التدفق التوافقي والتدفق الخارجي: تحديد اتجاه التيار التوافقي باستخدام تحليل زاوية الطور

01 لماذا يهم الاتجاه التوافقي

إن قياس حجم الجهد التوافقي وتشويه التيار عند نقطة ما على الشبكة يخبرك بمدى سوء الوضع التوافقي. لا يخبرك من أين تأتي التوافقيات. في شبكة التوزيع الحقيقية, تتواجد أحمال متعددة ومصادر توافقية متعددة في نفس الناقل. عندما يتم تحديد مشكلة الامتثال التوافقي, السؤال الهندسي الأول هو: هل هذا التثبيت يولد التوافقيات التي تتدفق إلى الشبكة, أم أنها تتلقى التوافقيات التي تتدفق من الشبكة? الجواب يحدد من المسؤول عن التخفيف.

هذا التمييز - التدفق التوافقي مقابل التدفق التوافقي. التدفق الخارجي — هو أساس توزيع المسؤولية التوافقية في المبادئ التوجيهية لشبكة التوزيع في اليابان، وهو ذو صلة متزايدة في الأطر التنظيمية الأخرى مع تشديد الحدود التوافقية ومشاركة الأحمال غير الخطية المتعددة في الحافلات المشتركة. يتطلب تحديد الاتجاه أكثر من مجرد قياس THD - فهو يتطلب تحليل علاقة الطور بين الجهد التوافقي والتيار التوافقي عند نقطة القياس.[1]

02 طريقتان للحكم على التدفق الداخلي والخارجي

طريقة 1 - قطبية القوة التوافقية

الطريقة الأولى تستخدم إشارة القوة الفعالة التوافقية (P_ح) عند كل أمر توافقي. القوة التوافقية هي نتاج الجهد التوافقي, التيار التوافقي, وجيب تمام زاوية الطور بينهما. تشير القوة التوافقية الإيجابية إلى أن التثبيت يستهلك هذا التدفق التوافقي. تشير القوة التوافقية السلبية إلى أنها تولد هذا التدفق التوافقي.[1]

هذه الطريقة نظيفة من الناحية النظرية ولكن لها قيود عملية: تتناقص مستويات القدرة التوافقية بسرعة مع زيادة الترتيب التوافقي. عادةً ما تكون القوة التوافقية الحادية عشرة جزءًا صغيرًا من القوة التوافقية الخامسة. بأوامر أعلى, تقترب إشارة القدرة التوافقية من أرضية الضوضاء لجهاز القياس, مما يجعل تحديد القطبية غير موثوق به. تعمل هذه الطريقة بشكل جيد مع التوافقيات ذات الترتيب المنخفض السائدة (3طريق, 5ال, 7ال) لكنه يصبح غير موثوق به في اليوم الحادي عشر, 13ال, وما فوق.[1]

طريقة 2 - فرق الطور التوافقي بين الجهد والتيار (أنا)

تستخدم الطريقة الثانية فرق زاوية الطور بين الجهد التوافقي والتيار التوافقي عند كل ترتيب توافقي - يُشار إليه بـ θ. يعد هذا نهجًا أكثر قوة لأنه يعتمد على قياس زاوية الطور بدلاً من حجم الطاقة, ويمكن تحديد زاوية الطور بدقة حتى عندما تكون المقادير التوافقية صغيرة.[1]

للتركيبات ثلاثية الطور بثلاثة أسلاك باستخدام طريقة القياس بطول 2 متر (3P3W2M), المقياس الموصى به هو مجموع زاوية الطور θ_مجموع - فرق طور الجهد والتيار التوافقي المحسوب من مجموع الكميات المقاسة عبر قناتي القياس. يوفر هذا النهج الإجمالي قيمة أكثر استقرارًا وتمثيلًا من قياسات الطور الفردي للأنظمة ثلاثية الطور.

