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]。實際中，常見間諧波源主要有變頻器等非線性負荷。間諧波除了類似諧波的危害外，還可能會引起次同步振蕩、電壓波動和閃變[2-3]。為了有效地治理間諧波，首先要解決間諧波源的識別問題。

過去對間諧波的研究主要局限于間諧波的相序特性[4]、參數(shù)的測量與分析[5-6]、閃變的傳播[7]等，而對間諧波源識別的研究相對較少。間諧波源的識別需要經(jīng)過間諧波源特征量的定義、特征量的檢測和危害評估3個步驟。近年來，已有學(xué)者采用有功功率法[8-9]、阻抗法[10]、閃變功率法[11]進行間諧波源的識別。然而在系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)同時存在某一頻次的間諧波時，有功功率法和阻抗法都可能會給出錯誤的判斷[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)和用戶側(cè)的責(zé)任。

本文在理論分析及仿真驗證的基礎(chǔ)上，開發(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位專用A／D轉(zhuǎn)換芯片AD574；同時完成了存儲器、鍵盤、液晶顯示、串口通信等硬件電路及控制主程序的設(shè)計。上位機軟件在VC環(huán)境中編寫，其與數(shù)據(jù)采集器通過串口實現(xiàn)通信；數(shù)據(jù)采集器采集的電壓和電流信號通過串口通信發(fā)送到上位機，然后由上位機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理并完成間諧波源識別及責(zé)任劃分。

1 閃變電壓法

間諧波源的識別系統(tǒng)見圖1，其中S、A和B分別為系統(tǒng)側(cè)、用戶1側(cè)和用戶2側(cè)的電氣參數(shù)測量點。

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

在有功功率法中，可以根據(jù)測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公共連接點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行主間諧波源的識別，并量化系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)的責(zé)任，具體如下。

首先對PCC的電壓和各條支路的電流信號進行傅里葉變換，然后選取電壓頻譜較大的一個或幾組間諧波。再根據(jù)計算的基波電壓U1、第l條支路基波電流I1l計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間決定。類似諧波次數(shù)的定義，對頻率為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)。

在只考慮感性負載存在的前提下，計算第l條支路在頻率為fi時的歸算阻抗：

根據(jù)其歸算阻抗計算第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。

對于可能含有無功補償設(shè)備的PCC，將其等效為容抗XC。設(shè)無功補償大小為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作用時在PCC處產(chǎn)生的間諧波電壓為：

其中，ZiP為頻率為fi時其他支路的并聯(lián)電抗。

同理，計算其他支路和系統(tǒng)側(cè)在PCC的間諧波電壓貢獻值。參照國家標(biāo)準(zhǔn)[14]，可求得PCC上多個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的間諧波源單獨作用時產(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。

對于同頻次間諧波源，其對電壓波動和閃變的影響水平主要取決于各個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，說明其對電壓波動的影響水平越大，造成的閃變效應(yīng)越強。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[14]中關(guān)于PCC處同頻次間諧波合成電壓的定義，本文定義各個間諧波源對PCC的同一頻次電壓貢獻率 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PCC處的同頻次間諧波電壓貢獻率。

對于不同頻次，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。電壓波動水平越小，說明該頻次的間諧波電壓波動很小時，就可能引起較強的閃變，c的大小是根據(jù)瞬時閃變視感度S=1的情況下正弦波電壓波動水平來設(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閃變視感度S=1時的電壓波動百分比。

根據(jù)式（11）和文獻[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)果見表1。

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

對于高次間諧波，由于其對電壓有效值波動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)。

閃變儀通過對測量信號進行加權(quán)濾波等得到不同電壓波動水平下的閃變視感度。類似地，考慮各頻次間諧波對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可實現(xiàn)閃變儀中加權(quán)的目的，即：

其中，VCRTl為第l條支路對PCC處間諧波電壓的總的貢獻率。

現(xiàn)代大學(xué)生參加社會實踐活動的積極性普遍不高，主體意識不強，主要存在以下情況：有的學(xué)生托父母或親戚在單位蓋個章，再隨便拍幾張照片，自己并沒有真的去參加實踐，就開始編造社會實踐報告；有的學(xué)生去參加社會實踐是抱著修滿學(xué)分的態(tài)度，全程被動參與，實踐過程馬馬虎虎；有的學(xué)生對參加社會實踐的目的和意義并沒有明確的認識，在實踐過程中走馬觀花，把實踐當(dāng)成一種旅游參觀。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計主要包括上位機軟件設(shè)計及數(shù)據(jù)采集器軟硬件設(shè)計，系統(tǒng)框圖見圖2。上位機軟件程序在VC環(huán)境中編寫，數(shù)據(jù)采集器控制芯片采用80C196控制器，二者之間的聯(lián)系通過串口通信來實現(xiàn)。

