电力系统谐波测量方法浅析

　　摘 要：随着电工技术的高速发展，各种新器件、新负载层出不穷，它们所产生的大量谐波对电力系统的安全造成了很大的危害，谐波问题也成为了大家日益关注的问题。因此提高针对谐波问题的检测水平，对于改善电网环境和提高电网的安全性都是十分重要的。

　　本文首先对国内外电力谐波检测技术的发展现状作了简要介绍，又对电力谐波的基本性质及其所造成的危害作了详细阐述，对针对谐波检测的主要检测方法以及检测设备进行了概括。

　　关键词：谐波检测;FFT

　　随着近年来国民经济的不断发展以及科学技术的不断提高，电能已经成为社会生产和生活当中所必需品之一，在人们日常的生活以及生产当中占据了无法替代的位置。特别是自从上世纪90年代初以来，伴随着现代电力技术的高速发展使电能得到了更加充分的利用，随之而来的是大量新型负荷、非线性负载的投入使用，结果由这些新设备所产生的谐波污染却日趋严重，使得整个系统当中的电压波形畸变愈发严重，给整个电网造成了很大的威胁。谐波已经成为影响电力系统当中电能质量的一个重要因素，成为人们日益关注的问题[1]。

　　由于谐波对电网以及电气设备所造成的危害日趋严重，为了保障电网安全高效的运行，减少谐波所造成的损害，所以我们需要从谐波产生的原因和基本性质进行深层次的分析和研究，从而找到更为精确的谐波测量方法并研制出实时性好、精度高的谐波测量装置，能够更加精确的测量谐波的各项数据，从而为更好地抑制和治理谐波提供支持。而且通过谐波的治理，不仅能降低一些无用的电损耗，还能使用电设备的使用寿命得到延长，整个电网的电磁环境得到改善，电能的质量和利用率也能得到提高[2]。

　　谐波测量作为研究和分析各种谐波问题的出发点和主要依据，对谐波的抑制和治理有着十分重要的指导作用，检测的范围包括电网的方方面面，具体有：鉴定实际电网中各个主要的谐波源用户所产生谐波水平是否与规定的标准相符，并根据监测情况采取相关措施;能够对各种电气设备在投运前、后和相关系统的谐波水平及其变化情况进行及时的掌握，从而保障各种设备的安全运行，维护生产安全;通过对谐波故障和个别异常的原因检测，找到相应的对策以解决相关问题;还可以针对一些谐波问题的进行专题模式的测试，进一步了解系统内谐波源的特性，谐波阻抗以及谐波潮流，还有谐波谐振和谐波放大现象等现象的产生原因[3]。

　　综上可知，对于电力系统谐波检测的研究，无论是从实用性的角度还是其理论意义都有很大的价值。

　　1.国内外研究现状

　　随着电力电子以及电力系统相关技术在最近十年来的蓬勃发展，加上各种新型负载特性的非线形化程度越来越高，使得谐波所造成的危害大有愈演愈烈之势。据相关报告介绍，仅仅美国每年由此造成的一系列损失就已经高达上百亿美元，由谐波问题以及由此引发的相关问题所带来的巨大经济损失已经引起了各国相关行业对谐波研究领域的关切。

　　目前国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)两大机构都专门成立了针对谐波问题的相关机构并进行深入研究。其中国际大电网会议每隔一年就要召开有关电力谐波方面的国际学术会(ICHPS)，在其1996年召开的第七次会议中又将学术会的名称改为电力谐波与电能质量学术会(ICHQP)，为该领域进行更加深入的研究起了推动作用，也为谐波检测进行更广泛的国际合作开辟了新的平台和途径[4]。

　　在现阶段，对谐波检测的方法及其相关设备的研发方面研究仍然是一个非常活跃的领域，而且其研究范围也不仅仅局限于电力系统学科，是一个由数字信号处理和检测、电气工程理论研究、计算机系统仿真技术、功率电子学、仪器与仪表设计和系统控制技术等多学科交叉融合的研究领域，形成了自己特有的研究方式[4]。

　　2 电网谐波的危害及基本性质

　　2.1 电网谐波的危害

　　在电力系统中，由电力谐波所造成的威胁不但已经涉及到整个电网的方方面面，还是其他电力用户的设备等，都会受到影响。谐波污染造成的主要危害表现在以下几个方面[5-6]：

　　(1)对电网质量的影响以及供配电线路的危害

　　谐波使得电网中的电流和电压波形发生了畸变。例如在民用配电系统的线路中，一些特殊的非线性负载会产生了大量的奇数次谐波，而在三相四线制的配电线路中，相线上所产生的3k次的谐波会在中线上产生叠加效应，中线中所经过的电流值会大于相线上的电流值，从而影响电网安全;而且有相同频率的谐波电压和电流所产生的有功功率和无功功率还会使得电网电压降低，甚至严重时会导致自动控制失灵、继电保护误动作，从而大大影响线路的稳定运行。

