吳瑾櫻陳錦植蘇文博

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州　350116；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司寧德供電公司，福建 寧德　352000）

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基于PSCAD的閃變源定位數(shù)字仿真

吳瑾櫻1陳錦植2蘇文博1

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福州350116；2. 國網(wǎng)福建省電力有限公司寧德供電公司，福建 寧德352000）

摘要閃變污染會降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量，因此定位電力系統(tǒng)中的閃變源，劃分電力系統(tǒng)中系統(tǒng)側(cè)與用戶側(cè)的閃變水平十分必要。本文介紹間諧波有功功率流向、危害評估的基本原理，以及其它識別閃變的工程方法，以PSCAD為平臺搭建仿真模型，結(jié)合Matlab編程實現(xiàn)電網(wǎng)中的閃變源定位。對各種定位方法的結(jié)果及各自的特點進(jìn)行對比分析，總結(jié)出這些方法在不同工況下各自的優(yōu)勢和劣勢。

關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；閃變；間諧波；閃變功率；定位

電能是一種能源形態(tài)的特殊商品，在安全經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)上要保證質(zhì)量[1]。配網(wǎng)中的非線性負(fù)荷是導(dǎo)致電能質(zhì)量污染的主要因素，電能質(zhì)量惡化不僅影響系統(tǒng)運(yùn)行，也會影響用戶生產(chǎn)，所以，一旦閃變發(fā)生，首先要搜索污染負(fù)荷，確定它在網(wǎng)絡(luò)中的位置。

閃變是人眼對照度的視覺反映，長時間閃變影響人的正常工作和生活，而且會進(jìn)一步引起電網(wǎng)更大范圍的電壓質(zhì)量問題[2]。閃變儀檢測到的是公共連接點的電壓閃變強(qiáng)度，這是背景干擾與多個負(fù)荷共同作用的結(jié)果，單純檢測電壓閃變不能直接判斷閃變干擾的來源[3]。因此通過公共連接點的測量，尋找出準(zhǔn)確、實用的對配電網(wǎng)閃變源定位的方法，并確定公共連接點閃變污染責(zé)任的指標(biāo)具有重要意義。

本文重點分析了有功功率流向法和注入水平評估法的基本原理，并介紹了其他閃變源識別的方法。利用PSCAD仿真軟件建立波動負(fù)荷仿真模型，通過Matlab計算波動功率和注入水平指標(biāo)，比較各結(jié)果的符號或大小進(jìn)行全網(wǎng)閃變源定位。最后以IEEE-33節(jié)點系統(tǒng)模型中接入波動負(fù)荷為例，結(jié)合兩種方法進(jìn)行定位，驗證了各方法的有效性和存在的局限。

1　基本原理

1.1有功功率識別閃變源

閃變的數(shù)學(xué)模型通常是用幅值調(diào)制的形式給出

式中，mu(t)、mi(t)分別為電壓、電流調(diào)幅波信號；A、ωc為工頻幅值和角頻率。

若電網(wǎng)中出現(xiàn)關(guān)于50Hz對稱的成對的間諧波，可以通過計算間諧波功率的符號在整個電網(wǎng)中搜尋干擾源的位置。

間諧波有功功率定義[4]：

式中，θuh為間諧波電壓相量的相角，θih為間諧波電流相量的相角。

同時，文獻(xiàn)[5]中給出了閃變功率的定義式：

間諧波有功或者閃變功率流向的參考方向如圖1所示，功率流向的判據(jù)見表1。

圖1　基波功率參考方向

表1　試樣說明

1.2電壓電流比率法

普通負(fù)荷在運(yùn)行過程中電壓和電流均保持正弦，閃變干擾使得波形畸變，通過變化的電壓與電流之間的尋找數(shù)學(xué)關(guān)系，也可以定性分析是否存在閃變，判斷來源。

圖2　等效電路

由圖2電路知識可知，Z1不變時，PCC處的電壓隨著Z2的增大而增大，流過PCC的電流也減??；Z2不變時，PCC處的電壓隨著Z1的增大而增大，而此時流過PCC 的電流減小。

