配电网的谐波及其测量

摘　要：从谐波的特点及性质出发，结合相关谐波标准，具体地分析了谐波测量的条件、监测点、测量间隔，以及测量数据的处理方法；阐述了谐波测量仪器的基本原理、功能和精度要求等，目的是对谐波的测量、监测与管理有一个较全面的认识，以利谐波的综合治理。
关键词：谐波；　谐波测量；　谐波数据处理
1 概述
        配电网中的高次谐波的治理已经成为我国电力环保工作的十分重要的内容之一。高次谐波有着显著的特点：①随机性的变化，即为小周期、短间隔的不规则性变化，反映出谐波为随机变量的特征；②规则性的变化，其大小随谐波源负荷的大小、系统运行方式等作大周期的变化。
        谐波测量对抑制谐波有着重要的指导作用：检定实际网络谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定；了解和掌握各种电力设备投运前、后相关系统的谐波水平及其变化、检验谐波对有关设备的影响；谐波故障和异常的原因测量，以找到应采取的相应对策；谐波专题测试还可以便于了解谐波源特性、系统谐波阻抗、谐波潮流分布和谐波放大现象等。
2 谐波国家标准的具体规定
2.1 测量条件
        国标GB／T14549－1993《电能质量·公用电网谐波》明确谐波测量应在最严重的条件下进行，即选择在电网正常供电时系统可能出现的最小运行方式，且在谐波源工作周期中产生的谐波量大的时段内进行，例如电弧炉应在熔化期、可控硅轧机应在轧钢大负荷期、电气化铁道应在电力机车集中的高峰期测量。
        当测量点附近安装有电容器组或存在其它谐波滤波器组时，有可能会产生某次谐波放大或谐振，应在电容器组，或滤波器组的各种运行组合的方式下进行测量。
        实际测量时，并不一定达到最严重的条件，例如测点附近有多个谐波源，系统在某些方式下会形成谐振等，可在多种方式和测量的基础上进行评价。
2.2 监测点和测试量
        原则上选取谐波源用户接入公用电网的公共连接点作为谐波的监测点、测量该点的谐波电压和谐波源用户注入公用电网的谐波电流，要求监测点的谐波水平必须符合谐波国家标准的规定。谐波电压和谐波电流的谐波次数一般测量第2～19次，但根据谐波源的特点和测试分析结果，可以适当变动谐波次数测量的范围，前者用含有率（％）表示，后者用有效值（A）表示；标准还规定，谐波电压必须测取总谐波畸变率THDu（％）。
2.3 测量间隔和持续时间
        对于负荷变化快的谐波源（例如：炼钢电弧炉、晶闸管变流设备供电的轧机、电力机车等），测量的间隔时间不大于2min，测量次数应满足数理统计的要求，一般不小于30次，以使测量值平均数的分布接近于正态分布所需的最低样本数。
        
        对于负荷变化慢的谐波源（例如：化工整流器、直流输电换流站等），测量间隔和持续时间不作规定。
        为了区别暂态现象和谐波，对于负荷变化快的谐波，每次测量结果可为3s内所测得的平均值。推荐采用下式计算：

