配电网谐波治理降损效果实证方法

葛少云，董佳霖，刘福潮，刘洪（.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津30007；.甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州730050）

配电网谐波治理降损效果实证方法

葛少云1，董佳霖1，刘福潮2，刘洪1
（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；2.甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州730050）

针对配电网谐波治理前后的负荷水平不完全一致所导致的谐波治理真实节能效果无法量化的问题，以将谐波治理前后的负荷状态化归至同一水平为目标，提出了配电网谐波治理降损效果实证方法。首先对主要电力设备谐波损耗倍数进行原理分析；进而得到谐波损耗的数学模型，并给出了配电网谐波损耗与基波损耗的关系；最后将谐波治理前后的网络基波损耗值化归为同一基准，提出了谐波损耗折算值求解的方法，得到了谐波治理后的真实节能量，并通过算例验证了本方法的实用性和有效性。

谐波损耗模型；谐波损耗倍数；谐波损耗量测；降损效果量化；折算值

电网作为电力输送的主要载体，在发电、输电、配电、用电等各个环节都应将节能降损作为工作的重心。配电环节由于其巨大的节能潜力，更是节能降损研究的重中之重[1]。如今大量非线性负荷的出现使电网的谐波污染问题日益严重。由于配电网与作为谐波源的各类非线性负荷处于同一电压等级，因此配电网网络总损耗受谐波损耗的影响最大，对于配电网降低谐波损耗的研究也就更为必要。

现阶段市场上的各类滤波器已应用于谐波治理中，有效减小了配电网的谐波网络损耗，而关于谐波治理对于降低谐波损耗量化解析的相关研究仍存在不足。文献[2]提出一种利用疑似谐波注入节点的辅助网络拓扑法分析网络可观性的方法，可用于量测点少或量测点分离等谐波状态局部可观电网的分析计算，但该方法只是对电网中的谐波状态进行估计，并没有给出谐波损耗的量测方法；文献[3]以实际电网和实测数据为基础，建立计算谐波损耗的简易模型，提出了估算电网谐波损耗的方法，却没有关于谐波治理节能效果的量化研究。

本文以配电网为研究对象，在量测得到谐波治理前后的网络谐波损耗和各高次谐波电流含有率的基础上，通过对谐波损耗数学模型的分析，提出了配电网谐波治理降损效果实证的思路和方法。在对西北地区某用户配电系统进行实际调研的基础上，通过算例验证了本方法的实用性和有效性。

1 配电网谐波损耗的数学模型

从电力设备的角度看，每类设备的损耗包含基波损耗和谐波损耗两部分。研究表明，对于各类设备，谐波损耗是基波损耗的某附加倍数，并具有相同的形式[4]，即

式中：ΔAsx为某类设备的谐波损耗值；ΔAs1为某类设备的基波损耗值；n为谐波次数；HRIn为第n次谐波电流含有率，是第n次谐波电流与基波电流的比值，表示为In/I1；C1和C2为谐波损耗指数，不同设备、不同含义的附加损耗指数不同。从电力设备的角度看，网络谐波损耗最终体现在电力设备的损耗上。由于变压器和线路为配电网中的主要电力设备，因此重点研究变压器和线路的谐波损耗倍数。变压器和线路的谐波损耗倍数如表1所示。

表1 变压器和线路的谐波损耗倍数Tab.1 Harmonic losses multiples oftransformers and lines

由表1可见，变压器和线路的谐波损耗均与系统内各高次谐波电流含有率HRI密切相关，各高次谐波电流含有率HRI反映了各高次谐波的电流的相对大小，取决于配电系统内非线性负载设备的性能参数值[5]。

因此，可将配电网谐波损耗按照变压器和线路不同的谐波损耗类型进行分解，即

式中：ΔAr为变压器绕组基波损耗；ΔAc为变压器铁心磁滞基波损耗；ΔAw为变压器铁心涡流基波损耗；ΔAl为线路基波损耗。

设在基波总损耗中，变压器绕组损耗、变压器铁心磁滞损耗、变压器铁心涡流损耗、线路损耗分别占基波总损耗的比例为a1、a2、a3、a4，其中a1、a2、a3、a4与所研究网络的网架结构、变压器参数、线路参数和负荷状态等因素相关，代入式（2）可得到谐波损耗的数学模型为

2 谐波治理降损效果实证

2.1 谐波治理降损效果实证分析的思路

在进行谐波治理对电网降损效果实证前，需要先量测得到谐波治理前后的配电网谐波损耗值，分别设为ΔAx，bef和ΔAx，aft。由于谐波治理前后的典型量测日的配电网负荷状态并不完全一样，导致两个典型量测日每对应时刻的网络有功功率P、无功功率Q和网络电压U并不完全一致，故衡量谐波治理对电网降损的影响时，ΔAx，bef与ΔAx，aft不具备直接可比性，将负荷状态不一致的因素排除后，分析谐波治理对网络损耗降低的影响才具有实际意义。

若2个量测日的负荷状态完全一致，在相同的网架结构下，这2个量测日中配电网的基波损耗值也应相同[6]。因此，将2个量测日的基波损耗值化归至同一基准，在一定程度上即是将该2个典型量测日的负荷状态化归于同一水平。

2.2 谐波治理降损效果实证分析的方法

本方法在配电网谐波损耗量测与应用谐波损耗模型的基础上，得到谐波治理前后的2个量测日的网络基波损耗值。在选取基波损耗的基准值后，通过计算将基波损耗基准值折算为该基准值下对应的谐波损耗值，这是本方法的核心所在。将同一基波损耗基准值下的谐波损耗折算值和量测值进行比较，得到谐波治理为配电网节约的真实电量值，过程如下。