在PCC點處計算電壓電流有效值序列Upcc(k）、Ipcc(k)，并進(jìn)一步按式（5）進(jìn)行計算。

式中，k=0,1,2,…,n。若式（5）計算結(jié)果大于0，則系統(tǒng)側(cè)為主要干擾源；反之，則用戶側(cè)為干擾源。

1.3電壓電流相關(guān)系數(shù)法

對于電壓電流信號，可通過用戶電壓電流測量數(shù)據(jù)計算關(guān)聯(lián)系數(shù)判斷是否發(fā)生閃變——若發(fā)生閃變，則其相關(guān)系數(shù)很低[6]，相關(guān)系數(shù)計算式為

式中，uk、ik分別為信號u和i的采樣值（k=1,2,…,n）。和i分別為uk、ik的數(shù)學(xué)期望值。

1.4閃變干擾用戶危害評估

干擾用戶的閃變危害評估以公共連接點的電壓、電流測量參數(shù)為觀測數(shù)據(jù)，評估單個用戶可能對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的影響[7]。

圖3　評估場景

利用動態(tài)相量法將時域信號轉(zhuǎn)化為相量的形式，可以避免微分方程的繁瑣計算。對式（7）先后以工頻、閃變頻率為基頻計算一階動態(tài)相量[8]，得到：

IEC 61000-4-15[9]標(biāo)準(zhǔn)提供了對應(yīng)瞬時閃變視感度S(t)=1的正弦電壓波動值。因此從式（8）可計算各個用戶單獨接入系統(tǒng)造成的危害值，逐個比較危害值的大小，可以對配網(wǎng)的干擾源進(jìn)行定位。

2　閃變源定位的數(shù)字仿真

PSCAD是電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的電磁暫態(tài)仿真軟件，能夠求解大型電力系統(tǒng)暫態(tài)過程。本文利用PSCAD搭建含閃變干擾負(fù)荷的簡單電力系統(tǒng)，并監(jiān)測PCC點的電壓、電流數(shù)據(jù)，實現(xiàn)閃變源的定位。對于較為復(fù)雜的數(shù)值計算，如閃變注入水平評估所用的動態(tài)相量法，則采用Matlab實現(xiàn)。

2.1檢測元件建模

在PSCAD中建立基于間諧波功率的閃變源識別方法的檢測模型，如圖4所示。該檢測模型分為兩部分實現(xiàn)：第一部分實現(xiàn)間諧波檢測，如圖4（a）所示，通過FFT元件實現(xiàn)，分析檢測結(jié)果，選擇含量最大的間諧波頻率作為計算間諧波功率的頻率；第二部分實現(xiàn)間諧波功率計算，如圖4（b）所示，從第一部分的檢測結(jié)果中取得間諧波電壓、電流的幅值和相角計算間諧波功率。該檢測模型需要對每一條支路計算其間諧波功率，比較其大小，大的為閃變源支路。

圖4　基于間諧波功率的閃變源識別方法

在PSCAD中建立電壓電流比率法的檢測模型，如圖5所示。該模型首先計算電壓、電流的有效值，此后利用延時元件計算電壓（或電流）信號在一定時間間隔內(nèi)的變化量，結(jié)果為一序列數(shù)值點，然后將電壓的變化量除以電流的變化量，結(jié)果即為電壓關(guān)于電流的變化率。若變化率大于0，則電壓隨著電流的增大而增大，反之，則電壓隨著電流的增大而減小。對每一條支路的電壓、電流監(jiān)測數(shù)據(jù)都進(jìn)行計算，對照表1分析計算結(jié)果，即可實現(xiàn)閃變源的定位。

圖5　電壓電流比率法檢測模型

由于電壓電流相關(guān)系數(shù)法和閃變干擾用戶危害評估的方法需要進(jìn)行較為復(fù)雜的數(shù)值計算，因為本文利用Matlab軟件實現(xiàn)其計算過程。

2.2簡單工況

在PSCAD軟件中搭建10kV簡單供電系統(tǒng)，如圖6所示。系統(tǒng)側(cè)等效為受控電壓源和系統(tǒng)阻抗的并聯(lián)，通過改變頻率和幅值可以模擬系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)生的背景干擾。用戶側(cè)建模時，恒定負(fù)荷可以等效為串聯(lián)阻抗的形式，而對于具有波動性的負(fù)荷，可以用時變電阻和時變電感來模擬。系統(tǒng)參數(shù)如下。

