劉森，黃畢堯，王聰，李建岐

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京100083；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京102209）

0 引 言

近些年大量的電力電子設(shè)備投入到電力的發(fā)、輸、配等各個(gè)環(huán)節(jié)，家用設(shè)備中電力電子產(chǎn)品數(shù)量和種類(lèi)更是不勝枚舉［1-3］。隨著國(guó)家對(duì)新能源汽車(chē)的補(bǔ)貼不斷加大，充電樁接入配電網(wǎng)數(shù)量逐漸增大，它們都要經(jīng)過(guò)電力電子電路從公用電網(wǎng)取電，同時(shí)多種分布式發(fā)電和儲(chǔ)能裝置接入公共電網(wǎng)中，將給配電網(wǎng)帶來(lái)新的電能質(zhì)量問(wèn)題［2，4］。

電能質(zhì)量的研究包括電能質(zhì)量指標(biāo)、電能質(zhì)量擾動(dòng)分析、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與評(píng)估、電能質(zhì)量問(wèn)題治理等方面［5-6］，近幾年研究者更多關(guān)注分布式電源接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析［7］。諧波作為電能質(zhì)量領(lǐng)域的重要部分，2 kHz以下的諧波的產(chǎn)生、抑制、影響已經(jīng)有了比較清晰的認(rèn)識(shí)［8］，但是對(duì)于系統(tǒng)電壓或電流中2 kHz以上頻率分量的研究相對(duì)較少。外國(guó)學(xué)者Anders Larsson及其團(tuán)隊(duì)成員對(duì)2 kHz以上頻率電壓或電流分量的研究取得了一些成果，主要在它的產(chǎn)生、傳播、測(cè)量、以及潛在的危害等方面。面向未來(lái)的分布式配電網(wǎng)中高頻失真會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)危害，2 kHz～150 kHz頻段內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)還有待完善［9-10］。

電流或電壓中頻率為2 kHz～150 kHz的分量也被叫做超級(jí)諧波＂Supraharmonics＂，它第一次被提及是在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）電力能源學(xué)會(huì)（Power＆Energy Society）2013年學(xué)術(shù)年會(huì)上［11］，它特指電路中2 kHz～150 kHz的傳導(dǎo)干擾，在之后的文獻(xiàn)中基本采用了這個(gè)名稱(chēng)［12-13］。

文章主要概述超級(jí)諧波的來(lái)源、特征、影響以及超級(jí)諧波的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并用簡(jiǎn)單的仿真驗(yàn)證了電力電子變換器與超級(jí)諧波緊密的聯(lián)系，總結(jié)了超級(jí)諧波在電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，最后給出結(jié)論和建議。

1 超級(jí)諧波的來(lái)源

1.1 用電設(shè)備產(chǎn)生超級(jí)諧波分析

超級(jí)諧波被廣泛認(rèn)為是電力電子變換器開(kāi)關(guān)頻率帶來(lái)的產(chǎn)物，電力電子器件在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)伴隨較高的 d v／d t和 d i／d t，對(duì)于大功率設(shè)備，它們的開(kāi)關(guān)頻率可以低至1 kHz以下，但是很多設(shè)備中變換器的開(kāi)關(guān)頻率范圍在2 kHz～150 kHz之間。雖然目前還沒(méi)有對(duì)各種設(shè)備中變換器的開(kāi)關(guān)頻率的概述，但是生活中變頻空調(diào)、熒光燈、微波爐等用電器中的變換器工作在40 kHz～50 kHz的功耗設(shè)備是很常見(jiàn)的。在Matlab／Simulink中PWM逆變器設(shè)置開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz，仿真后在10 kHz處可見(jiàn)較大的諧波分量，如圖1電流頻譜所示。

