Harmonic Inflow and Outflow: Determining the Direction of Harmonic Current Using Phase Angle Analysis

01 Why Harmonic Direction Matters

Measuring the magnitude of harmonic voltage and current distortion at a point on the network tells you how bad the harmonic situation is. It does not tell you where the harmonics are coming from. In a real distribution network, multiple loads and multiple harmonic sources coexist on the same bus. When a harmonic compliance problem is identified, прво инжењерско питање је: да ли ова инсталација генерише хармонике који излазе у мрежу, или прима хармонике који улазе из мреже? Одговор одређује ко је одговоран за ублажавање.

Ова разлика — хармонични прилив вс. одлив — је основа алокације хармонијске одговорности у јапанским смерницама за дистрибутивну мрежу и све је релевантнији у другим регулаторним оквирима како се границе хармоника пооштравају и вишеструко нелинеарно оптерећење дели заједничке магистрале. Одређивање правца захтева више од мерења ТХД — захтева анализу фазног односа између хармонског напона и хармонијске струје у тачки мерења.[1]

02 Две методе за процену прилива и одлива

Метод 1 — Хармонични поларитет снаге

Први метод користи знак хармонијске активне снаге (П_х) при сваком хармонијском реду. Хармонска снага је производ хармонијског напона, хармоника струја, and the cosine of the phase angle between them. A positive harmonic power indicates the installation is consuming that harmonic — inflow. A negative harmonic power indicates it is generating that harmonic — outflow.[1]

This method is theoretically clean but has a practical limitation: harmonic power levels decrease rapidly with increasing harmonic order. The 11th harmonic power is typically a small fraction of the 5th harmonic power. At higher orders, the harmonic power signal approaches the noise floor of the measurement instrument, making polarity determination unreliable. This method works well for the dominant low-order harmonics (3рд, 5ог, 7ог) but becomes unreliable for the 11th, 13ог, и изнад.[1]

Метод 2 — Harmonic voltage-current phase difference (θ)

Други метод користи разлику фазног угла између хармонијског напона и хармонијске струје у сваком хармонијском реду - означеном θ. Ово је робуснији приступ јер се заснива на мерењу фазног угла, а не на величини снаге, а фазни угао се може тачно одредити чак и када су хармонијске величине мале.[1]

За 3-фазне 3-жичне инсталације помоћу методе мерења од 2 метра (3П3В2М), препоручена метрика је збир фазног угла θ_сум — фазна разлика хармоника напон-струја израчуната из збира измерених величина на оба мерна канала. Овај збирни приступ обезбеђује стабилнију и репрезентативнију вредност од појединачних фазних мерења за 3-фазне системе.

03 Measurement Setup

The 3P3W2M configuration uses two current sensors and two voltage measurements to fully characterize the 3-phase 3-wire system. The “сум” phase angle approach is specific to this configuration — it combines the measurements from both channels to produce a single θ_сум value per harmonic order that is representative of the overall 3-phase harmonic flow direction.[1]

04 Analysis Examples: Four Harmonic Orders, Four Different Behaviours

The following examples are drawn from measurements on a 6.6 кВ коло. The time plots show the harmonic voltage-current phase difference (θ_сум) over time for each harmonic order. The inflow/outflow boundary is at ±90°.[1]

Основни (1st harmonic) and 5th harmonic — Inflow

Смоква. 1. Time plot of θ_сум for the fundamental (браон) and 5th harmonic (зелен). 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. Извор: Хиоки Е.Е. Корпорација.[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

Смоква. 2. Time plot of θ_сум for the 3rd harmonic (црвен). 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. Извор: Хиоки Е.Е. Корпорација.[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 (напајања са прекидачким режимом рада, 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

Смоква. 3. Time plot of θ_сум for the 7th harmonic (плав). Outflow confirmed — the phase angle remains outside the ±90° inflow zone. The 180° wrap-around is visible as vertical transitions in the trace. Извор: Хиоки Е.Е. Корпорација.[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 и 2 — Applying the θ_авг display

