山东大学 孙媛媛，许庆燊等：面向数字化发展形势，新型电力系统谐波溯源未来聚焦哪些方向？

山东大学 孙媛媛，许庆燊等：面向数字化发展形势，新型电力系统谐波溯源未来聚焦哪些方向？
编者按
构建以新能源为主体的新型电力系统是能源电力行业推动“双碳”战略目标的关键举措。伴随多类型电力电子设备大规模接入系统，源网荷储谐波源交互影响，谐波污染加剧且复杂多变，呈现全局化特征，影响了电力系统优质可靠供电。数字化转型作为建设新型电力系统的必由路径，在支撑谐波溯源技术发展、提升电网优质供电水平具有重大价值。谐波溯源技术目前研究进展如何？面向数字技术在数据资源和智能协作的优势，谐波溯源技术又面临着什么样的新挑战和新机遇？在未来发展中可以聚焦哪些方向？
01
谐波溯源的概念与研究现状
传统谐波溯源研究的核心目标在于分析公共连接点（point of common coupling，PCC）处于稳态情况下的谐波电压/电流，明确系统背景谐波和各谐波源对PCC的影响。谐波溯源主要包含3个层面的分析：1）谐波源存在与否；2）定性辨识，判断主导扰动来源方向；3）定量分析，亦可被称为谐波责任量化。根据扰动源个数和分布情况不同，溯源场景可分为单谐波源、集中式多谐波源和分散式多谐波源3类。考虑到非侵入式的量测手段不会影响电网正常运行，当前基于非侵入式量测的谐波溯源方法体系如图1所示。
单谐波源场景是谐波溯源的基础分析问题，以PCC为中心将电路分为系统侧和用户侧进行简化等效。其最初的思想是通过反推谐波潮流确定谐波扰动的主要来源，以PCC谐波功率走向作为判定主导谐波源的依据，并逐步完善判定的约束条件。但功率法仅能在一定条件下实现对谐波源的定性辨识，且不可避免地存在判定盲区。谐波传递阻抗作为电路拓扑的重要组成部分，是连接PCC监测数据关系的媒介，逐渐被用于建立约束条件和判定指标。同时，基于PCC的电压电流相量数据量化两侧贡献度的指标被提出，谐波溯源问题由定性辨识发展至定量评估，其关键点也逐渐落脚于谐波传递阻抗的确定。
而现有的多谐波源溯源方法多为在单谐波源溯源上的拓展研究，在多源数据驱动下拟合谐波传递阻抗实现定量分析，建立谐波源特征指标实现定性辨识。既有方法虽然能判断谐波扰动所在位置，但评估精度较依赖于同步相量量测点的数量和位置，对高精度数据需求较大，在定位精度和评估实时性方面也存在不足。总之，现有方法智能化程度不足，应用数据类型单一，分析策略相互独立，适用于局部区域的研判，离实际工程的应用尚有距离。
02
数字化新型电力系统谐波溯源的新挑战和新机遇
新型电力系统的电源类型、网架形态以及负荷特性较传统电网发生了极大变化。电力电子化趋势下，谐波畸变不再是由单一非线性负荷引发的局部现象，而是由源网荷储各类型电力电子设备交互作用导致的全局问题。新型电力系统的谐波扰动溯源面临如下新挑战：1）谐波源类型多、机理各异，扰动随机性强；2）谐波源数量多，源间交互影响、错综复杂；3）谐波源来源分散，跨电压等级产生影响。
数字电网为谐波溯源提供了智能化技术支撑，技术架构在整体上可划分为量测传感、边缘计算、系统应用及贯穿全局的信息连接4个层次，如图2所示。数字技术在为谐波分析提供海量数据和广阔计算平台的新机遇时，也向溯源过程的信息处理提出新挑战。综合谐波溯源的研究现状，数字化背景下研究存在的不足可总结为数据、算法和算力3个层面：1）数据规模庞大但利用程度低；2）谐波扰动机理复杂难以溯源；3）多层级数字资源协同程度低。
因此，面向数字化发展新形势，谐波溯源研究亟须从信息获取、机理分析、协同应用多方面进行创新提升。从多类型电力电子设备主动发射和被动响应机理入手，调动多层级计算资源及时鉴别扰动情况，发挥数字电网的技术优势，利用多源监测数据分解源间交互作用，还要突破数据表象探究谐波主导来源，取得谐波溯源在来源辨识和成因分析上的新发展。
03
数字化背景下新型电力系统谐波溯源的未来发展方向
为提升数字化背景下新型电力系统谐波溯源的智能化、全局化水平，构建以智能传感器为数据来源、以多源数据融合为技术手段、以多层级智能协同分析体系为实现方案的电力系统扰动溯源整体架构，提出了基于云-边-端协同谐波溯源的技术构想。主要步骤包含：1）溯源触发；2）就地辨识；3）边缘协同；4）云端分析；5）智能服务，流程如图3所示。相较于传统电力系统的计算汇集于云端的处理方式，云-边-端协同谐波溯源调动多层级智能设备的分析积极性，通过就地开展单谐波源辨识和层级协同划分责任区段，推动在有限量测、传输和计算条件下实现“电力+算力”模式的谐波溯源。
纵观新型电力系统的深刻变革，谐波溯源研究未来可从以下方面推进：1）全景感知，持续提升监测精确性和灵活性，同时兼顾海量数据的传输存储压力，利用宽量程低时延谐波传感技术和检测优化配置技术，服务实现轻量化谐波全景感知；2）数模联驱，结合谐波源的机理模型和数据相关性模型构建数字孪生体，针对谐波时空传播及影响范围进行计算推演，从而反向推演辨识主导谐波源；3）群智协同，联动量测传感层、边缘计算层和系统应用层，推动多源数据融合，利用新一代人工智能技术提升谐波溯源的计算效率和抗干扰能力。