圖1 PWM逆變器電流頻譜Fig.1 Current spectrum of PWM inverter

文獻(xiàn)［14-16］分別探究了以雙向可控硅為主控器件的調(diào)光器、新型充電樁、分布式電源并網(wǎng)的高頻諧波，因?yàn)殡娏﹄娮幼儞Q器存在非線(xiàn)性器件以及PWM控制策略等原因，往往在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間產(chǎn)生不可避免的干擾，甚至存在影響其它設(shè)備工作的可能性。文獻(xiàn)［17-21］對(duì)計(jì)算機(jī)、LED、太陽(yáng)能發(fā)電等裝置產(chǎn)生的諧波在實(shí)驗(yàn)環(huán)境或者現(xiàn)場(chǎng)做了相關(guān)測(cè)試，并發(fā)現(xiàn)以大型寫(xiě)字樓、商業(yè)辦公樓為代表的建筑內(nèi)，某些頻段電流高頻分量含量非常大。眾所周知，單個(gè)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，它們發(fā)射出來(lái)的高頻諧波含量較少；當(dāng)大量多類(lèi)型設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)，諧波的疊加并非簡(jiǎn)單的線(xiàn)性相加或相減，諧波累加是矢量和，累計(jì)效應(yīng)可能是相互助漲，也可能相互削弱，因此，Anders Larsson博士對(duì)48盞日光燈在只開(kāi)1盞、2盞……48盞的情況下發(fā)射的超級(jí)諧波進(jìn)行了具體多次測(cè)量分析并指出：在27.4 kHz～29.2 kHz頻段，隨著日光燈數(shù)量增多，高頻諧波電流減少，但是在2或者3盞燈同時(shí)工作時(shí)超級(jí)諧波發(fā)射量最大，然后，隨著日光燈數(shù)量增加，超級(jí)諧波逐漸變小，15盞后超級(jí)諧波基本保持不變［21］。但是在大型寫(xiě)字樓、商業(yè)辦公樓等場(chǎng)合，具有負(fù)荷多樣性，工作狀態(tài)復(fù)雜性等特點(diǎn)，超級(jí)諧波在何種情況下發(fā)射量最大，如何配置用電器使超級(jí)諧波發(fā)射量小等研究還不夠明確。

此外，設(shè)備自身的檢測(cè)和控制一直受周?chē)姶怒h(huán)境影響，就難以保證其輸出、控制中就會(huì)伴隨高次諧波。

1.2 電力線(xiàn)載波產(chǎn)生超級(jí)諧波

目前，智能電網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中部署和應(yīng)用了愈來(lái)愈多的智能電能表，在中國(guó)、歐洲等智能電能表采用的通信技術(shù)主要是電力線(xiàn)載波通信（PLC，Power Line Communication），其中歐洲電力線(xiàn)載波通信在標(biāo)準(zhǔn)EN 50065-1中規(guī)定：在低壓網(wǎng)絡(luò)中，電力線(xiàn)載波通信頻率范圍為3 kHz到148.5 kHz。主要指標(biāo)規(guī)定如表1和表2所示。

表1 歐洲PLC子帶規(guī)定Tab.1 PLC subband in Europe

表2 歐洲PLC子帶發(fā)射限值Tab.2 PLC subband emission limits in Europe

最新修訂的低壓窄帶電力線(xiàn)通信國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)第一部分（GB／T 31983.11-2015）也有部分關(guān)于超級(jí)諧波頻段的輸出信號(hào)電平限值。雖然低壓電力線(xiàn)窄帶載波通信載波信號(hào)頻率范圍應(yīng)為3 kHz～500 kHz，但國(guó)標(biāo)中仍然建議優(yōu)先選擇IEC 61000-3-8規(guī)定的電力部門(mén)專(zhuān)用頻帶9 kHz～95 kHz。其中低壓電力線(xiàn)窄帶載波通信的輸出信號(hào)電平限值如表3所示。

表3 輸出信號(hào)電平限值Tab.3 Limits of output signal level

我國(guó)電力線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輸出電平限值比較相近，都還在不斷推進(jìn)中，標(biāo)準(zhǔn)中尚沒(méi)有對(duì)超級(jí)諧波相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行規(guī)范。所以在超級(jí)諧波的范圍之內(nèi)為實(shí)現(xiàn)精益化管理、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作有待開(kāi)展。設(shè)備自身的檢測(cè)和控制一直受周?chē)姶怒h(huán)境影響，就難以保證其輸出、控制中就會(huì)伴隨高次諧波。

