葛少云，董佳霖，劉福潮，劉洪（.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津30007；.甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州730050）

配電網諧波治理降損效果實證方法

葛少云1，董佳霖1，劉福潮2，劉洪1
（1.天津大學智能電網教育部重點實驗室，天津300072；2.甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州730050）

針對配電網諧波治理前后的負荷水平不完全一致所導致的諧波治理真實節(jié)能效果無法量化的問題，以將諧波治理前后的負荷狀態(tài)化歸至同一水平為目標，提出了配電網諧波治理降損效果實證方法。首先對主要電力設備諧波損耗倍數進行原理分析；進而得到諧波損耗的數學模型，并給出了配電網諧波損耗與基波損耗的關系；最后將諧波治理前后的網絡基波損耗值化歸為同一基準，提出了諧波損耗折算值求解的方法，得到了諧波治理后的真實節(jié)能量，并通過算例驗證了本方法的實用性和有效性。

諧波損耗模型；諧波損耗倍數；諧波損耗量測；降損效果量化；折算值

電網作為電力輸送的主要載體，在發(fā)電、輸電、配電、用電等各個環(huán)節(jié)都應將節(jié)能降損作為工作的重心。配電環(huán)節(jié)由于其巨大的節(jié)能潛力，更是節(jié)能降損研究的重中之重[1]。如今大量非線性負荷的出現使電網的諧波污染問題日益嚴重。由于配電網與作為諧波源的各類非線性負荷處于同一電壓等級，因此配電網網絡總損耗受諧波損耗的影響最大，對于配電網降低諧波損耗的研究也就更為必要。

現階段市場上的各類濾波器已應用于諧波治理中，有效減小了配電網的諧波網絡損耗，而關于諧波治理對于降低諧波損耗量化解析的相關研究仍存在不足。文獻[2]提出一種利用疑似諧波注入節(jié)點的輔助網絡拓撲法分析網絡可觀性的方法，可用于量測點少或量測點分離等諧波狀態(tài)局部可觀電網的分析計算，但該方法只是對電網中的諧波狀態(tài)進行估計，并沒有給出諧波損耗的量測方法；文獻[3]以實際電網和實測數據為基礎，建立計算諧波損耗的簡易模型，提出了估算電網諧波損耗的方法，卻沒有關于諧波治理節(jié)能效果的量化研究。

本文以配電網為研究對象，在量測得到諧波治理前后的網絡諧波損耗和各高次諧波電流含有率的基礎上，通過對諧波損耗數學模型的分析，提出了配電網諧波治理降損效果實證的思路和方法。在對西北地區(qū)某用戶配電系統(tǒng)進行實際調研的基礎上，通過算例驗證了本方法的實用性和有效性。

1 配電網諧波損耗的數學模型

從電力設備的角度看，每類設備的損耗包含基波損耗和諧波損耗兩部分。研究表明，對于各類設備，諧波損耗是基波損耗的某附加倍數，并具有相同的形式[4]，即

式中：ΔAsx為某類設備的諧波損耗值；ΔAs1為某類設備的基波損耗值；n為諧波次數；HRIn為第n次諧波電流含有率，是第n次諧波電流與基波電流的比值，表示為In/I1；C1和C2為諧波損耗指數，不同設備、不同含義的附加損耗指數不同。從電力設備的角度看，網絡諧波損耗最終體現在電力設備的損耗上。由于變壓器和線路為配電網中的主要電力設備，因此重點研究變壓器和線路的諧波損耗倍數。變壓器和線路的諧波損耗倍數如表1所示。

表1 變壓器和線路的諧波損耗倍數Tab.1 Harmonic losses multiples oftransformers and lines

由表1可見，變壓器和線路的諧波損耗均與系統(tǒng)內各高次諧波電流含有率HRI密切相關，各高次諧波電流含有率HRI反映了各高次諧波的電流的相對大小，取決于配電系統(tǒng)內非線性負載設備的性能參數值[5]。

因此，可將配電網諧波損耗按照變壓器和線路不同的諧波損耗類型進行分解，即

式中：ΔAr為變壓器繞組基波損耗；ΔAc為變壓器鐵心磁滯基波損耗；ΔAw為變壓器鐵心渦流基波損耗；ΔAl為線路基波損耗。

設在基波總損耗中，變壓器繞組損耗、變壓器鐵心磁滯損耗、變壓器鐵心渦流損耗、線路損耗分別占基波總損耗的比例為a1、a2、a3、a4，其中a1、a2、a3、a4與所研究網絡的網架結構、變壓器參數、線路參數和負荷狀態(tài)等因素相關，代入式（2）可得到諧波損耗的數學模型為