Смоква. 4. Judgment Example 1 — θ_авг harmonic time plot in HIOKI PQA HiVIEW Pro. The averaged phase angle display provides a cleaner basis for inflow/outflow determination than raw θ_сум point-by-point values. Извор: Хиоки Е.Е. Корпорација.[1]

Смоква. 5. Judgment Example 2 — θ_авг harmonic time plot. Други сценарио који демонстрира примену методологије за процену прилива/одлива користећи приказ просечног фазног угла. Извор: Хиоки Е.Е. Корпорација.[1]

Смоква. 6. ХИОКИ ПКА ХиВИЕВ Про дисплеј хармонијске анализе — табеларни приказ резултата фазне разлике напон-струја хармоника по редоследу хармоника. Извор: Хиоки Е.Е. Корпорација.[1]

Смоква. 7. ХИОКИ ПКА ХиВИЕВ Про збирни приказ резултата процене прилива/одлива хармоника у свим праћеним хармонијским редоследима. Извор: Хиоки Е.Е. Корпорација.[1]

Смоква. 8. ХИОКИ ПКА ХиВИЕВ Про хармонијски временски графикон са индикаторима зоне дотока/излива — границе од ±90° су означене, омогућавајући директно визуелно одређивање хармонијског правца од θ_авг траг. Извор: Хиоки Е.Е. Корпорација.[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]

Границе изобличења напона

• 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. ИЕЕЕ 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_сум phase angle analysis — is the tool that makes this outflow-based regulation auditable.

06 ПК Перспецтиве: Direction as a Diagnostic Tool

6.1 Када анализа правца мења дијагнозу

Најважнија импликација анализе хармонијског правца је да мерење високог ТХД-а на улазу у сервис корисника не значи аутоматски да је корисник одговоран за то. Ако је хармонична струја прилив — долази из мреже — купац је жртва, а извор је негде другде на напојној јединици. Захтевање од корисника да инсталира хармонијске филтере у овој ситуацији троши новац и можда уопште неће побољшати хармонску ситуацију у мрежи.

Обрнуто, купац са скромним нивоима ТХД-а на улазу у услугу може и даље бити значајан извор хармонијског одлива ако је њихова уговорена снага велика — јапанска граница по кВ може бити прекорачена чак и када се апсолутни ТХД чини прихватљивим. 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_сум criterion to each harmonic order of interest
3. Identify which harmonic orders are inflow (network source) and which are outflow (local source)
4. For outflow harmonics: identify the local non-linear loads responsible and assess mitigation options
5. For inflow harmonics: investigate the network for the responsible source — other customers on the same feeder, network resonance conditions, utility equipment

6.3 Connection to the IPQDF article series

Технички чланци у овој серији (Чланови 1–3) успоставио хармонијске потписе 6-импулсних погона и њихову интеракцију са мрежним компонентама. Студије случаја су показале шта се дешава када се хармоници не ублаже. Ова техничка референца употпуњује другу димензију слике: методологија мерења потребна да би се утврдило да ли је дата инсталација хармонијски извор или хармонички пријемник — предуслов за доделу одговорности и избор исправне стратегије ублажавања.

The θ_сум Овде описана метода фазног угла је специфична за инструмент у својој примени (ХИОКИ ПКА ХиВИЕВ Про у овом примеру) али основни принцип - да је смер хармонске струје одређен фазним односом између хармонијског напона и хармонијске струје - је универзалан. Сваки анализатор квалитета енергије који извештава о хармонијским фазним угловима може подржати ову анализу, уз одговарајуће тумачење мерних конвенција које користи тај инструмент.

Референце

1. [1] Хиоки Е.Е. Корпорација, “Прилива и одлива хармоника,” у Водич за мерење квалитета напајања, Хиоки Е.Е. Корпорација, Нагано, Јапан. Доступан: хиоки.цом
2. [2] Министарство привреде, Трговина и индустрија (ПУТ), Јапан, “Смернице за контрамере одвраћања хармоника на страни захтева која прима висок или екстра висок напон,” Службени извештај, Септембар 30, 1994.