2 超級(jí)諧波新特征

超級(jí)諧波有別于諧波，主要體現(xiàn)在：超級(jí)諧波包含2 kHz～150 kHz頻段內(nèi)的所有頻率的電量，與基波沒(méi)有直接關(guān)系；而國(guó)際電工委員會(huì)對(duì)諧波的定義是：諧波分量的傅里葉級(jí)數(shù)中大于1的n次分量，n是諧波頻率與基波頻率之比的整數(shù)。

研究證明，超級(jí)諧波與普通諧波傳輸、擴(kuò)散不同，它的發(fā)射包含原生發(fā)射和次生發(fā)射兩種，原生發(fā)射表示非線(xiàn)性設(shè)備自身的諧波發(fā)射，次生發(fā)射表示背景諧波引起的設(shè)備諧波發(fā)射，超級(jí)諧波頻率范圍內(nèi)的干擾電流主要在終端設(shè)備之間流動(dòng)，只有很小一部分流向電網(wǎng)［18-19］。

量化電力設(shè)備連接處的諧波電流，研究清楚諧波的原生發(fā)射和次生發(fā)射是必要的。文獻(xiàn)［22］中電器的簡(jiǎn)化模型已被引入來(lái)研究熒光燈、計(jì)算機(jī)等多臺(tái)設(shè)備同時(shí)工作的高頻發(fā)射量-一個(gè)電流源并聯(lián)一個(gè)電容器，通過(guò)該模型搭建含有熒光燈設(shè)備集群的仿真，對(duì)比相角、諧波數(shù)據(jù)看出結(jié)果更加精確預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)中的高頻諧波，驗(yàn)證了高頻諧波的排放與周?chē)O(shè)備有密切關(guān)系。影響原生發(fā)射的主要因素有：裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，連接點(diǎn)的阻抗，諧振。影響次生發(fā)射的主要因素有：鄰近裝置的發(fā)射強(qiáng)度，裝置連接點(diǎn)阻抗和網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)施阻抗的關(guān)系。文獻(xiàn)［23］中發(fā)現(xiàn)從電網(wǎng)側(cè)的分析超級(jí)諧波，系統(tǒng)的阻抗非常低，所以大多數(shù)干擾的次生發(fā)射是不應(yīng)該忽略的，在很多場(chǎng)合次生發(fā)射的頻率沖激不僅要考慮單個(gè)設(shè)備，更多的是考慮大量多種設(shè)備的工況，而且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)終端設(shè)備的連接不但對(duì)超級(jí)諧波電流的傳播有很大的影響，而且其原生發(fā)射電平的高低也被證實(shí)依賴(lài)于相鄰設(shè)備的存在。

3 超級(jí)諧波的影響

3.1 對(duì)設(shè)備的影響

3.1.1 增加諧振的可能性

文獻(xiàn)［24-25］依靠大量的測(cè)量與理論論證，針對(duì)實(shí)際運(yùn)行的變換器情況分析了系統(tǒng)中高頻諧振現(xiàn)象發(fā)生的可能性，因?yàn)榇?lián)諧振或者并聯(lián)諧振對(duì)變換器乃至部分系統(tǒng)都是毀滅性的。文獻(xiàn)［26］在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下測(cè)試出電流高頻分量加快絕緣材料的降解，尤其是中壓設(shè)備的老化現(xiàn)象并猜測(cè)其原因可能是高頻震蕩的存在。文獻(xiàn)［27］基于瑞士日內(nèi)瓦市內(nèi)變壓器過(guò)早老化問(wèn)題，從理論上還有實(shí)際數(shù)據(jù)分析了運(yùn)行的電力系統(tǒng)中150 kHz以下的短暫干擾的存在是變壓器過(guò)早損壞的原因。

3.1.2 電容電流的驟升

普遍認(rèn)為高頻電流、電壓分量在電網(wǎng)中傳播不遠(yuǎn)，因?yàn)榫€(xiàn)路中存在很多比電網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)低很多的阻抗通路，其中EMC并聯(lián)電容器是構(gòu)成通路的主要成分。仿真結(jié)果表明［28］，高含量的超級(jí)諧波干擾對(duì)電解電容壽命非常不利，由式（1）易知，高頻電量使流經(jīng)電容的電流升高。

