戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到关于所述谐波电压波动值、谐波电流波动值和系统侧谐波阻抗的电学关系方程；所述第二计算模块，用于根据2范数构建所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量函数，得到第一系统侧谐波电压源波动量函数；所述第一系统侧谐波电压源波动量函数用于描述所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量的大小；以及将所述电学关系方程代入到所述第一系统侧谐波电压源波动量函数，得到第二系统侧谐波电压源波动量函数；所述第二系统侧谐波电压源波动量函数用于描述所述系统侧电路的谐波电压源波动量的大小随系统侧谐波阻抗的变化关系；所述第三计算模块，用于基于所述第二系统侧谐波电压源波动量函数的最小值确定所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。

进一步地，所述第三计算模块还用于：计算所述第二系统侧谐波电压源波动量函数的最小值；确定所述第二系统侧谐波电压源波动量函数的数值为所述最小值时，所述系统侧谐波阻抗的取值，并将所述系统侧谐波阻抗的取值作为所述电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。

进一步地，所述数据处理模块包括：谐波电压处理单元和谐波电流处理单元，其中，所述谐波电压处理单元，用于通过公式计算所述电力系统公共连接点处的谐波电压波动值；其中，为第n个谐波电压波动值，为所述谐波电压观测数据组中第n+1个采样数据的谐波电压值，为所述谐波电压观测数据组中第n个采样数据的谐波电压值；n为大于零的正整数；所述谐波电流处理单元，用于通过公式计算所述电力系统公共连接点处的谐波电流波动值；其中，为第n个谐波电流波动值，为所述谐波电流观测数据组中第n+1个采样数据的谐波电流值，为所述谐波电流观测数据组中第n个采样数据的谐波电流值。

进一步地，所述第一计算模块还用于：基于所述戴维南等效电路模型得到所述系统侧电路的戴维南等效电路方程为对所述戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到电学关系方程为其中，Z_u为系统侧谐波阻抗，为系统侧谐波电压源波动量，为系统侧谐波电压源电压值。

进一步地，所述第二计算模块还用于：根据2范数构建数学表达式为的第一系统侧谐波电压源波动量函数，其中，N为所述多个谐波电压数据或所述多个谐波电流数据的采集个数。

本发明实施例带来了以下有益效果：本发明实施例通过在电力系统中，建立电力系统公共连接点处的系统侧电路的戴维南等效电路模型；在电力系统公共连接点处，采集多个谐波电压数据和多个谐波电流数据；然后计算电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值；对戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到关于谐波电压波动值、谐波电流波动值和系统侧谐波阻抗的电学关系方程；根据2范数构建电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量函数，最后基于系统侧谐波电压源波动量函数的最小值确定电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。本发明通过对系统侧谐波电压源波动量的估计来计算系统侧谐波阻抗，这种方式能够使得到的系统侧谐波阻抗的估计值更为准确；同时通过以上方式能够以较少的计算步骤快速地得到电力系统的系统侧谐波阻抗估计值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的一种戴维南等效电路模型的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计系统的示意图；

图4为本发明实施例提供的另一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计系统的示意图；

图5a为本发明实施例提供的一种应用实施例中谐波阻抗的幅值计算结果示意图；

图5b为本发明实施例提供的一种应用实施例中谐波阻抗的相角计算结果示意图；

图6a为本发明实施例提供的另一种应用实施例中谐波阻抗的幅值计算结果示意图；

图6b为本发明实施例提供的另一种应用实施例中谐波阻抗的相角计算结果示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

图1是根据本发明实施例的一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计方法的流程图。如图1所示，该方法包括如下步骤：

步骤S102，建立电力系统公共连接点处的系统侧电路的戴维南等效电路模型；其中，戴维南等效电路模型用于表征电力系统的谐波电压源和系统侧谐波阻抗之间的连接关系。

可选地，图2为本发明实施例提供的一种戴维南等效电路模型，即，将公共连接点(Point of Common Coupling，简称PCC)系统侧复杂的谐波网络等效为一个谐波电压源和谐波阻抗(Z_u)的串联。

步骤S104，在电力系统公共连接点处，采集多个谐波电压数据和多个谐波电流数据，得到谐波电压观测数据组和谐波电流观测数据组；

具体地，假定一个观测周期采集的点数为N，N为大于1的整数，则采集的谐波电压和谐波电流，分别构成了N点的谐波电压观测数据组和N点的谐波电流观测数据组。

可选地，在本发明实施例中，PCC处采集的谐波电压和谐波电流数据分别记为和其中，n表示采样点序号，为大于零的正整数。

步骤S106，基于谐波电压观测数据组和谐波电流观测数据组，计算电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值。