03 إعداد القياس

يستخدم تكوين 3P3W2M مستشعرين للتيار وقياسين للجهد لتوصيف النظام ثلاثي الطور ثلاثي الأسلاك بشكل كامل. و “مجموع” نهج زاوية الطور خاص بهذا التكوين - فهو يجمع القياسات من كلتا القناتين لإنتاج θ واحد_مجموع القيمة لكل ترتيب توافقي يمثل اتجاه التدفق التوافقي الشامل ثلاثي الطور.[1]

04 أمثلة التحليل: أربعة أوامر متناسقة, أربعة سلوكيات مختلفة

الأمثلة التالية مستمدة من القياسات على أ 6.6 الدائرة كيلو فولت. تُظهر المخططات الزمنية فرق الطور التوافقي بين الجهد والتيار (أنا_مجموع) مع مرور الوقت لكل أمر توافقي. حدود التدفق/التدفق عند ±90°.[1]

أساسي (1التوافقي الحادي) والتوافقي الخامس – التدفق

تين. 1. Time plot of θ_مجموع for the fundamental (أسمر) and 5th harmonic (أخضر). Both remain within the −90° to +90° inflow zone throughout the measurement period, confirming that the installation is consuming both the fundamental power and the 5th harmonic. مصدر: HIOKI E.E. شركة.[1]

The fundamental wave is in inflow — this is expected, as the installation is consuming real power from the network. The 5th harmonic is also predominantly inflow, indicating that the dominant 5th harmonic source is elsewhere on the network and this installation is receiving it. This installation is a victim of 5th harmonic pollution, not a source of it.

3rd harmonic — Outflow

تين. 2. Time plot of θ_مجموع for the 3rd harmonic (أحمر). The phase angle consistently falls outside the ±90° inflow zone, in the −180° to −90° or +90° to +180° range — confirming 3rd harmonic outflow. This installation is generating 3rd harmonic current that flows into the network. مصدر: HIOKI E.E. شركة.[1]

The 3rd harmonic is outflow — this installation is a 3rd harmonic source. Note that the 3rd harmonic is characteristic of single-phase non-linear loads (إمدادات الطاقة في وضع التبديل, fluorescent lighting) rather than 3-phase 6-pulse drives. Its presence as an outflow harmonic on a 6.6 kV circuit suggests single-phase loading on the secondary side of distribution transformers fed from this circuit.

7th harmonic — Outflow

تين. 3. Time plot of θ_مجموع for the 7th harmonic (أزرق). Outflow confirmed — the phase angle remains outside the ±90° inflow zone. The 180° wrap-around is visible as vertical transitions in the trace. مصدر: HIOKI E.E. شركة.[1]

The 7th harmonic is also outflow. Together with the 3rd harmonic outflow, this suggests the installation contains significant non-linear load generating harmonic current into the 6.6 kV network. The 5th harmonic inflow observed earlier indicates the 5th harmonic on this bus is coming from elsewhere — the local installation’s own 5th harmonic generation is being masked or dominated by an external 5th harmonic source.

Judgment Examples 1 و 2 — Applying the θ_متوسط عرض

تين. 4. Judgment Example 1 — θ_متوسط harmonic time plot in HIOKI PQA HiVIEW Pro. The averaged phase angle display provides a cleaner basis for inflow/outflow determination than raw θ_مجموع point-by-point values. مصدر: HIOKI E.E. شركة.[1]

تين. 5. Judgment Example 2 — θ_متوسط harmonic time plot. A second scenario demonstrating application of the inflow/outflow judgment methodology using the averaged phase angle display. مصدر: HIOKI E.E. شركة.[1]

تين. 6. HIOKI PQA HiVIEW Pro harmonic analysis display — tabular view of harmonic voltage-current phase difference results by harmonic order. مصدر: HIOKI E.E. شركة.[1]

تين. 7. HIOKI PQA HiVIEW Pro summary display of harmonic inflow/outflow judgment results across all monitored harmonic orders. مصدر: HIOKI E.E. شركة.[1]

تين. 8. HIOKI PQA HiVIEW Pro harmonic time plot with inflow/outflow zone indicators — the ±90° boundaries are marked, enabling direct visual determination of harmonic direction from the θ_متوسط trace. مصدر: HIOKI E.E. شركة.[1]

05 Japanese Regulatory Framework: Harmonic Outflow Current Limits

Japan has one of the most developed national frameworks for harmonic responsibility allocation at the distribution level. The Ministry of Economy and Industries issued its Guideline for Harmonics Deterrence Countermeasures in September 1994 — establishing limits that apply specifically to harmonic outflow current from demand-side customers receiving high-voltage or extra-high-voltage supply.[2]