2 諧波治理降損效果實證

2.1 諧波治理降損效果實證分析的思路

在進行諧波治理對電網降損效果實證前，需要先量測得到諧波治理前后的配電網諧波損耗值，分別設為ΔAx，bef和ΔAx，aft。由于諧波治理前后的典型量測日的配電網負荷狀態(tài)并不完全一樣，導致兩個典型量測日每對應時刻的網絡有功功率P、無功功率Q和網絡電壓U并不完全一致，故衡量諧波治理對電網降損的影響時，ΔAx，bef與ΔAx，aft不具備直接可比性，將負荷狀態(tài)不一致的因素排除后，分析諧波治理對網絡損耗降低的影響才具有實際意義。

若2個量測日的負荷狀態(tài)完全一致，在相同的網架結構下，這2個量測日中配電網的基波損耗值也應相同[6]。因此，將2個量測日的基波損耗值化歸至同一基準，在一定程度上即是將該2個典型量測日的負荷狀態(tài)化歸于同一水平。

2.2 諧波治理降損效果實證分析的方法

本方法在配電網諧波損耗量測與應用諧波損耗模型的基礎上，得到諧波治理前后的2個量測日的網絡基波損耗值。在選取基波損耗的基準值后，通過計算將基波損耗基準值折算為該基準值下對應的諧波損耗值，這是本方法的核心所在。將同一基波損耗基準值下的諧波損耗折算值和量測值進行比較，得到諧波治理為配電網節(jié)約的真實電量值，過程如下。

（1）選取配電網中某一負載率較高且所帶負荷主要是工業(yè)負荷等非線性負荷的配變，在該配變的高壓側裝設配變監(jiān)控終端（TTU），得到TTU在典型量測日內的基波電能和總電能。由于總電能與基波電能之差即為該配變下配電網絡的諧波損耗值[7-8]，由此可量測得到的諧波治理前后電網諧波損耗值ΔAx，bef和ΔAx，aft。

（2）在諧波治理前后的損耗量測同時通過TTU得到治理諧波前后的各次（通常研究5、7、11、13、17次）[9-10]諧波電流含有率HRIn，bef和HRIn，aft。同時，根據表1中變壓器繞組附加損耗、變壓器鐵心的磁滯附加損耗、變壓器鐵心的渦流附加損耗和線路導體附加損耗的公式，得到諧波治理前后諧波損耗倍數。

（3）設諧波治理前后變壓器繞組基波損耗分別為ΔAr，bef和ΔAr，aft，諧波治理前后變壓器鐵心的磁滯基波損耗分別為ΔAc，bef和ΔAc，aft，諧波治理前后變壓器鐵心的渦流基波損耗分別為ΔAw，bef和ΔAw，aft，諧波治理前后配電線路的基波損耗分別為ΔAl，bef和ΔAl，aft，諧波治理前后電網基波總損耗為ΔA1，bef和ΔAl，aft。則有

（4）根據式（4）、式（5）可求取ΔA1，bef和ΔA1，aft。由于ΔA1，bef和ΔA1，aft不同，所以需統(tǒng)一實證基準，將ΔA1，aft替換式（4）中的ΔA1，bef，計算得到電網諧波損耗折算值ΔAx，z。

（5）最后將同一基波損耗基準值下的諧波損耗折算值ΔAx，z和諧波損耗量測值ΔAx，aft進行比較，從而得到諧波治理所帶來的真實節(jié)能量。

3 算例分析

3.1 算例介紹

算例中，選取西北地區(qū)某用戶配電系統(tǒng)中負載率大于75%同時所帶負荷主要是工業(yè)等非線性負荷的某個10 kV配變，在其高壓側裝設TTU；同時選取2012-11第1周的周一和第2周的周一作為諧波治理前后的典型量測日，并通過實際調研獲得以下數據：在諧波治理前的典型量測日，TTU量測得到的基波電量值為1 153.3 kW·h，總電量值為1 181.4 kW·h，計算得到網絡諧波損耗值ΔAx，bef為28.1 kW·h；同時通過TTU的記錄，得到5、7、11、13、17次諧波的諧波電流含有率分別為14.1%、 8.5%、4.0%、3.6%、3.4%。

