基于閃變電壓歸算的間諧波源識(shí)別與物理實(shí)現(xiàn)

李永生，張大海，張曉東，黃俊生，趙振濤

（山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061）

0 引言

間諧波是指非整數(shù)倍基波頻率的頻譜成分[1]。實(shí)際中，常見(jiàn)間諧波源主要有變頻器等非線性負(fù)荷。間諧波除了類(lèi)似諧波的危害外，還可能會(huì)引起次同步振蕩、電壓波動(dòng)和閃變[2-3]。為了有效地治理間諧波，首先要解決間諧波源的識(shí)別問(wèn)題。

過(guò)去對(duì)間諧波的研究主要局限于間諧波的相序特性[4]、參數(shù)的測(cè)量與分析[5-6]、閃變的傳播[7]等，而對(duì)間諧波源識(shí)別的研究相對(duì)較少。間諧波源的識(shí)別需要經(jīng)過(guò)間諧波源特征量的定義、特征量的檢測(cè)和危害評(píng)估3個(gè)步驟。近年來(lái)，已有學(xué)者采用有功功率法[8-9]、阻抗法[10]、閃變功率法[11]進(jìn)行間諧波源的識(shí)別。然而在系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)同時(shí)存在某一頻次的間諧波時(shí)，有功功率法和阻抗法都可能會(huì)給出錯(cuò)誤的判斷[12]。因此，本文提出了一種基于閃變電壓歸算的間諧波源識(shí)別方法，該方法可以克服傳統(tǒng)方法的不足并量化系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)的責(zé)任。

本文在理論分析及仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了一套以80C196[13]為控制器的數(shù)據(jù)采集裝置和上位機(jī)程序。該裝置有4路模擬量輸入并設(shè)有相應(yīng)的電壓形成電路；為提高采樣精度，采用12位專(zhuān)用A／D轉(zhuǎn)換芯片AD574；同時(shí)完成了存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)、液晶顯示、串口通信等硬件電路及控制主程序的設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件在VC環(huán)境中編寫(xiě)，其與數(shù)據(jù)采集器通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)通信；數(shù)據(jù)采集器采集的電壓和電流信號(hào)通過(guò)串口通信發(fā)送到上位機(jī)，然后由上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理并完成間諧波源識(shí)別及責(zé)任劃分。

1 閃變電壓法

間諧波源的識(shí)別系統(tǒng)見(jiàn)圖1，其中S、A和B分別為系統(tǒng)側(cè)、用戶(hù)1側(cè)和用戶(hù)2側(cè)的電氣參數(shù)測(cè)量點(diǎn)。

圖1 間諧波源識(shí)別系統(tǒng)Fig.1 Inter-harmonic source identification system

在有功功率法中，可以根據(jù)測(cè)量的間諧波功率流向及大小定性地判斷系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)哪側(cè)是主間諧波源[9]，然而僅根據(jù)功率的大小并不能直接判斷其對(duì)公共連接點(diǎn)PCC（Point of Common Coupling）的影響水平。阻抗法[10]同樣只是定性給出主間諧波源，并未提及責(zé)任的劃分。

為此，本文提出一種基于閃變電壓歸算的方法進(jìn)行主間諧波源的識(shí)別，并量化系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)的責(zé)任，具體如下。

首先對(duì)PCC的電壓和各條支路的電流信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，然后選取電壓頻譜較大的一個(gè)或幾組間諧波。再根據(jù)計(jì)算的基波電壓U1、第l條支路基波電流I1l計(jì)算該條支路等效的基波阻抗：

其中，R1l和X1l分別為第l條支路的等效電阻和基波電抗。

間諧波頻率分辨率由采樣時(shí)間決定。類(lèi)似諧波次數(shù)的定義，對(duì)頻率為fi的間諧波定義其次數(shù)i為：

其中，Δf為頻率分辨率；i為間諧波次數(shù)。

在只考慮感性負(fù)載存在的前提下，計(jì)算第l條支路在頻率為fi時(shí)的歸算阻抗：

根據(jù)其歸算阻抗計(jì)算第l條支路的間諧波源等效電壓：

其中，Ui、Iil分別為PCC處頻率為fi的電壓相量和流過(guò)第l條支路的電流相量。

系統(tǒng)側(cè)阻抗的求解可根據(jù)短路容量求得其等效阻抗，然后進(jìn)行頻率修正：

其中，Rs為系統(tǒng)側(cè)等效電阻；Xs為系統(tǒng)側(cè)等效基波電抗。

對(duì)于可能含有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的PCC，將其等效為容抗XC。設(shè)無(wú)功補(bǔ)償大小為QC，根據(jù)基波電壓有效值U1，可求出其等效容抗為：