حدود تشويه الجهد

• 6.6 kV system: Total Harmonic Voltage Distortion ≤ 5%
• Extra high-voltage system: Total Harmonic Voltage Distortion ≤ 3%

Harmonic outflow current limits

The Japanese guideline expresses harmonic current limits in milliamperes per kilowatt of contracted power — a normalization that makes limits independent of customer size and directly proportional to the customer’s power contract. Upper limit values are specified per harmonic order, with lower limits for higher-order harmonics. The per-kW normalization means a larger customer has proportionally more harmonic current allowance — but must also comply at every harmonic order independently.[2]

This direction-based regulatory framework — limiting outflow rather than total harmonic current — is the key distinction from IEEE 519’s point-of-common-coupling approach. IEEE 519 limits the harmonic current a customer injects at the PCC, which is effectively an outflow limit. The Japanese guideline makes the outflow concept explicit and applies it at the individual harmonic order level with per-kW normalization. The measurement methodology described in this article — θ_مجموع phase angle analysis — is the tool that makes this outflow-based regulation auditable.

06 منظور PQ: Direction as a Diagnostic Tool

6.1 When direction analysis changes the diagnosis

The most important implication of harmonic direction analysis is that a high THD measurement at a customer’s service entrance does not automatically mean the customer is responsible for it. If the harmonic current is inflow — arriving from the network — the customer is a victim and the source is elsewhere on the feeder. Requiring the customer to install harmonic filters in this situation wastes money and may not improve the network harmonic situation at all.

العكس بالعكس, a customer with modest THD levels at their service entrance may still be a significant harmonic outflow source if their contracted power is large — the per-kW Japanese limit could be exceeded even when absolute THD appears acceptable. Direction analysis at each harmonic order is the only way to correctly characterize responsibility.

6.2 Practical application in a harmonic investigation

A practical harmonic investigation sequence using this methodology:

1. Measure harmonic voltage and current at the point of interest — confirm that harmonic amplitudes are significant enough to justify direction analysis
2. Apply the θ_مجموع معيار لكل ترتيب التوافقي من الفائدة
3. تحديد الأوامر التوافقية التي تتدفق (مصدر الشبكة) والتي هي التدفق (مصدر محلي)
4. لتوافقيات التدفق الخارجي: تحديد الأحمال المحلية غير الخطية المسؤولة وتقييم خيارات التخفيف
5. لتوافقيات التدفق: قم بالتحقيق في الشبكة بحثًا عن المصدر المسؤول — العملاء الآخرين الموجودين على نفس وحدة التغذية, ظروف رنين الشبكة, معدات المرافق

6.3 الاتصال بسلسلة مقالات IPQDF

المقالات التقنية في هذه السلسلة (المواد 1-3) أنشأ التواقيع التوافقية لمحركات الأقراص ذات 6 نبضات وتفاعلها مع مكونات الشبكة. أظهرت دراسات الحالة ما يحدث عندما تُترك التوافقيات دون تخفيف. يكمل هذا المرجع الفني بُعدًا مختلفًا للصورة: the measurement methodology needed to determine whether a given installation is a harmonic source or a harmonic receiver — the prerequisite for assigning responsibility and selecting the correct mitigation strategy.

أنا_مجموع phase angle method described here is instrument-specific in its implementation (HIOKI PQA HiVIEW Pro in this example) but the underlying principle — that harmonic current direction is determined by the phase relationship between harmonic voltage and harmonic current — is universal. Any power quality analyzer that reports harmonic phase angles can support this analysis, with appropriate interpretation of the measurement conventions used by that instrument.

المراجع

1. [1] HIOKI E.E. شركة, “تدفق وتدفق من التوافقيات,” في دليل للقياس جودة الطاقة, HIOKI E.E. شركة, ناغانو, اليابان. متاح: hioki.com
2. [2] وزارة الاقتصاد, التجارة والصناعة (يضع), اليابان, “المبادئ التوجيهية لتدابير الردع التوافقية المضادة على جانب الطلب التي تتلقى الجهد العالي أو الجهد العالي الإضافي,” التقرير الرسمي, سبتمبر 30, 1994.