（1）选取配电网中某一负载率较高且所带负荷主要是工业负荷等非线性负荷的配变，在该配变的高压侧装设配变监控终端（TTU），得到TTU在典型量测日内的基波电能和总电能。由于总电能与基波电能之差即为该配变下配电网络的谐波损耗值[7-8]，由此可量测得到的谐波治理前后电网谐波损耗值ΔAx，bef和ΔAx，aft。

（2）在谐波治理前后的损耗量测同时通过TTU得到治理谐波前后的各次（通常研究5、7、11、13、17次）[9-10]谐波电流含有率HRIn，bef和HRIn，aft。同时，根据表1中变压器绕组附加损耗、变压器铁心的磁滞附加损耗、变压器铁心的涡流附加损耗和线路导体附加损耗的公式，得到谐波治理前后谐波损耗倍数。

（3）设谐波治理前后变压器绕组基波损耗分别为ΔAr，bef和ΔAr，aft，谐波治理前后变压器铁心的磁滞基波损耗分别为ΔAc，bef和ΔAc，aft，谐波治理前后变压器铁心的涡流基波损耗分别为ΔAw，bef和ΔAw，aft，谐波治理前后配电线路的基波损耗分别为ΔAl，bef和ΔAl，aft，谐波治理前后电网基波总损耗为ΔA1，bef和ΔAl，aft。则有

（4）根据式（4）、式（5）可求取ΔA1，bef和ΔA1，aft。由于ΔA1，bef和ΔA1，aft不同，所以需统一实证基准，将ΔA1，aft替换式（4）中的ΔA1，bef，计算得到电网谐波损耗折算值ΔAx，z。

（5）最后将同一基波损耗基准值下的谐波损耗折算值ΔAx，z和谐波损耗量测值ΔAx，aft进行比较，从而得到谐波治理所带来的真实节能量。

3 算例分析

3.1 算例介绍

算例中，选取西北地区某用户配电系统中负载率大于75%同时所带负荷主要是工业等非线性负荷的某个10 kV配变，在其高压侧装设TTU；同时选取2012-11第1周的周一和第2周的周一作为谐波治理前后的典型量测日，并通过实际调研获得以下数据：在谐波治理前的典型量测日，TTU量测得到的基波电量值为1 153.3 kW·h，总电量值为1 181.4 kW·h，计算得到网络谐波损耗值ΔAx，bef为28.1 kW·h；同时通过TTU的记录，得到5、7、11、13、17次谐波的谐波电流含有率分别为14.1%、 8.5%、4.0%、3.6%、3.4%。

在谐波治理后的典型量测日，针对已选取的配变下所带的负荷区域，选取该区域中非线性负荷集中的公共节点处装设2台SPA4-200 A/0.4系列的有源滤波器，量测得到的基波电量值为1 109.4 kW·h、总电量值为1 115.7 kW·h，得到网络谐波损耗值ΔAx，aft为6.3 kW·h；同时通过TTU的记录，得到5、7、11、13、17次谐波的谐波电流含有率分别为2.6%、2.8%、2.1%、1.8%、1.6%。

3.2 算例求解及结果

计算谐波治理前后主要电力设备谐波损耗倍数，如表2所示。

表2 谐波治理前后的电力设备谐波损耗倍数Tab.2 Harmonic losses multiples ofpower equipment before and after harmonic control

另外，根据西北该地区配电系统基波损耗历史统计数据的分析可得到：在该地区基波总损耗中，变压器绕组损耗、变压器铁心磁滞损耗、变压器铁心涡流损耗、线路损耗大约占该地区基波总损耗的比值分别为18.3%、9.6%、30.0%、42.1%。因此，将式（4）、式（5）进一步变形得

将量测得到的谐波治理前的谐波损耗值和表2中谐波治理前的谐波损耗倍数带入式（6），得

同理，将谐波治理后量测得到的谐波损耗值和表2中谐波治理后的4种谐波损耗倍数带入式（7）可得ΔA1，aft=71.8 kW·h。

以谐波治理后的网络基波损耗值作为降损效果实证基准值，将ΔA1，aft=71.8 kW·h代入式（6）中，并结合表2中谐波治理前的数据，计算得到谐波损耗折算值ΔAx，z=36.9 kW·h。

最终在将负荷状态统一至谐波治理后的水平后，可得到谐波治理后的真实节能电量为ΔAx，z-ΔAx，aft=30.6 kW·h。

综上所述，谐波治理前后负荷状态的统一是获得谐波治理后真实节能电量的基础。

4 结语

本文提出了配电网谐波治理降损效果实证的方法。该方法从谐波损耗模型出发，在前期获得谐波治理前后网络损耗值和各次谐波电流含有率的基础上，通过理论推导得到了谐波损耗折算值的求取方案，为量化谐波治理的节能效果并得到采用谐波治理后配电网络的真实节能量提供了理论依据。在对西北地区某用户配电系统进行实际调研的基础上，通过算例验证了本降损效果实证方法的实用性和有效性。本方法将为国家节能减排工作提供技术支持，同时为国家电网公司节能服务体系建设提供有力支撑，预期将为国家带来巨大的经济效益和社会效益。

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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，研究方向为城市电网规划和配电系统自动化。Email：syge@tju.edu.cn

2013-09-02；

2013-12-16

国家自然科学基金项目（51107085）；国家电网公司科技项目（2012-103006）

董佳霖（1988—），男，硕士研究生，研究方向为电网节能降损效果。Email：dongjialin2288@126.com

刘福潮（1960—），男，博士，高工，研究方向为新能源并网、电力节能、电网安全管理。Email：liufc8127@sina.com