吳瑾櫻陳錦植蘇文博

（1. 福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州　350116；2. 國(guó)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?cè)炊ㄎ粩?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(dòng)化學(xué)院，福州350116；2. 國(guó)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(huì)降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量，因此定位電力系統(tǒng)中的閃變?cè)矗瑒澐蛛娏ο到y(tǒng)中系統(tǒng)側(cè)與用戶(hù)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(píng)估的基本原理，以及其它識(shí)別閃變的工程方法，以PSCAD為平臺(tái)搭建仿真模型，結(jié)合Matlab編程實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)中的閃變?cè)炊ㄎ?。?duì)各種定位方法的結(jié)果及各自的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出這些方法在不同工況下各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。

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(xiàn)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(huì)影響用戶(hù)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(duì)照度的視覺(jué)反映，長(zhǎng)時(shí)間閃變影響人的正常工作和生活，而且會(huì)進(jìn)一步引起電網(wǎng)更大范圍的電壓質(zhì)量問(wèn)題[2]。閃變儀檢測(cè)到的是公共連接點(diǎn)的電壓閃變強(qiáng)度，這是背景干擾與多個(gè)負(fù)荷共同作用的結(jié)果，單純檢測(cè)電壓閃變不能直接判斷閃變干擾的來(lái)源[3]。因此通過(guò)公共連接點(diǎn)的測(cè)量，尋找出準(zhǔn)確、實(shí)用的對(duì)配電網(wǎng)閃變?cè)炊ㄎ坏姆椒?，并確定公共連接點(diǎn)閃變污染責(zé)任的指標(biāo)具有重要意義。

本文重點(diǎn)分析了有功功率流向法和注入水平評(píng)估法的基本原理，并介紹了其他閃變?cè)醋R(shí)別的方法。利用PSCAD仿真軟件建立波動(dòng)負(fù)荷仿真模型，通過(guò)Matlab計(jì)算波動(dòng)功率和注入水平指標(biāo)，比較各結(jié)果的符號(hào)或大小進(jìn)行全網(wǎng)閃變?cè)炊ㄎ?。最后以IEEE-33節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)模型中接入波動(dòng)負(fù)荷為例，結(jié)合兩種方法進(jìn)行定位，驗(yàn)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(shí)別閃變?cè)?/p>

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(hào)；A、ωc為工頻幅值和角頻率。

若電網(wǎng)中出現(xiàn)關(guān)于50Hz對(duì)稱(chēng)的成對(duì)的間諧波，可以通過(guò)計(jì)算間諧波功率的符號(hào)在整個(gè)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(shí)，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(jiàn)表1。

圖1　基波功率參考方向

表1　試樣說(shuō)明

1.2電壓電流比率法

普通負(fù)荷在運(yùn)行過(guò)程中電壓和電流均保持正弦，閃變干擾使得波形畸變，通過(guò)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(lái)源。

圖2　等效電路

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

在PCC點(diǎn)處計(jì)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(jì)算。

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

1.3電壓電流相關(guān)系數(shù)法

對(duì)于電壓電流信號(hào)，可通過(guò)用戶(hù)電壓電流測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算式為

式中，uk、ik分別為信號(hào)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(hù)危害評(píng)估

干擾用戶(hù)的閃變危害評(píng)估以公共連接點(diǎn)的電壓、電流測(cè)量參數(shù)為觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)估單個(gè)用戶(hù)可能對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成的影響[7]。

圖3　評(píng)估場(chǎng)景

利用動(dòng)態(tài)相量法將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為相量的形式，可以避免微分方程的繁瑣計(jì)算。對(duì)式（7）先后以工頻、閃變頻率為基頻計(jì)算一階動(dòng)態(tài)相量[8]，得到：

IEC 61000-4-15[9]標(biāo)準(zhǔn)提供了對(duì)應(yīng)瞬時(shí)閃變視感度S(t)=1的正弦電壓波動(dòng)值。因此從式（8）可計(jì)算各個(gè)用戶(hù)單獨(dú)接入系統(tǒng)造成的危害值，逐個(gè)比較危害值的大小，可以對(duì)配網(wǎng)的干擾源進(jìn)行定位。

2　閃變?cè)炊ㄎ坏臄?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(guò)程。本文利用PSCAD搭建含閃變干擾負(fù)荷的簡(jiǎn)單電力系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)PCC點(diǎn)的電壓、電流數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)閃變?cè)吹亩ㄎ?。?duì)于較為復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，如閃變注入水平評(píng)估所用的動(dòng)態(tài)相量法，則采用Matlab實(shí)現(xiàn)。

2.1檢測(cè)元件建模

在PSCAD中建立基于間諧波功率的閃變?cè)醋R(shí)別方法的檢測(cè)模型，如圖4所示。該檢測(cè)模型分為兩部分實(shí)現(xiàn)：第一部分實(shí)現(xiàn)間諧波檢測(cè)，如圖4（a）所示，通過(guò)FFT元件實(shí)現(xiàn)，分析檢測(cè)結(jié)果，選擇含量最大的間諧波頻率作為計(jì)算間諧波功率的頻率；第二部分實(shí)現(xiàn)間諧波功率計(jì)算，如圖4（b）所示，從第一部分的檢測(cè)結(jié)果中取得間諧波電壓、電流的幅值和相角計(jì)算間諧波功率。該檢測(cè)模型需要對(duì)每一條支路計(jì)算其間諧波功率，比較其大小，大的為閃變?cè)粗贰?/p>

