于瞬時負荷特性的電力系統(tǒng)擾動源定位

1、全國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第十九屆學(xué)術(shù)年會論文集237基于瞬時負荷特性的電力系統(tǒng)擾動源定位高瑛揚洪耕(四川大學(xué)電氣信息學(xué)院,四川省成都市610065摘要:本文提出一種基于擾動源產(chǎn)生的瞬時負荷特性確認擾動源的方法。本文展示了該原理在諧波、電壓凹陷、電壓膨脹、瞬問電壓降落四種情況,在kIATLAB的Simulink下的仿真圖形。結(jié)果表明在每種情況中都可以對擾動源進行準確定位。同時本文還對每種情況負荷參數(shù)的偏離程度進行了分析,并求出了各種情況下的偏離方差占。最后,本文還研究了對擾動源類型識別以及對擾動源產(chǎn)生原因區(qū)分的方法。關(guān)鍵字:擾動源非線性時變偏離方差中圖分類號:TM9350引言隨著科學(xué)技

2、術(shù)和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展以及電力市場的逐步形成,電能質(zhì)量問題受到了電力部門和用戶的廣泛關(guān)注,擾動源定位問題已經(jīng)成為該領(lǐng)域的重要課題。電力系統(tǒng)擾動源的主要表現(xiàn)形式有:電壓凹陷、電壓膨脹、瞬間電壓降落等。諧波源也可看成某種特殊形式的擾動源。長期以來,國內(nèi)外學(xué)者在此方面做了大量研究。文獻2提出了一種基于臨近點波形比較的方法,但它不能檢測周期性的平項及相控負荷波形的擾動源。文獻3介紹了另一種通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別擾動源的方法,它的局限性表現(xiàn)在一種特定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只能檢測出一種波形畸變的現(xiàn)象。小波變換理論的蓬勃發(fā)展為分析電能質(zhì)量提供了一種強有力的工具,文獻4等將其用于檢測波形畸變,卓有成效。但在背景噪聲下判斷精

3、度受到影響。文章5介紹了一種基于非線性特征識別諧波源的方法,但僅用于識別諧波干擾。本文基于擾動源產(chǎn)生的瞬時負荷特性定位擾動源。所謂瞬時負荷特性是指負荷參數(shù)在N個連續(xù)瞬間所表現(xiàn)出來的特征。具體地說,在諧波中表現(xiàn)為非線性特征,在電壓凹陷、電壓膨脹、瞬間電壓降落三種情況中表現(xiàn)為時變特征。1基本原理一電力系統(tǒng)參數(shù)的非線性與時變特征在任一系統(tǒng)中,電壓與電流的關(guān)系可以表示為:U=f(i,f如果電壓與電流的關(guān)系是線性的,且t。到t2系統(tǒng)參數(shù)固定,則上式可表示為:U=f(i,f2藝Ci(tX。其中,X.是f及f的各階導(dǎo)數(shù)。如果電壓與電流的關(guān)系是非線性的,則必然有:“=f(i,f藝C,(fx。此時,定義偏離程度

4、為:S=f(i,r一藝Ci(fx。如果從tt到tz線性系統(tǒng)參數(shù)C;(f發(fā)生變化,則U=f(i,t1藝cf(f2x。其偏離程度也可以定義為:s2f(i,f1一二Ci(/2Xf國家自然科學(xué)基金(50177021資助項目(1(2(3(4(5(6:!:皇壟墨竺塑查堊塹坌塹蘭絲型同樣都是偏離程度,但式(4與式(6的意義各不相同。式(4表示由系統(tǒng)參數(shù)非線性特征引起的差異:式(6表示由系統(tǒng)參數(shù)時變特征引起的差異。2數(shù)學(xué)模型2.1擾動源的定位在對擾動源進行定位的時候,本文的基本方法是模擬瞬間負荷參數(shù)(R&L的特征。在一個RE電路中,瞬時電壓v(t與瞬時電流i(t的關(guān)系可以表示為:V(f=Rl(f+魯(

5、L(ff(在一一個極短的時間內(nèi),R、L的值可以被認為是一個常數(shù)。則上式(7可被改寫為(8:v(f:Ri“+L生!生如果v(t表示某條母線的瞬時電壓,則i(t表示相應(yīng)的支路的瞬時電流。在三個連續(xù)的瞬間(tt,tz,t3上式(8可以被改寫為:v(t2:Ri(,2+L(i(t3-_i(tI同樣,對接下來的三個連續(xù)的瞬間有:p(f,:Ri(+u(i(t4-i(t2r4一r2改寫為矩陣形式,得(11:隴;=|矧挑or!=陸其中和五是一階導(dǎo)數(shù)以r/dt在t=t,和=如兩個時間點的值。對一h式(11進行矩陣的線性變換得到式(12,可以求到R&L的值王(7(8(9(10 (12公式(12在每三個連續(xù)的