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

2.1 上位機軟件設(shè)計

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。VC是一款微軟推出的集成開發(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)境中進行串口通信程序編寫步驟如下：設(shè)置與打開串口接口函數(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，保證上位機軟件中設(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。上位機軟件將通過串行通信采集的數(shù)據(jù)進行標(biāo)度變換，得到實際電氣參數(shù)，再借助所提算法完成數(shù)據(jù)分析與處理。上位機主程序流程圖見圖3。

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

由于數(shù)據(jù)采集器不停地采集、存儲和刷新數(shù)據(jù)，而上位機軟件讀取這些數(shù)據(jù)需要一定的時間，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)送到上位機的準(zhǔn)備。上位機通過發(fā)送召喚數(shù)據(jù)指令至數(shù)據(jù)采集器即可實現(xiàn)對特定數(shù)據(jù)的讀取。數(shù)據(jù)采集完成后，首先上位機對采集的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，將其折算為實際物理量，然后通過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)則對系統(tǒng)側(cè)和負載側(cè)的等效阻抗進行頻率修正，并計算系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)的等效電動勢，然后分別計算系統(tǒng)側(cè)或用戶側(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)分別計算系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)的間諧波貢獻率情況，得到結(jié)論。另外，軟件中利用VC提供的定時功能實現(xiàn)不同時間段電氣信息的讀取和分析。

2.2 采集電路軟硬件設(shè)計

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系列單片機相比，該處理器的時鐘頻率、存儲器容量、中斷數(shù)量、通信緩沖器等性能都明顯提高，可以滿足該數(shù)據(jù)采集器中的數(shù)據(jù)處理、通信等功能的要求[13]，且性價比高。

電壓形成電路是指將被測的電氣量轉(zhuǎn)換為適合A／D轉(zhuǎn)換器工作的電壓信號，并實現(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路電壓信號分別經(jīng)采樣保持器LF398與多路選擇開關(guān)13508相連，由微處理器的高速輸出口HSO4發(fā)出保持信號后，處理器選擇不同通道的輸入模擬量信號依次進行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位專用芯片AD574A。

80C196 K與上位機采用串口進行通信，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)置流程見圖4。另外，對外圍輔助電路進行了設(shè)計，包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路、指示燈、鍵盤和液晶顯示等。

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 實驗分析

搭建如圖6所示物理電路，基波電源電壓為U1=20 V，6路間諧波電壓信號參數(shù)見表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)和用戶側(cè)流過功率的計算結(jié)果見表3。從表中可知，用戶1和用戶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1和用戶2側(cè)為主間諧波源。然而，由物理實驗電路可知，系統(tǒng)側(cè)同樣含有間諧波源，因此有功功率法在識別間諧波源時可能會得出錯誤的結(jié)論。

表3 功率測量值Tab.3 Measured power

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

表4 阻抗測量值Tab.4 Measured impedances

最后，根據(jù)本文所提間諧波源算法進行分析計算，計算結(jié)果見表5，第1、2行數(shù)據(jù)分別為對應(yīng)頻率為10 Hz和25 Hz的情況?？梢钥闯觯到y(tǒng)側(cè)對10 Hz分量的影響最大，接近90%；對25 Hz分量，用戶2側(cè)的影響最大，系統(tǒng)側(cè)次之?？梢姡摲椒ú粌H能識別主間諧波源，而且可以給出系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)對PCC的影響水平。另外，考慮到各頻率分量對PCC處閃變的影響水平的差異性，可以計算出系統(tǒng)側(cè)、用戶1側(cè)和用戶2側(cè)對PCC的總貢獻率。由于10 Hz分量對電壓波動的影響遠大于25 Hz分量，因此，系統(tǒng)側(cè)的總間諧波電壓貢獻率遠大于用戶1側(cè)和用戶2側(cè)的總間諧波電壓貢獻率。

表5 VCRS和VCRTTab.5 VCRS and VCRT

為驗證本文方法及結(jié)論的正確性，下面將6路間諧波源依次單獨作用，然后直接測量PCC處間諧波電壓，結(jié)果見表6。

表6 間諧波電壓測量值Tab.6 Measured inter-harmonic voltage

表6中，Uis、Ui1和 Ui2分別為系統(tǒng)側(cè)、用戶 1側(cè)和用戶2側(cè)單獨作用時PCC處測量到的間諧波電壓?？梢?，對于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）遠大于用戶1和用戶2引起的電壓，因此系統(tǒng)側(cè)對PCC的間諧波貢獻率占主要部分，此結(jié)果與表5中VCRS的結(jié)果相一致；對于25 Hz間諧波分量，用戶2側(cè)和系統(tǒng)側(cè)在PCC處產(chǎn)生的電壓相近，且遠大于用戶1的在PCC處產(chǎn)生的電壓，因此用戶2側(cè)和系統(tǒng)側(cè)應(yīng)負主要責(zé)任，這與表5中的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

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