式中IC指流經(jīng)電容的電流分量；f指流經(jīng)電容電流的頻率；C指電容值；UC指電容兩端的電壓分量。

據(jù)《中國(guó)電力》雜志不完全統(tǒng)計(jì)，1999年至2004年由于＂電網(wǎng)垃圾＂的影響導(dǎo)致電容器爆炸的事故共計(jì)1985起［29］。近些年雖然缺少干擾事件造成設(shè)備損壞的詳細(xì)統(tǒng)計(jì)，但是形勢(shì)更加令人堪憂(yōu)，電容發(fā)熱更加顯著，升高的電流又增加了系統(tǒng)的功率損耗，危害更大的尖峰脈沖易使電容器介質(zhì)局部放電，更加速電容器老化，而常用的鋁電解電容工作溫度升高7℃～10℃，電容的壽命就會(huì)降低一半［30］。文獻(xiàn)［12，31］研究表明在緊湊型熒光燈（CFL，Compact Fluorescent Lamp）基波供電中加入一定高頻成分時(shí)，會(huì)有電流升高的可能，這種節(jié)能燈的基本拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 節(jié)能燈的基本拓?fù)銯ig.2 Basic topology of energy-saving lamps

例如，在滿(mǎn)足諧波標(biāo)準(zhǔn)的前提下，在基波中加入某些頻率的電壓量，當(dāng)混入一定量的1 kHz～5 kHz電壓成分時(shí)，節(jié)能燈的電流最大，且達(dá)到僅僅基波電壓供電電流的1.9倍；在熱效應(yīng)方面，在正弦電壓基波上疊加3.5 kHz電壓分量，并使其滿(mǎn)足式（2），Vrms50指輸入端的基波電壓有效值，Vrms3500指輸入端的3.5 kHz電壓有效值。

在持續(xù)工作一個(gè)小時(shí)后，僅僅基波電壓供電的直流側(cè)電容溫度為52.8℃，整流二極管溫度為76.4℃；然而，加入3.5 kHz諧波電壓后供電的直流測(cè)電容溫度為57.2℃，整流二極管溫度為80.1℃。可見(jiàn)，超級(jí)諧波對(duì)設(shè)備中部分器件的溫度提高有顯著影響。

3.1.3 使設(shè)備工作失常

因?yàn)镻LC信號(hào)在超級(jí)諧波的頻率范圍，文獻(xiàn)［31］在實(shí)驗(yàn)室中搭建平臺(tái)，用不連續(xù)的突發(fā)高頻信號(hào)模擬PLC信號(hào)，驗(yàn)證PLC信號(hào)能否影響實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的兩個(gè)觸摸調(diào)光燈，通過(guò)觀察觸摸調(diào)光燈的亮度變化判斷是否受到PLC信號(hào)的影響，測(cè)量結(jié)果表明觸摸調(diào)光燈會(huì)被注入的突發(fā)信號(hào)影響，這意味著，有些設(shè)備將遭受干擾，即使他們遠(yuǎn)離使用的電力線(xiàn)載波通信設(shè)備。文獻(xiàn)［32］基于PLC與終端設(shè)備之間的多種干擾實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，猜測(cè)9 kHz～95 kHz傳導(dǎo)干擾可能損壞連接到電網(wǎng)的設(shè)備。

總之，工況生活中大量存在的整流模塊、逆變器模塊、變頻器等，不斷向電網(wǎng)或者在其周?chē)》秶鷥?nèi)釋放大量的超級(jí)諧波，在低壓配電系統(tǒng)中會(huì)因周?chē)娏W(wǎng)絡(luò)的相互作用使高頻電流分量變得愈加復(fù)雜，諧振的多發(fā)，不正常的溫升等加快設(shè)備的老化。未來(lái)分布式電源、儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車(chē)等廣泛布置在配電網(wǎng)中，這些設(shè)備均采用電力電子變換器與電網(wǎng)連接，并具有源特征，其發(fā)展必然增加更多的超級(jí)諧波，需要提前開(kāi)展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。

