2022版ETAP 谐波计算新功能算法浅析及IEEE谐波限制标准IEEE 519

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这篇两个主要内容，一个是ETAP谐波计算的一个新功能Grid Code Harmonics，https://etap.com/product/grid-code-harmonic-compliance-assessment

另一个是谐波限制的最新标准IEEE 519-2022

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❶ 新功能概述

❷ 视频教程翻译与复述

❸ IEEE 519-2022 谐波规范分享

❹ 其他补充

❶新功能概述

先前版本的etap，例如我手上用的19.0.1版，在进行谐波计算时，电网（power grid）的R和X是固定的，也就是所有的谐波计算结果是基于此一组固定的电网阻抗R/X值。

而新版的ETAP（22.0.0）的Grid Code Harmonics功能则选择多个R/X数对（Loci）作为研究对象。

新功能按钮的位置

为何要选择多组R、X数对

首先Grid Code Harmonics功能更针对于电网侧，而不是用户侧，随着新能源的发展和普及，越来越多的光伏、风电、储能等分布式系统接入到电网当中，电网系统的R/X是不断变化的。

同样，某个电网用户，例如某个工业厂区，随着时间的变化，近期和远期的用电需求（负载）会发生变化，冬季和夏季的用电工况也不同，即使一天当中用电负荷也实时变化，这些变化有一个共性就是将会影响电网系统的阻抗R、X。

这就说明，TSO（transmission system operator）输电系统运营商在控制整个电网系统的谐波时，他们考虑的R和X的值不应该是一种固定情况，谐波系统模型的R、X值是大量且多变的数对，以应对不同的时间空间所带来的需求。

我们先来看ETAP这个新功能能做些什么，先看懂结论，然后反过来看计算方法。

简单来说Grid Code Harmonics功能，最终的输出就是一张图。

我们选择一张图为例

这张图是20次谐波的情况，

X和Y轴分别是电网的阻抗R和X，这个阻抗是从PCC（公共连接点）看向系统得到的阻抗。

周圈的多边形顶点是在某种情况下（时间、工况等）的系统阻抗R/X，可以称其为特征阻抗点，连接特征阻抗点得到不规则多边形包络线。

然后，包络线内的点，可以称其为研究点或者样本点。因为电网的变化性，样本点的数量在etap中建议设置为2000到3000点，而程序会计算更多的点，如4000到6000点，当然，计算更多的点数会以运算时间为代价。

样本点数量可自定义，还可以仅计算多边形的顶点。

这张图中最重要的元素是颜色，颜色区间可以在Excel文件中自定义。

图M，共六种颜色，即定义了6个区间，

＜50% ,

[50%,62.5%) ,

[62.5%,75%) ,

[75%,87.5%) ,

[87.5%,100%) ,

≥100%

不同的颜色区域代表不同的谐波增量，

例如，黄色区为[62.5%,75%)，

百分比 = 实际谐波电压畸变百分比的增量 / 系统允许的谐波电压畸变百分比的增量

系统允许的谐波电压畸变百分比的增量是在excel里面自定义，新版的etap有预定义好的excel文件，里面包含所有需要自定义的值，可以在此文件上修改。

然后通过颜色区分，譬如上图红色区域是大于100%的情况，就是说已经超过允许增加的谐波畸变百分比限值了，是不允许的。所以，电力系统所有者或运营商应采取措施，改进系统特性参数（R、X），使电压畸变达到允许水平。

其他颜色的区域都是允许的情况，差别在于增量的多少，比如，＜50%的绿色区间，在这个区间内的系统阻抗R、X，均为谐波增量还不足50%的允许增量。

看到这里还是有点蒙吧，那么继续看视频里面的算法。

❷视频教程翻译与复述

翻译非常耗时间，所以这次用自己的话顺着视频图片的思路，进行了复述。

2.1 谐波规划水平（Planning Level）

这张图把电力系统的谐波规划水平（Planning Level）分为三个部分，红色、黄色、蓝色。

红色表示当下电力系统既有的谐波，TSO（Transmission System Operator）电网传输系统运营商通过PCC（point of common coupling ）公共连接点的仪表来测量出目前的电压谐波畸变百分比。