在諧波治理后的典型量測日，針對已選取的配變下所帶的負荷區(qū)域，選取該區(qū)域中非線性負荷集中的公共節(jié)點處裝設2臺SPA4-200 A/0.4系列的有源濾波器，量測得到的基波電量值為1 109.4 kW·h、總電量值為1 115.7 kW·h，得到網絡諧波損耗值ΔAx，aft為6.3 kW·h；同時通過TTU的記錄，得到5、7、11、13、17次諧波的諧波電流含有率分別為2.6%、2.8%、2.1%、1.8%、1.6%。

3.2 算例求解及結果

計算諧波治理前后主要電力設備諧波損耗倍數，如表2所示。

表2 諧波治理前后的電力設備諧波損耗倍數Tab.2 Harmonic losses multiples ofpower equipment before and after harmonic control

另外，根據西北該地區(qū)配電系統(tǒng)基波損耗歷史統(tǒng)計數據的分析可得到：在該地區(qū)基波總損耗中，變壓器繞組損耗、變壓器鐵心磁滯損耗、變壓器鐵心渦流損耗、線路損耗大約占該地區(qū)基波總損耗的比值分別為18.3%、9.6%、30.0%、42.1%。因此，將式（4）、式（5）進一步變形得

將量測得到的諧波治理前的諧波損耗值和表2中諧波治理前的諧波損耗倍數帶入式（6），得

同理，將諧波治理后量測得到的諧波損耗值和表2中諧波治理后的4種諧波損耗倍數帶入式（7）可得ΔA1，aft=71.8 kW·h。

以諧波治理后的網絡基波損耗值作為降損效果實證基準值，將ΔA1，aft=71.8 kW·h代入式（6）中，并結合表2中諧波治理前的數據，計算得到諧波損耗折算值ΔAx，z=36.9 kW·h。

最終在將負荷狀態(tài)統(tǒng)一至諧波治理后的水平后，可得到諧波治理后的真實節(jié)能電量為ΔAx，z-ΔAx，aft=30.6 kW·h。

綜上所述，諧波治理前后負荷狀態(tài)的統(tǒng)一是獲得諧波治理后真實節(jié)能電量的基礎。

4 結語

本文提出了配電網諧波治理降損效果實證的方法。該方法從諧波損耗模型出發(fā)，在前期獲得諧波治理前后網絡損耗值和各次諧波電流含有率的基礎上，通過理論推導得到了諧波損耗折算值的求取方案，為量化諧波治理的節(jié)能效果并得到采用諧波治理后配電網絡的真實節(jié)能量提供了理論依據。在對西北地區(qū)某用戶配電系統(tǒng)進行實際調研的基礎上，通過算例驗證了本降損效果實證方法的實用性和有效性。本方法將為國家節(jié)能減排工作提供技術支持，同時為國家電網公司節(jié)能服務體系建設提供有力支撐，預期將為國家?guī)砭薮蟮慕洕б婧蜕鐣б妗?/p>

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EmpiricalM ethod of Harmonic Control Loss Reduction Effect in Distribution Network

GE Shaoyun1，DONG Jialin1，LIU Fuchao2，LIU Hong1
（1.Key Laboratory of SmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Electric Power Research Institute ofGansu Province，Lanzhou 730050，China）

Real energy-saving effect cannot be quantified because of the different load levels before and after the distribution network harmonic control.This paper aims atmaking the load state before and after the harmonic control to be on the same level，and raises empirical method of the loss reduction effectwhich is caused by distribution network harmonic control.Firstly，the principle ofmajor electricalequipmentharmonic losses multiples is analyzed.Then，the mathematical model of harmonic losses and the relationship between the harmonic loss and fundamental loss is obtained.Finally，the fundamental loss before and after harmonic control is made to the same load level，and the method of the discounted value of the harmonic losses is raised，and the realenergy savings after the harmonic control is obtained.The practicality and effectiveness of the empiricalmethod is verified by an example.

harmonic loss model；harmonic losses multiples；harmonic loss measure；quantization of loss effect；converted value

TM711

A

1003-8930（2015）03-0001-04

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.03.01

葛少云（1964—），男，博士，教授，研究方向為城市電網規(guī)劃和配電系統(tǒng)自動化。Email：syge@tju.edu.cn

2013-09-02；

2013-12-16

國家自然科學基金項目（51107085）；國家電網公司科技項目（2012-103006）

董佳霖（1988—），男，碩士研究生，研究方向為電網節(jié)能降損效果。Email：dongjialin2288@126.com

劉福潮（1960—），男，博士，高工，研究方向為新能源并網、電力節(jié)能、電網安全管理。Email：liufc8127@sina.com