然后進(jìn)行頻率修正：

最后根據(jù)線路的連接關(guān)系，可得第l條支路的間諧波源單獨(dú)作用時(shí)在PCC處產(chǎn)生的間諧波電壓為：

其中，ZiP為頻率為fi時(shí)其他支路的并聯(lián)電抗。

同理，計(jì)算其他支路和系統(tǒng)側(cè)在PCC的間諧波電壓貢獻(xiàn)值。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]，可求得PCC上多個(gè)間諧波源同次間諧波合成電壓為：

其中，Ui1、Ui2、…、Uin分別為第 1、2、…、n 條支路中頻率為fi的間諧波源單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的間諧波電壓；UiHT為n條支路中頻率為fi的間諧波產(chǎn)生的間諧波合成電壓。

對(duì)于同頻次間諧波源，其對(duì)電壓波動(dòng)和閃變的影響水平主要取決于各個(gè)間諧波源分別作用于PCC處產(chǎn)生的電壓降的幅值，幅值越大，說(shuō)明其對(duì)電壓波動(dòng)的影響水平越大，造成的閃變效應(yīng)越強(qiáng)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]中關(guān)于PCC處同頻次間諧波合成電壓的定義，本文定義各個(gè)間諧波源對(duì)PCC的同一頻次電壓貢獻(xiàn)率 VCRS（Voltage Contribution Rate of the Same frequency）如式（10）所示，以量化各間諧波源的責(zé)任。

其中，VCRSil為第l條支路頻率為fi的間諧波源對(duì)PCC處的同頻次間諧波電壓貢獻(xiàn)率。

對(duì)于不同頻次，應(yīng)當(dāng)根據(jù)其頻段的含有率限制，添加相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)c。電壓波動(dòng)水平越小，說(shuō)明該頻次的間諧波電壓波動(dòng)很小時(shí)，就可能引起較強(qiáng)的閃變，c的大小是根據(jù)瞬時(shí)閃變視感度S=1的情況下正弦波電壓波動(dòng)水平來(lái)設(shè)定的[15]。因此，定義權(quán)重系數(shù)：

其中，ΔVi為第i次間諧波引起的瞬時(shí)閃變視感度S=1時(shí)的電壓波動(dòng)百分比。

根據(jù)式（11）和文獻(xiàn)[15]中 ΔVi值，可以得到間諧波頻率在1.0～25.0 Hz情況下的權(quán)重系數(shù)與頻率的變化關(guān)系，部分結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電壓波動(dòng)、權(quán)重系數(shù)與頻率的關(guān)系Tab.1 Relationship among voltage fluctuations，weight factor and frequency

對(duì)于高次間諧波，由于其對(duì)電壓有效值波動(dòng)頻率的影響主要與其相鄰的諧波次數(shù)有關(guān)，因此可根據(jù)下式進(jìn)行變換。

其中，m為與該間諧波頻率鄰近的諧波次數(shù)。

閃變儀通過(guò)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行加權(quán)濾波等得到不同電壓波動(dòng)水平下的閃變視感度。類(lèi)似地，考慮各頻次間諧波對(duì)PCC處電壓閃變的影響水平的差異，根據(jù)式（11）定義的權(quán)重系數(shù)c可實(shí)現(xiàn)閃變儀中加權(quán)的目的，即：

其中，VCRTl為第l條支路對(duì)PCC處間諧波電壓的總的貢獻(xiàn)率。

現(xiàn)代大學(xué)生參加社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)的積極性普遍不高，主體意識(shí)不強(qiáng)，主要存在以下情況：有的學(xué)生托父母或親戚在單位蓋個(gè)章，再隨便拍幾張照片，自己并沒(méi)有真的去參加實(shí)踐，就開(kāi)始編造社會(huì)實(shí)踐報(bào)告；有的學(xué)生去參加社會(huì)實(shí)踐是抱著修滿(mǎn)學(xué)分的態(tài)度，全程被動(dòng)參與，實(shí)踐過(guò)程馬馬虎虎；有的學(xué)生對(duì)參加社會(huì)實(shí)踐的目的和意義并沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)，在實(shí)踐過(guò)程中走馬觀花，把實(shí)踐當(dāng)成一種旅游參觀。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)采集器軟硬件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2。上位機(jī)軟件程序在VC環(huán)境中編寫(xiě)，數(shù)據(jù)采集器控制芯片采用80C196控制器，二者之間的聯(lián)系通過(guò)串口通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of system