6、時間點,可以求得一組R&L的值,若對負荷一個周期T的(2n個連續(xù)的時問點依次進行計算,最終可以得到r1個R,L的值。把所得到的負荷參數(shù)(R&L的值分別畫在兩個以時間為橫軸的圖上,觀察波形。如果在一段時間內(nèi)表現(xiàn)為定常特性,則這個支路是線性負荷(非擾動源。如果在圖中表現(xiàn)為非線性或時變特征,則這個支路有擾動源。在真實的電力系統(tǒng)中,沒有一種負荷的參數(shù)是完全恒定的常數(shù)。所以瞬時負荷參數(shù)具有明顯非線性或時變特征的支路有擾動源.2.2擾動源偏離程度分析負荷偏離程度的確定是建立在兩個波形比較的基礎(chǔ)上的,其中一個是負荷本身的實際畸變波形,另一個波形可以通過假設(shè)負荷是線性定常的(R&L常數(shù)

7、來描述瞬時負荷特征。比較它們之間的不同可以得到每個負荷參數(shù)的偏離程度。假設(shè)瞬時負荷參數(shù)是線性定常的,則”“#“+A_t=Ri(t+生1+Li(t+At-i(t(13 2。f在測量支路畸變電流的(t+At/2瞬間,相應(yīng)的計算電壓值也可以求到。對2n個連續(xù)的瞬間(從t=t,到t-te。,可以通過各個點的瞬時電流i(t+t/2,求到相應(yīng)的計算電壓v H#(t+t/2。這樣就可以得到兩組波形。一組是反映擾動源特征的實際電壓,一組是假設(shè)負荷是線性定常所求得的計算電壓。通過比較某個瞬間實際電壓和計算電壓,就可得這個瞬間的電壓偏離程度:S rf、:!二!(14”4K(f對于2n個連續(xù)瞬間來說,只需要用上面的

8、公式(14重復(fù)計算2n次,就可以分別求到各個時間點全國高等學(xué)校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第十九屆學(xué)術(shù)年會論文集相應(yīng)的s。并且可以由這組s的值可以計算負荷偏離方差(6,。算法如下(15由此還可以通過計算分段方差6J。,J“來區(qū)分由非線性引起的擾動和由時變特性引起的擾動。3算例3.1諧波諧波產(chǎn)生的根本原因是由于電力系統(tǒng)中某些設(shè)各和負荷的非線形特性,即所加的電壓與產(chǎn)生的電流不成線形關(guān)系造成的波形畸變。如圖l所示:v(t,i(t分別是一個諧波源支路上測得的畸變電壓v(t和畸變電流i(t,用上述算法分別求的其相應(yīng)的瞬時負荷參數(shù)相對其平均值的比值R和L,以及對應(yīng)的偏離程度s。如圖1所示。通過計算可得其電壓的總

9、諧波畸變率為THDv=2.6320,偏離方差670.10473.可見,諧波的偏離是由非線性特征引起的,且與其電壓畸變率有關(guān),而一般許多國家規(guī)定電壓畸變率不的超過5%,所以諧波的偏離方差不會很大。3.2電壓凹陷電壓凹陷可看作電力系統(tǒng)中電壓的暫時丟失。其典型特征是電壓的幅值下降到原來的10%90%,并且持續(xù)時問較長,在0.5個周期到1s.當瞬間短路出現(xiàn)或大的沖擊負荷、大功率的電動機投入時,易產(chǎn)生這個擾動。圖2是一個電壓凹陷的事例,持續(xù)時間為3個周期,電壓幅值下降了20%。假設(shè)在一條母線上,支路A是發(fā)生電壓凹陷擾動的支路,支路B是正常支路。在MATLAB的simulink 中的做仿真取仿真時閾為1.

10、5s,擾動時問為最長的ls,進行仿真后可分別得到支路A和B的電壓、電流的波形和在各個連續(xù)時間點的值。再用前面所述的方法用MATLAB計算A、B各支路的瞬時負荷電阻和電抗與其平均值的比值R、L,以及對應(yīng)的偏離程度s,偏離方差d,。Samplingtime蝴擾動源支路非擾動源支路圖l詣波的分析結(jié)果圖2電壓凹陷的分析結(jié)果Fig.1The resultofharraonlcs Fig.2The resultofvoltage sag 由計算可得:支路A的負荷偏離方差d礦33.274.支路B的負荷偏離方差d礦0.31027。由圖2可見.支路A上瞬時負荷參數(shù)電阻R和電抗L的變化明顯比支路B上瞬時負荷參數(shù)的