黄色为新增的用户1，用户2，，，用户N，允许增加的谐波电压畸变水平（Allowed Incremental Harmonic Voltage Distortion Level），这个值既需要考虑用户谐波增量对整个电网的影响也要兼顾公平原则，etap中这个值需要在excel(Allocated Harmonic Limits sheet)中自定义，如下表。

蓝色为电力系统预留的谐波允许增量值。

Allocated Harmonic Limits Excel sheet

第一列为谐波次数，第二列需要自定义，为允许增加的谐波电压畸变水平，Allowed Incremental Harmonic Voltage Distortion Level(% of fundamental voltage)，

（这里如何确定这个增量值还不清楚，计算方法在哪，规范规定在哪）

2.2 Grid Code Harmonic功能的核心算法

这个图代表了grid code harmonic功能的核心算法，后面的excel算表和计算公式与此图息息相关。

从下往上依次看一个每个量代表什么，

首先，最下面白色区域background，Vbck，电力系统当下既有的谐波电压畸变水平HVDL（Harmonic Voltage Distortion Level）,

Vbck = Pre-Connection HVDL;

中间的红色区域为 k*Vbck-Vbck = (k-1)Vbck,k为放大系数（amplification factor），

红色区域+白色区域 = k*Vbck，

k*Vbck为新增电网用户的电力设施加入到电网后，由于电力设施的接入，系统的阻抗RX会发生变化，阻抗变化引起的谐波电压畸变增量（iHVDL），这部分增量不考虑新增用户谐波源的谐波注入。

蓝色区域为Vinc，

新增电网用户谐波源的谐波注入导致的谐波电压畸变增量（iHVDL），这部分增量不考虑新增电力设施后系统阻抗变化导致的谐波增量（iHVDL）。

iHVDL = 红色区+蓝色区，红块是阻抗RX变化引起，蓝块是新增谐波源的注入引起。

最后判据是比较iHVDL和Allocated Harmonic Limits的值，求百分比。

百分比 = iHVDL / Allocated Harmonic Limits * 100%

然后这个百分比将按区域在结果图表中以颜色的形式区分。

举个：

下面是11次谐波的计算结果图像

下面是etap生成的excel计算结果，这是etap和excel的一次完美配合，要完成此计算，etap必须要借助此算表，既是数据源，也是输出图表，并且还通过宏编辑，内置了python脚本。

我们来看这个特征点，R=27，X=71，对应图像上的坐标，

百分比=0.453/0.560=80.89%，

80.89%∈[75%,87.5%) ，所以为橙色。

2.3系统阻抗R、X位点

系统阻抗R、X位点（system impedance Loci）为多边形的顶点，需要我们在excel中自定义，这里以三次谐波为例，左边是图像，右边是自定义的RX坐标点。

2.4 分析流程（analysis procedure）

2.5模型的建立（ Model Setup）

建模只需要注意一点，就是在电网（power grid）组件编辑器中添加电网的谐波库。

2.6 Excel输入原始数据

建模完毕，需要导入Excel文件，并输入原始数据。

Etap内置一个Excel文件，凡是要运行Grid Code Harmonic功能都要借助这个表格，位置如下：

Etap安装文件夹/ExcelTemplates/GridCodeHarmonic

❶ 复制Excel模板到项目文件夹下；❷ 重命名为电网的ID

然后，录入初始数据，打开Excel表格，绿色的表格用于填写计算需要的数据，红色的表格是计算结果显示表。

第一个表是System Impedance Loci，系统阻抗位点表，需要填写各次谐波的R和X值，特征点（多边形顶点）的数量由用户自定义

下面第二个表是Allocated Harmonic Limits，谐波限制分配表，由TSO来定义各次谐波增量的允许值，以及百分比的颜色分区，颜色分区一般默认就可以。