3.2 對(duì)載波通信的影響

中國(guó)和歐洲許多國(guó)家等持續(xù)部署智能電能表，大量的這些電能表將利用電力線(xiàn)通信來(lái)傳輸電表讀數(shù)。電力線(xiàn)通信將只用于電能表和靠近配電變壓器的接收機(jī)之間這段距離來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。電力線(xiàn)通信是有意注入電網(wǎng)用于通信的信號(hào)，所以電網(wǎng)中設(shè)備應(yīng)具備對(duì)PLC信號(hào)的免疫水平，客戶(hù)設(shè)備的存在也應(yīng)不妨礙通信成功。

然而目前配電網(wǎng)絡(luò)中存在著大量干擾信號(hào)，可能影響PLC的準(zhǔn)確傳輸。由于有些末端設(shè)備并聯(lián)電容（整流器、逆變器等），很有可能給PLC信號(hào)提供低阻抗回路導(dǎo)致失真；載波設(shè)備發(fā)出的信號(hào)也可能損害配電網(wǎng)的設(shè)備，文獻(xiàn)［33］從低壓配電網(wǎng)絡(luò)、負(fù)荷、電力設(shè)備等方面總結(jié)了影響電力線(xiàn)載波通信質(zhì)量的潛在原因；文獻(xiàn)［32，34］在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中探究了不連續(xù)的突發(fā)高頻信號(hào)對(duì)兩種觸摸調(diào)光燈的影響情況，該實(shí)驗(yàn)中可以很明顯觀察到兩種燈均由于這些信號(hào)受到干擾，甚至PLC裝置與調(diào)光燈的距離達(dá)到100 m，仍然可以觀察到影響。

所以PLC面臨挑戰(zhàn)的簡(jiǎn)圖如圖3所示，除了供電網(wǎng)絡(luò)中阻抗的存在，實(shí)際上通信信號(hào)還必須應(yīng)對(duì)存在于線(xiàn)路上其它設(shè)備發(fā)出的其他信號(hào)。研究表明，對(duì)通信信號(hào)最有害的影響是當(dāng)某些設(shè)備連接到電路網(wǎng)絡(luò)時(shí)，提供給通信信號(hào)一個(gè)低阻抗路徑后出現(xiàn)的信號(hào)的分流［21］。

圖3 PLC面臨挑戰(zhàn)Fig.3 PLC challenges

4 超級(jí)諧波標(biāo)準(zhǔn)化相關(guān)工作

2 kHz～150 kHz通常被稱(chēng)為一系列沒(méi)有任何標(biāo)準(zhǔn)的頻率范圍，但是，這并不是一個(gè)合理的描述，因?yàn)閷?shí)際上有許多標(biāo)準(zhǔn)覆蓋該頻率范圍［35?。CENELEC是歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，負(fù)責(zé)在電工工程領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化。目前，超級(jí)諧波發(fā)射的干擾情況已由CENELEC TC 210匯總，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要覆蓋2 kHz以上頻段的重要性，不但在2010年出版的CENELEC報(bào)告中提到，而且在不久前出版的歐盟電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)EN 50160中也有提及。文獻(xiàn)［15］概述了2 kHz～150 kHz頻率范圍的發(fā)射和抗干擾標(biāo)準(zhǔn)，并指出測(cè)量技術(shù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程至關(guān)重要。在實(shí)際上窄帶限制標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)應(yīng)用到電力線(xiàn)的通訊限制，對(duì)現(xiàn)有窄帶限制標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比如圖4所示；對(duì)于寬帶信號(hào)限定標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比如圖5所示。

圖4 現(xiàn)有窄帶限制Fig.4 Limits for current narrowband signals

圖5 現(xiàn)有寬帶限制Fig.5 Limits for current broadband signals

從圖4和圖5可以看出，在2 kHz～150 kHz范圍，EN 50065，EN 50160，IEC 61000-3-8，CISPR 15這些標(biāo)準(zhǔn)尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，雖然在95 kHz以下，EN 50065和IEC 61000-3-8這兩種標(biāo)準(zhǔn)是相同的。

