电力系统谐波与测量研究

【摘要】电力系统存在越来越严重的谐波污染，这制约到电能的质量，进而威胁到电力系统的经济运行以及安全性。因为谐波造成的影响，业已制约电力系统的顺利运行，为了实现电力系统运行的安全性，对电力谐波进行测量与分析显得非常迫切。谐波检测是做好抑制与消除谐波的基础，采用谐波分析仪能够对各种负荷产生的谐波进行测量、分析，并且目前大多数谐波分析仪都采用快速傅里叶变换FFT算法。

【关键词】谐波;谐波危害;谐波检测;FFT

引言

在理想的供电系统以及电力系统当中，电能往用户供电是借助要求的电压水平与恒定单一的工业频率。基于不断发展的工农业生产影响下，电力系统当中增加了非常多的非线性用户，进而导致电网当中注入大量的高次谐波，如此的后果是导致电能质量的降低以及畸变出现在电网电压正弦波形上。尤其是近些年以来，广泛地普及和应用电力电子设备导致非常严重的公用电网谐波污染现象，其严重地影响与危害着用电装置与电力系统。

1谐波的形成及其危害性

1.1形成谐波的原因

因为存在以上的负荷，这造成电力系统当中的正弦波性跟电流波形相偏离，从而导致畸变现象的出现。由于仅仅在输入电压被控制的部分上，电流才被线性负载吸取，如此一来，能够实现效率的提升，可是导致谐波出现在负载电流当中。在供电系统当中传输非正弦波形的时候，会降低沿途的电压，这会制约到电压的波形，从而导致程度不一的畸变现象。如此的电能质量的降低会严重地影响到用电装置与电力系统。电网当中增加谐波含量，会缩短电气装置的使用年限，增加网损，从而更加容易导致系统出现谐波谐振，在严重的情况下会形成危险性的过电流和过电压。并且，还会干扰通信系统、导致电度计量与仪表指示的不准确性、自动设备与继电保护的误动作等一系列的现象。

1.2谐波的危害性

谐波会危害到公用电网以及其它的系统，具体来讲，其主要表现为下面几点：

①公用电网元件在谐波的影响之下使附加谐波损耗生成，从而导致用电装置、输电、发电的效率降低，经过中性线的大量三次谐波导致线路太热，进而会导致火灾的出现。

②谐波对一系列电气装置的顺利运行运行起到影响作用。谐波影响到的电机不但使附加损耗增加，还会导致过电压、噪音、机械震动的形成。谐波导致变压器局部太热，以及导致电缆和电容器装置的老化绝缘，从而大大地缩短了其应用的年限，要么是形成了损坏。

③公用电网基于谐波的影响之下会出现部分范围的并联谐振与串联谐振现象，从而使谐波被放大，最终造成安全事故。

④继电保护与自动装置基于谐波的影响下会使误动作出现，以及造成测量电气仪表出现错误。

⑤周围的通信系统会受到谐波的影响作用，较轻的情况是导致噪音的形成，从而使通信质量大大地降低;较重的情况是丢失信息，从而导致系统难以顺利地运行。

2电力系统谐波理论以及算法（FFT）

在实际当中对非正弦周期信号进行测量的过程中，通常都在一段连续的时间段之内进行应用，这导致经过模数转换的电流或者是电压信号之后获得离散时间信号(其表示应用有限字长)，进而由其对一个周期进行截取，从而对一系列谐波幅值进行有效地计算。为了能够根据离散序列(一个周期当中)而获得一系列的次谐波幅值，其中的一种手段是应用立足于不间断信号的傅立叶级数谐波进行探究。而另外一种手段是对离散傅立叶变换的应用，假设周期函数是输入的信号是快速傅里叶变换算法(FFT)的基础，其基础原理是逐次地对一个长度是N的序列的离散傅里叶变换进行分析，且使之向一个比较短的离散傅里叶变换转换。

2.1电力系统的电压或者是电流的傅立叶变换

能够借助一个周期函数体现电力系统当中的电业电流信号，即：f(t)=f(t+KT)(1)式中，T-周期函数的周期，且K=0，1，2，3，…;f=1/T-电力系统运行的频率。

2.2FFT的谐波分析

针对一个周期是N的有限的、离散的长序列X(n)={X(0)，X(1)，X(2)…X(N-1)}，结合数字信号的处理原理，其离散傅立叶变换(DEF)的表示式是：对于FFT函数在Matlab当中来讲，因为Matlab由1开始递增来约定下标，所以Matlab当中选择的周期是N的、有限的、离散的长序列转换为X(n)={X(1)，X(2)，X(3)，…X(N)}，FFT表示式子是：式子略

3测量谐波

分析和测量电力谐波能够明确某个用电范围或者是电网当中的谐波定量现状，从而有利于计量电能或者是监控其质量，并且也是控制谐波的关键所在。这样一来，最终能够借助有效的对策处理电力系统谐波分析和监测的一系列问题，达到减小和控制电力系统谐波的目标。谐波检测属于控制和消除谐波的基础保障。当前形势下，都应用FFT来充当巨大多数的谐波检测仪，如原西德的NOWA21型、国产WFX21型、SFX21型、PS22型、GFX298型。

(1)以理论作为视角，都是首先获得信号电流或者是电压各次谐波的相角与幅值，再借助公式能够便于获得谐波阻抗(Zh)、谐波功率(Ph)、总谐波畸变率(DFU)等值。针对各种谐波而言，都具备异样的研究方法。针对稳态谐波一般借助离散W变换、FHT算法、FFT算法等;针对暂态谐波，会应用小波变换和优化的FFT分析等。

(2)在实际检测的时候，我们借助谐波频谱分析仪对40多个检测点(典型用户支路、关键整流装置馈线支路、配电柜一系列低压电容器的支路、一系列变压器出线口等)进行电流和电压的检测、记录、保存。

4结束语

总而言之，借助谐波分析仪来检测一系列负荷形成的谐波，能够让运行人员实时地了解谐波出现的规律、特点、原因等等，且在生产的过程中实施有效的对策，有着非常大的现实意义，其可以实现电力系统安全系数的大大提升。

作者：张伟斌     单位：河钢集团宣钢检修公司