        式（1）中，Unk为3s内第k次测得的n次谐波的方均根值；m为3s内取得均匀间隔的测量次数，m≥6。
        式（1）的值即可作为持续测量过程中的一次谐波测量值。
2.4 测量数据的处理及谐波水平值的确定
        由于谐波源的多样性和多变性，数据处理必须根据对象有所区别，在测量时段内所测得的各测量值均为随机变量，应按统计的方法确定其谐波水平。标准规定：取测量时段内各相持续测量过程中实测值的95％概率值，并取三相中最大一相的值，作为该测试时段的谐波水平值，并以此作为判断谐波是否超标的依据。为了实用方便，实测值的95％概率值可近似按实测值由大到小的顺序排列，舍弃前面5％个大值，取剩余实测值中的最大值。
        但对负荷变化慢的谐波源，可选五个接近的实测值，取其算术平均值作为谐波水平值。
3 IEC对谐波测量方法的规定
        国际电工委员会（IEC）标准的规定，把谐波按其波动快慢和性质分为四类：
（1）准稳态（慢变化）谐波；
（2）波动谐波；
（3）快速变化谐波；
（4）间谐波（interharmonics）及其它虚拟部分。
        标准中规定的谐波主要指前三类。该文件中对不同波动性质的谐波测量间隔，即测量时段及由测量值确定谐波值的方法提出如下建议：
                  （1）很短间隔：Tvs＝3s；
                  （2）短间隔：Tsh＝10min；
                  （3）长间隔：TL＝1h；
                  （4）日间隔：Td＝24h；
                  （5）周间隔：Tw＝7d
        第（1）种很短间隔测量的谐波取值、对于产生瞬时影响的波动和快速变化的谐波，取　　Tvs＝3s中各点测量值中的最大值，对于产生长期影响的谐波，取3s中各点测量值的均方根值作为各次谐波的评估值。对于后四种间隔的测量，一般采用对实测数据按累积概率P作统计计算，P为谐波取值不超过某一给定值的百分数。根据不同的波动和影响情况，可用测量间隔内每个Tvs＝3s内的测量值确定的最大值或均方根值，再取不超过概率P的最大值，第（2）、（3）种测量的P值选取为P＝1％、（10％）、50％、（90％）、95％、99％，第（4）、（5）种测量的P值至少选取为95％和99％，测量统计数据至少为100个。
4 谐波测量与监测仪器
        数字式谐波分析仪是已广泛应用于实际的在线谐波测量、分析谐波分布的重要工具，它是利用离散傅立叶级数（DFT），或由离散傅立叶变换过渡到傅立叶变换（FFT）的基本原理构成。模拟信号经采样、离散化为数字序列信号后，经微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗、以及对谐波进行各种统计处理和分析，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。仪器精度较高，功能较多，使用方便。
        由于微机芯片的性能不断提高，利用FFT原理、多通道输入的谐波分析仪渐已取代其它的分析仪，国产比较典型的是GXF－908A多功能电力谐波分析仪，该仪器采用了较先进的MCS－8098单片计算机，使运算速度较快，实时性较强；能实现三相电压和三相电流共六路信号同步采样；可以显示或输出三相2～39次谐波含有率、电压畸变率、相位关系，及谐波功率和阻抗等；可绘出被测信号波形，谐波直方图和变化曲线，并可以从多次测量值中筛选出前五个大值；每次测量结果可以为一个周期或3s平均值等，以适应国标的要求。
        对谐波进行长期的监测，可以用功能较简单、造价较低、体积较小而又能作为常规仪表接入电网的谐波检测仪，如谐波功率计，谐波电压、电流，谐波监测仪和报警器等。
5 测量仪器的功能和精度
        测量仪器的功能至少应满足谐波国家标准的要求，基本测试量为谐波电压和谐波电流。仪器的测量通道应能同时测取三相量，并具有国标要求的统计功能。

谐波测量仪器应具有一定的精度及满足系统现场使用的工作条件。国家标准采用了国际电工委员会（IEC）关于谐波测量和仪器的通用导则。该导则规定了用于谐波测量仪器的主要性能、准确度要求和对不同波动性质的谐波的测量方法，并总结了TV和TA谐波测量的误差等，表1列出了仪器的最大允许误差。
                  

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在表1中所给的条件下，同一仪器的绝对允许误差较相对允许误差为大，即对较小谐波量的测量，允许精度较低。而B级仪器比A级仪器对应的允许误差较大，精度较低。
        A级仪器用于较精确的测量，其频率测量范围为0～2500Hz，仪器的相角测量误差不大于±5°（各次）或±1°·h，B级仪器供一般性的测量或监测使用，主要用于测量谐波大小，相角精度不作规定。仪器应保证在额定电压±15％波动范围内，电压总畸变率不超过8％条件下正常工作。
6 结语
        电网谐波管理的依据是国家颁发的《电力法》、《电力供应与使用条例》、《电能质量·公用电网谐波》及电力部门制定的相关法规、条例。对电网的谐波测量和检测有利于谐波的管理，从测量的实际值帮助我们分析和寻找电网谐波电压超标的原因，对有关谐波源和电容器采取针对性的措施。当存有谐波源的电网新增电容补偿设计时，还应核算谐波谐振或放大的可能性，投运前后在系统和电容器组的各种运行方式下进行谐波监测。
参考文献
［1］电能质量·公用电网谐波　GB／T14549－1993［S］
［2］吕润.电力系统高次谐波［M］.中国电力出版社，1998年5月
［3］孙树勤，林海雪.干扰性负荷的供电［M］，中国电力出版社，1996年12月