超級(jí)諧波的標(biāo)準(zhǔn)化工作已得到多個(gè)國(guó)際組織重視，其中包括：CENELEC／TC／8X、IEC／TC 210／WG1和IEC SC 77A／WG 9，尤其是負(fù)責(zé)歐洲電壓特性標(biāo)準(zhǔn)EN 50160的工作組，對(duì)于2 kHz～150 kHz頻帶超級(jí)諧波標(biāo)準(zhǔn)化的需求，也在應(yīng)用導(dǎo)則中提及，超級(jí)諧波問(wèn)題也包含在新近制定的 IEC TS 62749中［9，36］。覆蓋超過(guò)2 kHz頻段的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也是IEC／TS 62749評(píng)估電能質(zhì)量的一部分-公共連接點(diǎn)電能特性，已經(jīng)在2014年實(shí)施。兼顧多種設(shè)備和設(shè)備間可能的諧振情況下，標(biāo)準(zhǔn)的制定必須在限定諧波源和允許設(shè)備表現(xiàn)出自身特性的前提下找到它們的邊緣界限。

超級(jí)諧波的研究不只限定在標(biāo)準(zhǔn)化方面，它的測(cè)量技術(shù)、對(duì)電能質(zhì)量的新影響等問(wèn)題也在許多重大工作組的研究?jī)?nèi)容之列：CIGRE／CIRED聯(lián)合工作組C4.24＂與未來(lái)電氣網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的電能質(zhì)量和EMC問(wèn)題＂旨在探索適用于未來(lái)新的電氣網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠滿(mǎn)足更復(fù)雜和更精確的測(cè)量，應(yīng)對(duì)電能質(zhì)量的新問(wèn)題，其中超級(jí)諧波的測(cè)量和評(píng)估是該工作組的挑戰(zhàn)之一［37］；CIGRE2012 C6專(zhuān)委會(huì)會(huì)議牽涉到電能領(lǐng)域未來(lái)的研究方向，其中CIGRE C4／C6.29工作組＂太陽(yáng)能電能質(zhì)量方面＂已在開(kāi)展超級(jí)諧波討論應(yīng)對(duì)新的電能質(zhì)量挑戰(zhàn)；CIGRE C4.31主要任務(wù)是制定中低壓電力系統(tǒng)的諧波電流引起電磁干擾的評(píng)估指南，其中關(guān)于電力線(xiàn)通信9 kHz～150 kHz頻帶，作為潛在干擾問(wèn)題在討論［38］；IEEE P1250、IEEE EMC學(xué)會(huì)TC7已開(kāi)展超級(jí)諧波討論［39］；IEC TC 77A內(nèi)部幾個(gè)課題組和工作組均涉及這個(gè)頻率范圍。

5 超級(jí)諧波的測(cè)量

準(zhǔn)確的測(cè)量供電系統(tǒng)中電壓電流的超級(jí)諧波含量是進(jìn)行超級(jí)諧波發(fā)射量評(píng)估和制定超級(jí)諧波免疫標(biāo)準(zhǔn)的前提［40］。雖然國(guó)際電工委員會(huì)在IEC 61000-4-7已給出對(duì)2 kHz～9 kHz內(nèi)電壓電流的測(cè)量方法，對(duì)9 kHz～150 kHz內(nèi)電壓電流的測(cè)量方法在草案IEC 61000-4-30 Ed.3中也提出了，但是仍存在一些弊端。文獻(xiàn)［41-42］總結(jié)了2014年在斯德哥爾摩舉辦的電力系統(tǒng)諧波研討會(huì)主要關(guān)注點(diǎn)，文中進(jìn)一步分析指出如何測(cè)量高電壓等級(jí)的高頻電壓是未來(lái)電力系統(tǒng)亟待解決的問(wèn)題。