步骤S108，基于戴维南等效电路模型得到系统侧电路的戴维南等效电路方程，并对戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到关于谐波电压波动值、谐波电流波动值和系统侧谐波阻抗的电学关系方程。

步骤S110，根据2范数构建电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量函数，得到第一系统侧谐波电压源波动量函数；第一系统侧谐波电压源波动量函数用于描述电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量的大小。

步骤S112，将电学关系方程代入到第一系统侧谐波电压源波动量函数，得到第二系统侧谐波电压源波动量函数；第二系统侧谐波电压源波动量函数用于描述系统侧电路的谐波电压源波动量的大小随系统侧谐波阻抗的变化关系。

步骤S114，基于第二系统侧谐波电压源波动量函数的最小值确定电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。

本发明实施例通过在电力系统中，建立电力系统公共连接点处的系统侧电路的戴维南等效电路模型；在电力系统公共连接点处，采集多个谐波电压数据和多个谐波电流数据；然后计算电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值；对戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到关于谐波电压波动值、谐波电流波动值和系统侧谐波阻抗的电学关系方程；根据2范数构建电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量函数，最后基于系统侧谐波电压源波动量函数的最小值确定电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。本发明通过对系统侧谐波电压源波动量的估计来计算系统侧谐波阻抗，这种方式能够使得到的系统侧谐波阻抗的估计值更为准确；同时通过以上方式能够以较少的计算步骤快速地得到电力系统的系统侧谐波阻抗估计值。

具体地，步骤S106中，通过如下公式计算电力系统的谐波电压波动值和谐波电流波动值：

(1)谐波电压波动值计算：

其中，为第n个谐波电压波动值，为谐波电压观测数据组中第n+1个采样数据的谐波电压值，为谐波电压观测数据组中第n个采样数据的谐波电压值；n为大于零的正整数。

(2)谐波电流波动值计算：

其中，为第n个谐波电流波动值，为谐波电流观测数据组中第n+1个采样数据的谐波电流值，为谐波电流观测数据组中第n个采样数据的谐波电流值。

具体地，步骤S108包括如下步骤：

如图2所示，基于戴维南等效电路模型得到系统侧电路的戴维南等效电路方程为

对戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到电学关系方程为其中，Z_u为系统侧谐波阻抗，为系统侧谐波电压源波动量，为系统侧谐波电压源电压值。

具体地，步骤S110中，根据2范数构建数学表达式为的第一系统侧谐波电压源波动量函数，其中，N为多个谐波电压数据或多个谐波电流数据的采集个数。

具体地，步骤S112的数学形式如下：

其中，*为共轭向量。

具体地，步骤S114还包括如下步骤：

步骤S1141，计算第二系统侧谐波电压源波动量函数的最小值。

步骤S1142，确定第二系统侧谐波电压源波动量函数的数值为最小值时，系统侧谐波阻抗的取值，并将系统侧谐波阻抗的取值作为电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。

具体地，由步骤S112得到的第二系统侧谐波电压源波动量函数的数学形式可知，当时，J有最小值：

即，当第二系统侧谐波电压源波动量函数J的数值为最小值时，系统侧谐波阻抗将从步骤S106中计算得到的谐波电压波动值和谐波电流波动值代入上式可以得到此时系统侧谐波阻抗的取值，并将此时系统侧谐波阻抗的取值作为系统侧谐波阻抗的估计值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

(1)本发明求取使最小时的Z_u的值，因为且Z_u在一段时间内变化很小，所以认为J取最小值时，取最小值，因此Z_u是在背景谐波最稳定时计算得到的。故该发明在背景谐波剧烈波动时，利用背景谐波最稳定时的数据计算得到Z_u，求得的Z_u也最为准确。

(2)本发明计算步骤少且计算简单，易于操作实现，计算速度更快。

实施例二：

图3是根据本发明实施例提供的一种电力系统公共连接点处的系统谐波阻抗估计系统的示意图，如图3所示，该系统具体包括：等效电路模块10，数据采集模块20，数据处理模块30，第一计算模块40，第二计算模块50和第三计算模块60。

具体地，等效电路模块10，用于建立电力系统公共连接点处的系统侧电路的戴维南等效电路模型；戴维南等效电路模型用于表征系统侧电路的谐波电压源和系统侧谐波阻抗之间的连接关系。

数据采集模块20，用于在电力系统公共连接点处，采集多个谐波电压数据和多个谐波电流数据，得到谐波电压观测数据组和谐波电流观测数据组。

数据处理模块30，用于基于谐波电压观测数据组和谐波电流观测数据组，计算电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值。