　　(2)对变压器的危害

　　电网谐波会使变压器的铜耗和铁耗增大，而这两方面损耗的增加会使得变压器的实际使用容量减少;另外绕组一旦发生环流，绕组电流会超过额定值，而且由此产生发热加剧还会使得变压器的内部温度大幅上升，并在运行时产生很大的噪音，这些都会影响到变压器的使用寿命并对变压器的运行产生造成隐患。

　　(3)对电力电容器的危害

　　当电网存在谐波时，由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多，而假使该电网的电压已经发生了畸变，电容器的投入将会使情况更为恶化。另外，它的还会使电容器工作时发热程度大大加剧，引发绝缘的老化，从而埋下安全隐患。而在谐波严重的情况下，还会使电容器由于过流而损坏甚至于击穿或爆炸。

　　(4)对低压开关设备的危害

　　断路器主要受到的影响是由谐波而引起的其他损耗增大，从而导致发热加剧，并且额定电流大幅下降，影响断路器的正常工作来说，甚至会造成部分断路器进行动作反应迟钝甚至出现错误反应，对线路的工作安全埋下隐患。

　　(5)对用电设备的危害

　　谐波会使显示器的屏幕受到影响，甚至画面出现混浊不清，并使机内的元件出现过热，甚至使计算机的数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和补偿用电容器的日光灯说，也可能会形成某次谐波频率下的谐振，导致镇流器或电容器因发热加剧而造成损坏。谐波还会对一些调速类的装置造成损害，因为其功能是通过对晶闸管等功率器件进行控制来实现的，而谐波可能使其变速控制出现失误，甚至产生故障而损坏这些设备。

　　(6)对电机造成的危害

　　谐波的加剧会使电机整体所产生的损耗增加，其主要原因是由谐波而产生的附加损耗增加，并引起电机在工作过程中过热，温度过高。而一些负序谐波分量也会在电机中会产生感应磁场，由此产生的转矩会对电机产生制动作用，使其转速降低，影响电机的正常转动。还会使电机产生很大的噪声。

　　(7)对输电线电缆的危害

　　由于谐波次数高频率上升，导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小，使附加损耗加剧，导致电缆的寿命减短并引发故障。另外，由于电缆的电阻和系统母线侧及线路感抗与系统为串联连接，而补偿用电容器及输电线自身容抗与系统为并联连接，在特定情况下电感与电容下可能发生谐振，从而引发故障。

　　2.2 电网谐波的基本性质

　　由于电力系统结构基本为对称型，决定了电力系统谐波在特定情况也存在对称性的特点，而且在平衡的电力系统当中，其整体的网络结构决定了对于不同谐波的响应也是相互独立的，这使得各次谐波能够被分别进行处理。

　　国外对谐波的标准大体为：对于小于1kV的电网设定为4%~5%;对于2.4~72kV设定为2%~5%;对于84kV以上的，设定为1%~2%。

　　而国内对于0.38kV标称电压限制为5%;6kV和10kV标称电压限制为4%;35kV和66kV标称电压限制为3%;110kV标称电压限制为2%。

　　3 电力谐波的主要测量方法

　　谐波测量的方法现在主要包括以下几种：

　　(1)基于瞬时无功功率的谐波检测

　　日本东京工业大学著名教授，现任IEEE电力电子学会主席赤木泰文等人在上世纪八十年代中期年提出该理论，此理论的主要方法是通过将瞬时无功功率进行分解，分为交流和直流部分，其中交流部分对应谐波电流，可以计算出谐波分量。基于此理论的检测方法主要有 法， 法和 法，其中 法适用范围很广。该理论的优势在于对于电网电压畸变不对称的情况均适用，但这只是在三相三线的系统中适用，故也有一定的局限性。

　　(2)基于傅立叶变换的谐波测量

　　伴随着数字技术和计算机技术的蓬勃发展，基于傅立叶变换理论的谐波测量法成为该领域应用范围最广的一种方法。该方法是将采样到的模拟信号离散化为数字序列信号后，然后将其通过计算机分析与计算，从而得到基波和各次谐波的幅值和相位以及其他相关信息。这种测量方法不但精度高，使用便捷，而且功能很多。但是相对而言，实时性较差，有一定的局限性，特别是针对一些非平稳的谐波信号时，该方法就有点捉襟见肘了。针对这些特殊信号，现在也有了许多种FFT的改进算法，比较典型的如加窗插值FFT算法等。

　　加窗函插值的方法对于由频谱泄漏以及栅栏效应引起的误差可以有所抑制。 但由于其频率窗的宽度不发生变化，在许多复杂信号的处理中的应用有局限性。加窗与双峰谱线插值的方法可以对异步采样和非整数周期截断造成的频谱泄漏进行改善，使其分析精度得到提高。与FFT方法比较，其优越性表现在使对相位检测精度得到显著提高，因而使得谐波分析、阻抗计算有了切实的依据;对于谐波、杂波及噪声的干扰能够起到很好的抑制作用，甚至对于幅值较小的偶次谐波，其各项参数也能准确算出。但是其缺点是计算量比较大。