系統(tǒng)短路容量：200MVA；

電壓源：Usrms=10×(1+0.002cos(2πfst))；

1號負(fù)荷功率：S1=3×(1+0.1cos(2πf1t))；

2號負(fù)荷功率：S2=2×(1+0.1cos(2πf2t))；

功率因數(shù)：0.85。

其中，系統(tǒng)電壓和1、2號負(fù)荷均含有波動分量，其波動頻率分別為fs、f1、f2。系統(tǒng)監(jiān)測量為PCC點的電壓和各條支路的電流，通過電壓、電流監(jiān)測量可以計算波動功率和比率，也可以檢測負(fù)荷模型的r(t)和l(t)，并結(jié)合系統(tǒng)額定電壓、短路容量計算用戶的干擾評估指標(biāo)。

圖6　仿真模型

仿真時，通過改變fs、f1、f2的值，可以模擬閃變干擾源在不同位置上的運(yùn)行工況，包括是否含有背景干擾以及改變閃變源的位置等。本文設(shè)置了以下4種運(yùn)行工況：

算例1：干擾全部來自系統(tǒng)側(cè)，fs=5Hz，f1=0Hz，f2=0Hz。算例2：干擾來自負(fù)荷1，fs=f2=0Hz，f1=10Hz。算例3：干擾同時來自負(fù)荷1和負(fù)荷2，fs=0Hz，f1=f2=10Hz。

算例4：干擾來自系統(tǒng)和負(fù)荷2，fs=10Hz，f1= 0Hz，f2=10Hz。

2.3IEEE-33節(jié)點算例

在PSCAD中對圖7所示的IEEE-33節(jié)點配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

圖7　IEEE-33節(jié)點配電網(wǎng)

設(shè)定l1、l2為節(jié)點7、19接入的兩個波動負(fù)荷，如圖7所示。其中，線路l1流過的功率大小為：Sl1=10×(1+0.1cos(2πfl1t))；線路l2流過的功率大?。篠l2=10×(1+0.1cos(2πfl2t))，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行閃變源定位。

3　仿真結(jié)果分析

3.1簡單工況的定位仿真分析

算例1：fs=5Hz，f1=0Hz，f2=0Hz，此時干擾全部來自系統(tǒng)側(cè)。計算結(jié)果如表2、圖8（a）、圖8（b）。

算例2：fs=f2=0Hz，f1=10Hz計算結(jié)果如表3和圖9（a）、圖9（b）。

算例3：fs=0Hz，f1=f2=10Hz，計算結(jié)果如表4和圖10（a）、圖10（b）所示。

表2　計算結(jié)果

圖8　比率法計算結(jié)果

表3　計算結(jié)果

圖9　比率法計算結(jié)果

表4　計算結(jié)果

圖10　比率法計算結(jié)果

算例4：fs=10Hz，f1=0Hz，f2=10Hz，計算結(jié)果如表5和圖11（a）、圖11（b）所示。

表5　計算結(jié)果

以上分別列出了采用4種方法進(jìn)行閃變源定位的分析計算結(jié)果。以算例1為例說明：從表2可以看出，成對的間諧波功率的符號全為正，由此可以得出系統(tǒng)側(cè)存在閃變源。PSCAD計算得到的電壓電流比率計算結(jié)果如圖8（a）所示，可以看出大部分的比率值大于0，在部分點上存在比率值小于0情況，“電壓有效值-電流有效值”曲線如圖8（b）所示，觀察該曲線發(fā)現(xiàn)在部分點上存在電壓隨著電流增大而減小的情況，與PSCAD所得結(jié)果一致。但兩幅圖上，電壓和電流有效值的變化趨勢是電壓隨著電流的增大而增大，據(jù)此可以得出系統(tǒng)側(cè)存在閃變干擾的結(jié)論。表2中，危害指標(biāo)系統(tǒng)側(cè)遠(yuǎn)大于負(fù)荷側(cè)，即系統(tǒng)側(cè)存在閃變源。