第一计算模块40，用于基于戴维南等效电路模型得到系统侧电路的戴维南等效电路方程，并对戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到关于谐波电压波动值、谐波电流波动值和系统侧谐波阻抗的电学关系方程。

第二计算模块50，用于根据2范数构建电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量函数，得到第一系统侧谐波电压源波动量函数；第一系统侧谐波电压源波动量函数用于描述电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量的大小；以及

将电学关系方程代入到第一系统侧谐波电压源波动量函数，得到第二系统侧谐波电压源波动量函数；第二系统侧谐波电压源波动量函数用于描述系统侧电路的谐波电压源波动量的大小随系统侧谐波阻抗的变化关系。

第三计算模块60，用于基于第二系统侧谐波电压源波动量函数的最小值确定电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。

在本发明实施例中，通过在电力系统中，通过等效电路模块建立电力系统公共连接点处的系统侧电路的戴维南等效电路模型；通过数据采集模块在电力系统公共连接点处，采集多个谐波电压数据和多个谐波电流数据；然后通过数据处理模块计算电力系统公共连接点处的谐波电压波动值和谐波电流波动值；通过第一计算模块对戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到关于谐波电压波动值、谐波电流波动值和系统侧谐波阻抗的电学关系方程；第二计算模块根据2范数构建电力系统公共连接点处的系统侧谐波电压源波动量函数，最后通过第三计算模块基于系统侧谐波电压源波动量函数的最小值确定电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。本发明通过对系统侧谐波电压源波动量的估计来计算系统侧谐波阻抗，这种方式能够使得到的系统侧谐波阻抗的估计值更为准确；同时通过以上方式能够以较少的计算步骤快速地得到电力系统的系统侧谐波阻抗估计值。

可选地，第三计算模块60还用于：

计算第二系统侧谐波电压源波动量函数的最小值；

确定第二系统侧谐波电压源波动量函数的数值为最小值时，系统侧谐波阻抗的取值，并将系统侧谐波阻抗的取值作为电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计值。

可选地，图4为根据本发明实施例提供的另一种电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计系统的示意图，如图4所示，该系统中的数据处理模块30还包括：谐波电压处理单元31和谐波电流处理单元32。

具体地，谐波电压处理单元31，用于通过公式计算电力系统公共连接点处的谐波电压波动值；其中，为第n个谐波电压波动值，为谐波电压观测数据组中第n+1个采样数据的谐波电压值，为谐波电压观测数据组中第n个采样数据的谐波电压值；n为大于零的正整数；

谐波电流处理单元32，用于通过公式计算电力系统公共连接点处的谐波电流波动值；其中，为第n个谐波电流波动值，为谐波电流观测数据组中第n+1个采样数据的谐波电流值，为谐波电流观测数据组中第n个采样数据的谐波电流值。

可选地，第一计算模块40还用于：

基于戴维南等效电路模型得到系统侧电路的戴维南等效电路方程为

对戴维南等效电路方程两端作差分运算，得到电学关系方程为其中，Z_u为系统侧谐波阻抗，为系统侧谐波电压源波动量，为系统侧谐波电压源电压值。

可选地，第二计算模块50还用于：

根据2范数构建数学表达式为的第一系统侧谐波电压源波动量函数，其中，N为多个谐波电压数据或多个谐波电流数据的采集个数。

本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。

本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，程序代码使处理器执行上述实施例一提供的方法。

本发明实施例所提供的进行一种电力系统公共连接点处的系统侧谐波阻抗估计方法的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

实施例三：

本实施例是利用上述实施例一提供的方法计算系统侧谐波阻抗估计值的应用实施例。

采集到某100MVA直流电弧炉150kV母线(PCC)的数据，采样频率是6400Hz，每分钟对采样的电压电流数据进行快速傅里叶变换，得到各次谐波的测量值。将三次谐波电压电流值代入该方法计算程序中，得到计算结果如图5a和图5b所示，计算结果取均值得系统侧三次谐波阻抗幅值为10.0374，相角为68.0109。

实施例四：

本实施例是利用上述实施例一提供的方法计算系统侧谐波阻抗估计值的另一种应用实施例。

已知某城市电网负荷接入点处的信息，其电压等级为35kV，系统侧谐波阻抗为感性，用户侧谐波阻抗为容性。采集其PCC处某日11次谐波电压和电流数据，带入该方法的程序中，得到系统侧谐波阻抗在24小时内的变化结果，如图6a和图6b所示。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。