　　自适应采样算法的采样周期根是据信号的频率来进行实时调整，从而确定下一采样周期。其优点为计算量较小，频谱泄漏的影响较小，精度和实时性也不错。缺点是动态性比较差。

　　(3)基于神经网络(Neural Network NN)的谐波分析方法

　　国内外应用NN进行谐波检测的相关研究文献在近些年迅速增加，并取得了一些应用成果，概括起来主要有两个方面：第一，将神经网络和自适应消噪技术相结合进行谐波检测;第二，通过构造多层前馈网络NN的电力系统谐波检测系统进行谐波测量。该检测方法的主要优点有：谐波检测精度不低于傅里叶法;计算量小，实时性好，可同时对任意整数次谐波进行实时检测;对于检测数据长度的敏感性低于傅里叶法并且抗干扰性好。然而，NN在实际谐波测量中还存在很多问题，特别是在整个系统的构造方法方面仍然不够完善，需要进一步规范其方法。

　　(4)基于小波变换的检测方法

　　小波变换(WaveletTransformation，WT)主要是针对非稳态信号发展起来的一种十分有效的时频分析工具。其克服了傅立叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，可以同时提取信号的时频特性，适用于非整次谐波和突变谐波的测量。虽然其在谐波检测方面并不能完全取代FFT，比如其在稳态信号分析方面并无优势，且理论与应用时间均较短，许多方面仍需要完善。

　　4 电力谐波的主要实现技术和装置

　　谐波作为一个衡量电能质量的重要指标，需要在电力系统日常工作时加以检测，以保证电网的运行安全，提高供电质量。伴随着谐波对象的的变化，相关技术的发展，电力谐波检测装置的发展也日新月异，其发展过程如下[2]：

　　(1)在上世纪30年代，面对初次出现的谐波问题，由于受到技术上的限制，只能利用录波图，对波形进行实测，然后通过人工计算对其进行傅里叶分析，整个过程效率极低，且成效不大。

　　(2)而在上世纪五十年代与八十年代之间，随着科技的进步，由于电力电子等相关技术的快速发展，使谐波源和谐波检测的分析方法都产生了新的变化，而检测装置也通过大量采用微电子技术，提高了检测水平，以应对新的挑战。虽然效率和精度都有了大幅提高，但由于在技术上仍然存在缺陷，对于谐波的相位并不能准确测出，而且装置调节也很繁琐。

　　(3)从八十年代末至今，伴随着计算机和集成电路技术的迅猛发展，使数字芯片能够很便捷的集成在电路当中，而且随着嵌入式系统的迅猛发展，单片机、DSP和ARM等芯片性能的不断提高，进行检测的仪器所具有的功能越来越强大，其自动化和智能化程度也越来越高，使谐波检测变得更加准确、方便和快捷成为了今后研究谐波测量装置的发展方向和目标。

　　5 发展趋势

　　由于电力系统日趋复杂化以及电能质量要求日益提高，谐波测量技术也在向纵深发展，主要发展趋势有[2]：

　　(1)谐波测量算法向复杂化、智能化发展;测量算法从直观的函数解析进入复杂的数值分析以及信号处理领域;谐波分析算法和谐波测量装置之间如何进行移植，针对非稳态信号的波形畸变，寻求新的数学方法来解决，如小波变换等方法，是人们今后关注的方向。

　　(2)由确定性的稳态谐波测量向随机条件下的快速动、暂态谐波进行实时跟踪的转变，是电力系统安全稳定运行深入发展的需要。而且由于非稳态谐波对于新型负载的影响很大，所以对于其相关研究的需求也很迫切。

　　(3)建立更为完善的功率定义和理论，将新理论和新方法应用于实际的谐波测量当中，提高检测水平，使其在精度和实时性方面都取得进一步突破。

　　(4)硬件设备的精度、速度和可靠性的快速发展，为实现高性能算法和实时控制奠定了基础，如研究多通道谐波分析仪和电能质量检测仪，将DSP等新技术应用其中，以更好的满足实际需要。

　　(5)谐波测量与实时分析、控制目标相结合，使测量与控制集成化、一体化，使谐波能够更加及时、快捷反应出来。

　　(6)研究谐波特性辨识方法，为高精度测量方法提供依据并总结出具有普遍适用性的方法。

　　参考文献

　　[1]汪秀丽.电力系统的谐波问题[J].水利电力科技，2006，32(2)：29-43

　　[2]亓学广,基于FFT和小波变换的电力系统谐波检测方法研究[D]:山东济南:山东科技大学,2007

　　[3]粟时平，郑小平，金维宇.电力系统谐波检测方法及其实现技术的发展[J].电气开关，2004(1)，33-37

　　[4]吉艳平，基于小波变换的电力谐波检测方法的研究[硕士论文]:湖南长沙：中南大学，2007

　　[5]V.Wagner, J.Balda.Effects of harmonics on equipment, Report of the IEEE Task Force on the Effects of Harmonics on Equipment. IEEE Transactions on power Delivery 1993, 8(2): 672-680

　　[6]J.Subjak, J.McQuilkin. Harmonics-causes, effeets, measurements, and analysis: an update. IEEE Transactions on Industry APPlications, 1990, 26(6): 1034-1042