圖4　基于間諧波功率的閃變?cè)醋R(shí)別方法

在PSCAD中建立電壓電流比率法的檢測(cè)模型，如圖5所示。該模型首先計(jì)算電壓、電流的有效值，此后利用延時(shí)元件計(jì)算電壓（或電流）信號(hào)在一定時(shí)間間隔內(nèi)的變化量，結(jié)果為一序列數(shù)值點(diǎn)，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(duì)每一條支路的電壓、電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都進(jìn)行計(jì)算，對(duì)照表1分析計(jì)算結(jié)果，即可實(shí)現(xiàn)閃變?cè)吹亩ㄎ弧?/p>

圖5　電壓電流比率法檢測(cè)模型

由于電壓電流相關(guān)系數(shù)法和閃變干擾用戶(hù)危害評(píng)估的方法需要進(jìn)行較為復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算，因?yàn)楸疚睦肕atlab軟件實(shí)現(xiàn)其計(jì)算過(guò)程。

2.2簡(jiǎn)單工況

在PSCAD軟件中搭建10kV簡(jiǎn)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(guò)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(hù)側(cè)建模時(shí)，恒定負(fù)荷可以等效為串聯(lián)阻抗的形式，而對(duì)于具有波動(dòng)性的負(fù)荷，可以用時(shí)變電阻和時(shí)變電感來(lái)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(hào)負(fù)荷功率：S1=3×(1+0.1cos(2πf1t))；

2號(hào)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(hào)負(fù)荷均含有波動(dòng)分量，其波動(dòng)頻率分別為fs、f1、f2。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)量為PCC點(diǎn)的電壓和各條支路的電流，通過(guò)電壓、電流監(jiān)測(cè)量可以計(jì)算波動(dòng)功率和比率，也可以檢測(cè)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(jì)算用戶(hù)的干擾評(píng)估指標(biāo)。

圖6　仿真模型

仿真時(shí)，通過(guò)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?cè)吹奈恢玫?。本文設(shè)置了以下4種運(yùn)行工況：

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

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

2.3IEEE-33節(jié)點(diǎn)算例

在PSCAD中對(duì)圖7所示的IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

圖7　IEEE-33節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)

設(shè)定l1、l2為節(jié)點(diǎn)7、19接入的兩個(gè)波動(dòng)負(fù)荷，如圖7所示。其中，線(xiàn)路l1流過(guò)的功率大小為：Sl1=10×(1+0.1cos(2πfl1t))；線(xiàn)路l2流過(guò)的功率大?。篠l2=10×(1+0.1cos(2πfl2t))，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行閃變?cè)炊ㄎ弧?/p>

3　仿真結(jié)果分析

3.1簡(jiǎn)單工況的定位仿真分析

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

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

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

表2　計(jì)算結(jié)果

圖8　比率法計(jì)算結(jié)果

表3　計(jì)算結(jié)果

圖9　比率法計(jì)算結(jié)果

表4　計(jì)算結(jié)果

圖10　比率法計(jì)算結(jié)果

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

表5　計(jì)算結(jié)果

以上分別列出了采用4種方法進(jìn)行閃變?cè)炊ㄎ坏姆治鲇?jì)算結(jié)果。以算例1為例說(shuō)明：從表2可以看出，成對(duì)的間諧波功率的符號(hào)全為正，由此可以得出系統(tǒng)側(cè)存在閃變?cè)础SCAD計(jì)算得到的電壓電流比率計(jì)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(diǎn)上存在比率值小于0情況，“電壓有效值-電流有效值”曲線(xiàn)如圖8（b）所示，觀(guān)察該曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn)在部分點(diǎn)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(shì)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?cè)础?/p>

圖11　比率法計(jì)算結(jié)果

3種方法顯示的干擾源和實(shí)際設(shè)置一致，從而驗(yàn)證了各種方法用來(lái)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(shí)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(gè)用戶(hù)和系統(tǒng)的危害值，哪條出線(xiàn)側(cè)的危害值大，就沿著該出線(xiàn)繼續(xù)評(píng)估。但是從表中也能看見(jiàn)，由于電流之間的關(guān)聯(lián)性，危害評(píng)估值會(huì)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(lái)于系統(tǒng)側(cè)還是負(fù)荷側(cè)。對(duì)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(diǎn)系統(tǒng)定位分析

當(dāng)波動(dòng)頻率fl1=10Hz，fl2=20Hz時(shí)，仿真結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　計(jì)算結(jié)果

在IEEE-33節(jié)點(diǎn)模型中，從表6可以看出，20Hz調(diào)幅波所對(duì)應(yīng)頻率成分的間諧波功率在線(xiàn)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(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2號(hào)節(jié)點(diǎn)的兩條出線(xiàn)側(cè)存在閃變干擾，比較注入水平沿出線(xiàn)繼續(xù)尋找干擾源，在19號(hào)節(jié)點(diǎn)上發(fā)現(xiàn)l1閃變干擾最為嚴(yán)重，但是線(xiàn)路19-20也被判定存在輕微干擾，從定位結(jié)果來(lái)看，兩種方法在結(jié)果上與PSCAD仿真實(shí)驗(yàn)所提供的情況相吻合，由此也驗(yàn)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?cè)炊ㄎ缓妥R(shí)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(lái)判斷閃變?cè)吹奈恢?，通過(guò)注入水平評(píng)估來(lái)比較各個(gè)出線(xiàn)側(cè)的閃變情況，從而實(shí)現(xiàn)定位。通過(guò)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(xiě)閃變?cè)炊ㄎ坏姆治龀绦?，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證以上所提方法的正確性和存在的問(wèn)題。

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吳瑾櫻（1991-），女，福建省三明市人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娔苜|(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(jiǎn)介