2.7 study case设置、运行、结果显示

然后设置study case，打开gird code选项卡，

❶ 设置电网ID；❷ 设置样本点数量

TSO要求的样本点数量一般是2000~3000点，也可以选择用户自定义（user defined）计算少量的样本点以减少计算时间，还可以只计算顶点（corner point）。

都设置完以后，就可以点下图按钮（run grid code harmonic）计算了。

结果页及图像显示页面，yes是可以的情况，no是不允许的情况（超过设置的限值）。

❸IEEE 519-2022 最新版谐波规范分享

无意间搜到了IEEE 519的2022版，居然可以下载，以下对于部分条文做了摘录。

一是跟ETAP的新功能Grid Code Harmonic相关的条文，二是新能源相关的条文，可以带给我们一些启示。

条文上的黑字是翻译，蓝字是备注。

本标准用于指导带有非线性负载的电力系统的设计。所设定的极限值是针对稳态运行条件的。在任何情况下，本文件中给出的限值不应该被认为在所有情况下都有约束力。某些规范限值存在一些保守性，并不是在所有情况下都有必要。

每个国家的标准都有自己的特色，比如说上面的最后两句。我们知道，很多时候规范值偏保守，但为了便于实施，有时候并不会说的如此实在。

本标准中的限值规定体现了电网系统所有者或运营商和用户之间对谐波控制的共同责任。用户产生的谐波电流流经所有者或运营商的电网系统，导致提供给其他用户的电压中包含谐波产生的电压畸变。

提供给其他用户的谐波电压畸变量是由所有用户下产生谐波电流的负载和供电系统的阻抗特性共同影响的。

etap grid code harmonic功能的关键就是系统阻抗特性，也就是R、X值，跟此条规范是对应的。

谐波电压畸变限制是为了减少对用户和系统设备的潜在不利影响。将谐波电压维持在规定水平以下，应满足以下要求，

① 所有用户将产生的谐波电流限制在合理的数值内，该数值是根据每个用户在供电系统中固有的所有权公平确定的。（GB14549是通过最小短路容量来分配谐波电流允许值）

② 每个系统的所有者或操作者（TSO）应采取行动，通过改进供电系统的阻抗特性来降低电压畸变水平。

为了使电网系统运维商可以控制电网系统的阻抗特性以减少电压畸变，用户不应增加影响系统阻抗特性的设备，以至于从某种程度上增加电压畸变。实际上，用户的这种行为可能导致产生过大的电压谐波畸变。用户应该限制这种设备的增加（会导致不理想的系统阻抗特性），就像控制产生电流谐波的设备一样。

上面两个图有一个细节，2014版用了passive equipment这个词，而2022版改为了equipment这个词。

很巧的是，昨天我翻译的时候，搜索到的是2014版，我还在纠结这个passive equipment，在这里应该怎么表达合适...

然后晚上就搜到了2022版，神奇的发现在新版中passive被删掉了。

但是感觉真的是，IEEE规范修正的严谨性，确实值得我们去学习。

5.谐波限制

管理电力系统中的谐波被认为是包括终端用户和电力系统所有者或运营商在内的共同责任，对电压和电流都需要进行谐波限制。

本条款中的限值是基于这样一个事实，即某种电压畸变水平通常是可以接受的，电力系统所有者或运维者和用户应该共同合作，使实际的电压畸变低于可接受的水平。

这些限值的规定是基于这样的一种基本假设，即通过限制用户的谐波电流注入，电压畸变可以被限制在规范规定的限值以下。

如果仅仅限制谐波电流并不能使电压畸变达到允许的水平，电力系统所有者或运营商应采取措施，改进系统特性参数（R、X），使电压畸变达到允许水平。

允许的电压畸变水平是编制5.1节中谐波电压限值的基础。

本条款中的限值只适用于公共接入点，不应用于单个设备或用户设施处。

在大多数情况下，这些地方（单个设备或用户设施处）的谐波电压和电流限值可能会大大超过公共接入点的限值，这是因为缺乏谐波分散、谐波抵消和其他现象，往往将多个谐波源的综合影响降低到低于其代数和的水平。