2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本部分主要包括串口通信程序和數(shù)據(jù)處理算法軟件的設(shè)計(jì)。VC是一款微軟推出的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，其常用的串口通信控件是Microsoft Communications Control Version 6.0。在VC環(huán)境中進(jìn)行串口通信程序編寫(xiě)步驟如下：設(shè)置與打開(kāi)串口接口函數(shù)；獲得串口設(shè)置和狀態(tài)接口函數(shù)；設(shè)置串口發(fā)送數(shù)據(jù)方式、緩沖區(qū)接口及發(fā)送數(shù)據(jù)接口函數(shù)；設(shè)置串口接收數(shù)據(jù)方式、緩沖區(qū)接口及接收數(shù)據(jù)接口函數(shù)；設(shè)置與獲取串口上發(fā)生的事件接口函數(shù)。同時(shí)，保證上位機(jī)軟件中設(shè)置的參數(shù)同數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置的串口參數(shù)一致。上位機(jī)軟件將通過(guò)串行通信采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)度變換，得到實(shí)際電氣參數(shù)，再借助所提算法完成數(shù)據(jù)分析與處理。上位機(jī)主程序流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 上位機(jī)主程序流程圖Fig.3 Flowchart of main program of superordinate computer

由于數(shù)據(jù)采集器不停地采集、存儲(chǔ)和刷新數(shù)據(jù)，而上位機(jī)軟件讀取這些數(shù)據(jù)需要一定的時(shí)間，因此在數(shù)據(jù)采集器中設(shè)置了一條凍結(jié)命令。通過(guò)該命令可以控制數(shù)據(jù)采集器停止數(shù)據(jù)采集，并做好將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)的準(zhǔn)備。上位機(jī)通過(guò)發(fā)送召喚數(shù)據(jù)指令至數(shù)據(jù)采集器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定數(shù)據(jù)的讀取。數(shù)據(jù)采集完成后，首先上位機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將其折算為實(shí)際物理量，然后通過(guò)傅里葉分析得到基波和主要頻次間諧波的電壓、電流頻譜；判斷PCC間諧波電壓是否超標(biāo)，若超標(biāo)則對(duì)系統(tǒng)側(cè)和負(fù)載側(cè)的等效阻抗進(jìn)行頻率修正，并計(jì)算系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)的等效電動(dòng)勢(shì)，然后分別計(jì)算系統(tǒng)側(cè)或用戶(hù)側(cè)各頻次間諧波源折算到PCC的電壓，最后利用定義的權(quán)重系數(shù)分別計(jì)算系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)的間諧波貢獻(xiàn)率情況，得到結(jié)論。另外，軟件中利用VC提供的定時(shí)功能實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間段電氣信息的讀取和分析。

2.2 采集電路軟硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集器硬件電路包括CPU、電壓形成電路、A／D轉(zhuǎn)換器、通信電路、輔助電路等。

數(shù)據(jù)采集器采用INTEL公司推出的一款16位處理器80C196K。與51系列單片機(jī)相比，該處理器的時(shí)鐘頻率、存儲(chǔ)器容量、中斷數(shù)量、通信緩沖器等性能都明顯提高，可以滿(mǎn)足該數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)處理、通信等功能的要求[13]，且性?xún)r(jià)比高。

電壓形成電路是指將被測(cè)的電氣量轉(zhuǎn)換為適合A／D轉(zhuǎn)換器工作的電壓信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)外部電路與接口部件之間電氣隔離的電路[16]。將形成的4路電壓信號(hào)分別經(jīng)采樣保持器LF398與多路選擇開(kāi)關(guān)13508相連，由微處理器的高速輸出口HSO4發(fā)出保持信號(hào)后，處理器選擇不同通道的輸入模擬量信號(hào)依次進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。為了提高采樣數(shù)據(jù)的精度，A／D轉(zhuǎn)換器件采用12位專(zhuān)用芯片AD574A。

80C196 K與上位機(jī)采用串口進(jìn)行通信，其串行口有4種操作方式，即1種同步方式和3種異步方式。本系統(tǒng)采用串行異步通信方式，其串口參數(shù)設(shè)置流程見(jiàn)圖4。另外，對(duì)外圍輔助電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、指示燈、鍵盤(pán)和液晶顯示等。

圖4 串口設(shè)置流程圖Fig.4 Flowchart of serial port settings

圖5 數(shù)據(jù)采集器主程序流程圖Fig.5 Flowchart of main program of data acquisition device

3 實(shí)驗(yàn)分析

搭建如圖6所示物理電路，基波電源電壓為U1=20 V，6路間諧波電壓信號(hào)參數(shù)見(jiàn)表2。阻抗參數(shù)為：Zs=0.5+j0.254πf Ω，Z1=100+j0.020πf Ω，Z2=100+j0.040πf Ω。