公共低壓電網(wǎng)中超級(jí)諧波測(cè)量的前提是使用合適的高通濾波器，文獻(xiàn)［43］的作者回顧了濾波器的設(shè)計(jì)方法，為了克服巴特沃斯濾波器在2 kHz～4 kHz誤差大的問(wèn)題，針對(duì)超級(jí)諧波的測(cè)量，作者提出了新的濾波優(yōu)化設(shè)計(jì)建議，給出了傳遞函數(shù)，并論證了其綜合性能的優(yōu)越性。文獻(xiàn)［44］介紹了一種測(cè)量超級(jí)諧波的設(shè)計(jì)方法，電能質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備選用奧地利知名公司Dewetron生產(chǎn)的DEWE-3040TM系列，皮爾遜電流互感器，標(biāo)準(zhǔn)電壓探頭。電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 電路結(jié)構(gòu)Fig.6 Circuit configuration

6 超級(jí)諧波在負(fù)荷監(jiān)測(cè)和負(fù)荷識(shí)別應(yīng)用

大量的研究證明超級(jí)諧波主要來(lái)源于電力電子變換器以及相關(guān)的PWM技術(shù)，對(duì)于此部分諧波的深入認(rèn)識(shí)對(duì)現(xiàn)有負(fù)荷識(shí)別技術(shù)的提高有極大幫助，尤其對(duì)非線(xiàn)性負(fù)荷的識(shí)別能力。

用戶(hù)側(cè)電力消耗情況的管理是構(gòu)建智能電網(wǎng)不可或缺的部分，體現(xiàn)著電網(wǎng)的智能化程度。非侵入式電力負(fù)荷識(shí)別技術(shù)是對(duì)用電側(cè)智能管理的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)由MIT（麻省理工大學(xué)）的研究團(tuán)隊(duì)在上世紀(jì)八十年代首次提出［45］，目前一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，全面的電力負(fù)荷使用規(guī)律不但為電網(wǎng)仿真模型、電網(wǎng)建設(shè)和電能調(diào)控提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐，而且有望成為智能電網(wǎng)中降低住宅能耗和能源管理的重要工具。尋找準(zhǔn)確的負(fù)荷特性印記用于算法研究是負(fù)荷識(shí)別技術(shù)的重點(diǎn)，也是制約該技術(shù)發(fā)展的瓶頸，現(xiàn)有負(fù)荷識(shí)別技術(shù)往往應(yīng)用的是：電流特性、PQ特性、諧波特性、瞬時(shí)功率特性、電流包絡(luò)線(xiàn)特性、V-I特性、開(kāi)關(guān)暫態(tài)特性［46-49］。捕捉用電側(cè)多種設(shè)備的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)暫態(tài)特性來(lái)識(shí)別用電器的研究很多，并且結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、聚類(lèi)分析方法或者整數(shù)劃歸方法等方法，另外由于低壓側(cè)用電設(shè)備的數(shù)量龐大、種類(lèi)繁多，而且操作情況復(fù)雜多樣，所以準(zhǔn)確反映用電設(shè)備的特征印記還再探索。

表4 現(xiàn)有電力負(fù)荷辨識(shí)模式總結(jié)Tab.4 Summary of patterns across power load identification

大多數(shù)非侵入式負(fù)荷識(shí)別算法都在MIT的負(fù)荷識(shí)別算法基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，文章［50-51］提出擴(kuò)展版本的MIT算法，它對(duì)于有較大負(fù)荷尖峰沖激的設(shè)備有準(zhǔn)確的識(shí)別能力；后來(lái)的文獻(xiàn)［52-53］對(duì)其算法進(jìn)行了改進(jìn)。文獻(xiàn)［54-56］把貝葉斯分類(lèi)原理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于對(duì)多種設(shè)備的識(shí)別。