[谐波分散]

由于谐波相位分散性而引起的非线性负荷间的电流谐波相互消减。

5.2 电流畸变限值

在用户的公共连接点处，主要是产生谐波的负载，应进行电流畸变限制。

对于主要使用逆变器资源的设施，用户应参照其他适用标准，如IEEE Std 1547-2018或IEEE Std 2800-2022。

对于集合了一般负载和分布式能源（基于逆变器）的设施，图1中的决策树显示了IEEE Std 519的限制措施在何时可应用于系统的公共连接点。

上面这个图是2022版规范新增的，

首先判断，是否有分布式能源或基于逆变器的能源接入，这里指的就是光伏、风电、储能等新能源，这些系统的逆变器等设备可产生大量谐波。

若为NO，在公共连接点处执行IEEE 519的谐波电流限制措施；

若为YES，

再判断，分布式能源接入容量是否小于年平均需求负荷的10%，

若＜10%，在公共连接点出执行IEEE 519的谐波电流限制措施；

若≥10%，执行IEEE Std 1547-2018或IEEE Std 2800-2022的谐波电流限制措施。

IEEE 519经历了1992版、2014版、2022版，

最新的2022版IEEE标准的编制考虑了新能源系统的加入对电网谐波的影响，并将控制措施写到了标准里。

GB标准对于谐波的规定，现行国家规范还是1993年的GB14549。

❹其他补充

限制闪变的思路和限制谐波的思路有类似之处，用一个等式表达大体就是，

背景的+增加的=总的，

视频中看到谐波限制的图，联想到了闪变的分析也用了类似的思维方式。

搜到的一些术语可能有用，留作备份

1、电压变化（voltage change）

在一定但非规定的时间间隔内电压均方很值或峰值在两个相邻电平问的持续变动。

2、相对电压变化（relative voltage change）

电压变化的幅值与额定电压值之比。

3、电压变化持续时间（duration of a voltage change）

电压由初值增大或减小至终值所经历的时间间隔。

4、电压变化时间间隔（voltage change interval）

从一个电压变化的起始点到另一个电压变化的起始点所经历的时间间隔。

5、电压波动（voltage fluctuation）

一连串的电压变化或电压包络的周期性变化。

6、电压波动波形（voltage fluctuation waveform）

作为时间函数的峰值电压包络。

7、电压波动幅度（magnitude of a voltage fluctuation）

电压波动期间，均方很值或峰值电压的最大值与最小值之差。

8、电压变化发生率（rate of occurence of voltage changes）

单位时间内电压变化出现的次数。

9、电压不平衡（voltage unbalance/voltage imbalance）

多项系统中的一种状态，在这种状态下，相电压均方很值或邻相之间的相角不相等。

10、电压瞬时跌落（voltage dip）

电气系统某一点的电压突然下降，经历几周到数秒的短暂持续期后又恢复正常。

11、电压浪涌（voltage surge）

沿线路或电路传播的瞬态电压波，其特征是电压快速上升后缓慢下降。

12、转换缺口（commutation notch）

由于变换器的换向动作而出现在交流电压上的持续时间远小于交流电周期的电压变化。

13、闪烁（flicker）

亮度或频谱分布随时间变化的光刺激所引起的不稳定的视觉效果。

14、闪烁计（flickerneter）

迎来测量闪烁值的仪器仪表。

15、闪烁感觉阈值（threshold of flicker Perceptibility）

引起确定的抽样人群闪烁感觉的亮度或频谱分布的最小波动值。

备份一篇论文

英国谐波标准G5的发展及现状

http://e-press.dwjs.com.cn/dwjs/periodical/html/2017-41-12-3934.html

本文完

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