圖11　比率法計算結(jié)果

3種方法顯示的干擾源和實際設(shè)置一致，從而驗證了各種方法用來定位的有效性。電壓電流的相關(guān)性可以作為補(bǔ)充判據(jù)。算例4中可以發(fā)現(xiàn)，若系統(tǒng)側(cè)和負(fù)荷側(cè)同時存在同樣頻率的干擾，功率流反映出二者“中和”后的結(jié)果。危害指標(biāo)反映出各個用戶和系統(tǒng)的危害值，哪條出線側(cè)的危害值大，就沿著該出線繼續(xù)評估。但是從表中也能看見，由于電流之間的關(guān)聯(lián)性，危害評估值會把恒定負(fù)荷判定為輕微干擾。電壓電流的比率結(jié)果在單頻率干擾下可以判斷是來于系統(tǒng)側(cè)還是負(fù)荷側(cè)。對于多干擾源存在，只能得到干擾相互綜合后的主導(dǎo)干擾源位置。

3.2IEEE-33節(jié)點系統(tǒng)定位分析

當(dāng)波動頻率fl1=10Hz，fl2=20Hz時，仿真結(jié)果見表6。

表6　計算結(jié)果

在IEEE-33節(jié)點模型中，從表6可以看出，20Hz調(diào)幅波所對應(yīng)頻率成分的間諧波功率在線路2-19及l(fā)1均為負(fù)，因此可以判定l1為20Hz調(diào)幅波的閃變干擾源支路，同理，l2為10Hz調(diào)幅波的閃變干擾源支路。閃變注入水平的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2號節(jié)點的兩條出線側(cè)存在閃變干擾，比較注入水平沿出線繼續(xù)尋找干擾源，在19號節(jié)點上發(fā)現(xiàn)l1閃變干擾最為嚴(yán)重，但是線路19-20也被判定存在輕微干擾，從定位結(jié)果來看，兩種方法在結(jié)果上與PSCAD仿真實驗所提供的情況相吻合，由此也驗證了以上閃變干擾源定位方法的可行性。

4　結(jié)論

本文介紹了目前閃變源定位和識別的工程方法。根據(jù)間諧波功率與基波功率的流向關(guān)系來判斷閃變源的位置，通過注入水平評估來比較各個出線側(cè)的閃變情況，從而實現(xiàn)定位。通過數(shù)字仿真在PSCAD中建立含有閃變干擾情況的配電網(wǎng)，基于Matlab軟件編寫閃變源定位的分析程序，通過仿真實驗來驗證以上所提方法的正確性和存在的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 肖湘寧, 徐永海. 電能質(zhì)量問題剖析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2001, 25(3): 66-69.

[2] 肖湘寧. 電能質(zhì)量分析與控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010.

[3] 邵振國, 吳丹岳, 薛禹勝. 閃變干擾源定位研究中的若干問題[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(7): 1595-1599.

[4] 王建勛, 劉會金. 間諧波閃變效應(yīng)計算及閃變源識別方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(12): 52-58, 75.

[5] Axelberg P, Bollen M, Gu I. Trace of flicker sources by using the quantity of flicker power[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(1): 465-471.

[6] 齊勇, 江亞群, 黃純, 等. 諧波源和閃變源的識別算法[J]. 電力自動化設(shè)備, 2011, 31(11): 60-63, 68.

[7] 邵振國, 吳丹岳, 林焱. 波動負(fù)荷的閃變危害評估[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2009, 37(14): 36-40.

[8] 蘇清梅, 張嫣, 邵振國. 基于波動模型及虛擬場景評價的閃變污染用戶危害評估[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(23): 97-102.

[9] IEC 61000-4-15. Testing and measurement techniques: flickermeter—functional and design specifications[S].

吳瑾櫻（1991-），女，福建省三明市人，碩士研究生，研究方向為電能質(zhì)量。

Digital Simulation of Flicker Source Location Using PSCAD

Wu Jinying1Chen Jinzhi2Su Wenbo1
(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou350116；2. Electric Power Bureau of Ningde, Ningde, Fujian352000)

Abstract Flicker disturbance will reduce the power quality, therefore it is quite necessary to locate the flicker source and divide the flicker responsibility from customer and supplier. Firstly, this paper introduces the basic theory about the power-direction method, the injection level assessment method and other methods for identifying the flicker source. Then, simulation of flicker source localization with PSCAD was carried on combining with Matlab programming. Finally, the characteristics of different methods are analyzed with comparison of their corresponding simulation results and their advantages and disadvantages under different conditions are pointed out.

Keywords：power quality; flicker; interharmonics; flicker power; localization

作者簡介