圖6 單相接線圖Fig.6 Single-phase wiring diagram

表2 物理電路參數(shù)Tab.2 Physical circuit parameters

為了驗(yàn)證所提方法的有效性及證明傳統(tǒng)有功功率法和阻抗法的不足，首先分析有功功率法。系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)流過(guò)功率的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可知，用戶(hù)1和用戶(hù)2側(cè)的10 Hz和25 Hz間諧波功率均注入系統(tǒng)側(cè)，因此，采用有功功率法，用戶(hù)1和用戶(hù)2側(cè)為主間諧波源。然而，由物理實(shí)驗(yàn)電路可知，系統(tǒng)側(cè)同樣含有間諧波源，因此有功功率法在識(shí)別間諧波源時(shí)可能會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

表3 功率測(cè)量值Tab.3 Measured power

其次進(jìn)行阻抗法的分析。阻抗法是根據(jù)測(cè)量的間諧波阻抗與系統(tǒng)側(cè)折算阻抗的差別進(jìn)行間諧波源識(shí)別，其依據(jù)是系統(tǒng)阻抗遠(yuǎn)小于負(fù)荷阻抗。對(duì)于用戶(hù)側(cè)，其測(cè)量阻抗同系統(tǒng)側(cè)折算阻抗相當(dāng)時(shí)，則用戶(hù)側(cè)為主間諧波源；反之則系統(tǒng)側(cè)為主間諧波源。阻抗測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4，其中為系統(tǒng)側(cè)阻抗換算值。可以看出，阻抗法難以識(shí)別出主間諧波源。因此，在系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)同時(shí)存在間諧波源時(shí)，阻抗法很可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論。

表4 阻抗測(cè)量值Tab.4 Measured impedances

最后，根據(jù)本文所提間諧波源算法進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，第1、2行數(shù)據(jù)分別為對(duì)應(yīng)頻率為10 Hz和25 Hz的情況。可以看出，系統(tǒng)側(cè)對(duì)10 Hz分量的影響最大，接近90%；對(duì)25 Hz分量，用戶(hù)2側(cè)的影響最大，系統(tǒng)側(cè)次之。可見(jiàn)，該方法不僅能識(shí)別主間諧波源，而且可以給出系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)對(duì)PCC的影響水平。另外，考慮到各頻率分量對(duì)PCC處閃變的影響水平的差異性，可以計(jì)算出系統(tǒng)側(cè)、用戶(hù)1側(cè)和用戶(hù)2側(cè)對(duì)PCC的總貢獻(xiàn)率。由于10 Hz分量對(duì)電壓波動(dòng)的影響遠(yuǎn)大于25 Hz分量，因此，系統(tǒng)側(cè)的總間諧波電壓貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)大于用戶(hù)1側(cè)和用戶(hù)2側(cè)的總間諧波電壓貢獻(xiàn)率。

表5 VCRS和VCRTTab.5 VCRS and VCRT

為驗(yàn)證本文方法及結(jié)論的正確性，下面將6路間諧波源依次單獨(dú)作用，然后直接測(cè)量PCC處間諧波電壓，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 間諧波電壓測(cè)量值Tab.6 Measured inter-harmonic voltage

表6中，Uis、Ui1和 Ui2分別為系統(tǒng)側(cè)、用戶(hù) 1側(cè)和用戶(hù)2側(cè)單獨(dú)作用時(shí)PCC處測(cè)量到的間諧波電壓?？梢?jiàn)，對(duì)于10 Hz間諧波分量，系統(tǒng)側(cè)間諧波源在PCC處引起的電壓（0.097 V）遠(yuǎn)大于用戶(hù)1和用戶(hù)2引起的電壓，因此系統(tǒng)側(cè)對(duì)PCC的間諧波貢獻(xiàn)率占主要部分，此結(jié)果與表5中VCRS的結(jié)果相一致；對(duì)于25 Hz間諧波分量，用戶(hù)2側(cè)和系統(tǒng)側(cè)在PCC處產(chǎn)生的電壓相近，且遠(yuǎn)大于用戶(hù)1的在PCC處產(chǎn)生的電壓，因此用戶(hù)2側(cè)和系統(tǒng)側(cè)應(yīng)負(fù)主要責(zé)任，這與表5中的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

針對(duì)目前間諧波源識(shí)別中存在的問(wèn)題，本文提出一種基于閃變電壓歸算的識(shí)別方法。該方法不僅可準(zhǔn)確識(shí)別間諧波源，而且可以量化系統(tǒng)側(cè)和用戶(hù)側(cè)的責(zé)任；同時(shí)開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集器及相應(yīng)的算法程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文算法的有效性及裝置的實(shí)用性，具有良好的工程應(yīng)用前景。