斯坦福大學(xué)研究表明，設(shè)備的耗電量信息反饋給消費(fèi)者可以影響用戶(hù)的用電行為，甚至可以節(jié)能12%以上，這需要升級(jí)現(xiàn)有計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，解決非侵入式負(fù)荷檢測(cè)問(wèn)題。表4總結(jié)出了現(xiàn)有的電力負(fù)荷辨識(shí)的研究成果和性能要求，表明隨著采集頻率的升高，負(fù)荷辨識(shí)的能力將會(huì)進(jìn)一步提升，超級(jí)諧波甚至更高頻諧波的監(jiān)測(cè)為電力負(fù)荷辨識(shí)問(wèn)題提供新的研究思路［54］。本文對(duì)高頻干擾的分析恰好提供了一種電力負(fù)荷特性印記，目前負(fù)荷辨識(shí)的暫態(tài)特性提取還沒(méi)有考慮對(duì)超級(jí)諧波對(duì)應(yīng)的頻譜與電器之間的密切關(guān)聯(lián)，因?yàn)榈蛪簜?cè)大部分電壓接入口都經(jīng)過(guò)電力電子電路與電網(wǎng)連接，未來(lái)任何設(shè)備必然至少經(jīng)過(guò)一次電力電子電路與網(wǎng)側(cè)連接，如圖7所示。所以對(duì)超級(jí)諧波的認(rèn)識(shí)是非侵入式負(fù)荷識(shí)別技術(shù)的一個(gè)突破口，未來(lái)把電力接入側(cè)2 kHz～150 kHz頻段特性提取甚至更高頻段提取加入到負(fù)荷識(shí)別特征提取的范圍內(nèi)，然后對(duì)應(yīng)電力電子電路的特征對(duì)應(yīng)，根據(jù)電力電子變換器拓?fù)漕?lèi)型、設(shè)備的工作頻率、控制策略與負(fù)荷的功率、工作時(shí)間等操作特性的結(jié)合必然是實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)負(fù)荷辨識(shí)的方法之一，同時(shí)，各種設(shè)備上配置的開(kāi)關(guān)電源類(lèi)型和通盤(pán)考慮的設(shè)備EMI規(guī)范不但有利于非侵入式負(fù)荷識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步，也是未來(lái)智能電網(wǎng)能源管理不容忽視的。

圖7 未來(lái)居民用戶(hù)的配電系統(tǒng)Fig.7 Distribution system for future residents

7 結(jié)束語(yǔ)

（1）一方面超級(jí)諧波可能引發(fā)新的電能質(zhì)量問(wèn)題，另一方面電力線(xiàn)通信在智能電網(wǎng)中應(yīng)用較多（目前智能電表主要采用電力線(xiàn)載波通信），而且必須向電網(wǎng)中發(fā)射高頻諧波。建議兼顧各方需求制定新的電磁兼容規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；

（2）現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的諧波發(fā)射和抗干擾測(cè)試往往只針對(duì)單個(gè)設(shè)備，而超級(jí)諧波傳播路徑和幅值受鄰近設(shè)備影響極大，建議在標(biāo)準(zhǔn)中制定傳導(dǎo)電流干擾試驗(yàn)的測(cè)試環(huán)境、規(guī)定和配置才能起到更好地規(guī)范作用；

（3）負(fù)荷辨識(shí)對(duì)于提升用戶(hù)側(cè)可觀測(cè)、反饋信息引導(dǎo)用戶(hù)用電行為，提升用電節(jié)能、增效具有重要價(jià)值，建議對(duì)超級(jí)諧波甚至更高次諧波開(kāi)展監(jiān)測(cè)，升級(jí)現(xiàn)有智能電能表采集電力信息的頻率寬度，并基于更協(xié)調(diào)的電磁兼容規(guī)范，提升智能電能表通信帶寬是下一代用電信息采集系統(tǒng)需要解決的主要問(wèn)題之一；

（4）超級(jí)諧波的研究需要電力線(xiàn)載波通信、電能質(zhì)量治理、用電設(shè)備／并網(wǎng)設(shè)備前端濾波器設(shè)計(jì)等多個(gè)領(lǐng)域共同協(xié)調(diào)進(jìn)行，并開(kāi)展系統(tǒng)化的測(cè)試分析；

（5）隨著用戶(hù)側(cè)分布式發(fā)電和大量電力電子化設(shè)備的投入使用，在用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，超級(jí)諧波對(duì)智能電能表計(jì)量精度，對(duì)智能電能表可靠性、對(duì)基于電力線(xiàn)載波通信智能電能表通信性能的影響等問(wèn)題需要開(kāi)展更加系統(tǒng)的研究。