11、變化劇烈,根據(jù)電力系統(tǒng)參數(shù)的非線性與時變特征,可以判定擾動源在支路A上。同時由圖2可知,支路A的參數(shù)的偏離程度明顯大于支路B的參數(shù)偏離程度。與此同時,由于該擾動偏離是由時變特性引起的,所以其偏離方差較大。電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行分析與控制3.3電壓膨脹與電壓凹陷相反,電壓膨脹是指電壓幅值暫時變大。在單相短路時非故障相容易出現(xiàn)這種情況。圖3給出了電壓膨脹的波形和分析結(jié)果。電壓膨脹與電壓凹陷的唯一不同就在于電壓的幅值變換的方向,分析的結(jié)果與電壓凹陷的相同,這里就不重復(fù)了。其中,支路A的偏離方差d,0.13319。支路B的偏離方差d薩0.0060671。擾動源支路非擾動源支路圈3電壓膨脹的分析結(jié)果H93Th

12、eresultofvoltage swell由上圖3可見,支路A上瞬時負荷參數(shù)的變化明顯比支路B大,根據(jù)電力系統(tǒng)參數(shù)的非線性與時變特征原理,可以判定擾動源應(yīng)該發(fā)生在支路A上。同時由圖3可知,支路A的參數(shù)偏離程度明顯大于支路B。因此可以再次確定擾動源發(fā)生在支路A上。3.4瞬間電壓降落瞬間電壓降落是指電壓在很短的時間里下降又回升。Samplmhtime(s擾動源支路一非擾動源支路一噪聲支路圈4爵問電壓下降的分析結(jié)果FIgA Regaltofshorttimetramfovmofvoltagedlp上圖4給出了瞬間電壓下降的算例,在這個模型中引入了噪聲支路c,觀察在噪聲影響下,此方法能否對擾動源定位

13、。經(jīng)過模擬、計算可的:支路A的偏離方差6“=12.774。支路B的偏離方差J 廬0.18303。嘈聲支路C的偏離方差5。c=44.593。由圖4可見,支路h上瞬時負荷參數(shù)的變化也明顯大于支路B,所以可以判定擾動源在支路A上。同時,支路C的參數(shù)偏離程度明顯比支路A大,而支路A的參數(shù)的偏離程度明顯比支路B大。由這個結(jié)論可以再次確定擾動源發(fā)生在支路A上,并且支路c上的噪聲不對擾動源的定位產(chǎn)生干擾。全里壹竺蘭絲皇壟墨竺墨莖!墊些妻些莖±壟旦堂查竺壘笙苧叁:絲!: 4分析4.1擾動源類型的識別由上面四種情況的擾動源分析可以看到:不同類型的擾動源,其瞬時負荷參數(shù)(R&L和偏離程度的波形特

14、征是不同的。為了方便分析,將各種擾動情況下的偏離程度波形局部放大并進行比較,如下圖5所示:擾動源支路非擾動源支路圖5各種擾動源的偏離程度比較Fig.5Compareofthedegreeofeverydisturbance souI。se由上圖5可見:諧波擾動的瞬時負荷參數(shù)和偏離程度波形在整個橫軸上產(chǎn)生波動(非線性特征。而其它三種擾動只發(fā)生在擾動出現(xiàn)的那段時間(時變特征。其中電壓凹陷擾動的瞬時負荷參數(shù)特征是在擾動發(fā)生時段內(nèi)模擬電阻R和電感L有明顯下降,偏離程度波形波動嚴重。這是由其時變特性和擾動發(fā)生的原因引起的。而在電壓膨脹擾動中瞬時負荷參數(shù)R和L及偏離程度波形只在開始和結(jié)束處有明顯變化,偏離

15、程度較小。這也是由時變特性和擾動原因(三相中的一相部分短路,所以引起的擾動程度較電壓凹陷小引起的。最后,瞬時電壓下降的瞬時負荷參數(shù)波形表現(xiàn)為一個向下的尖角,偏離程度波形也只在擾動發(fā)生處有明顯波動。這也與其時變特性非常吻合。由上面這些特征,當測量出各支路電壓、電流,對擾動源定位的同時,還可以對擾動源的類型進行識別。4.2擾動源產(chǎn)生原因的區(qū)分擾動源按其產(chǎn)生的原因可以分為兩類;一種是由非線性特征引起的擾動(如:諧波等,一種是由時變特性引起的擾動(如:電壓凹陷等。區(qū)分這兩類擾動可以借助分段方差來實現(xiàn)。即將一個大于最長擾動持續(xù)時間的采樣時間平均分為三段,分別求出這三段相對與整個采樣區(qū)間的方差。如果這段時

16、間內(nèi)有由時變特性引起的擾動發(fā)生,則這三個分段方差必有一個的值明顯大于或小于另外兩個:并且這三個分段方差與偏離方差的值有明顯差別。下面以一個同時發(fā)生諧波和電壓凹陷的擾動為例。將前面電壓凹陷的算例中引入諧波,取仿真時間為1.5s,擾動時間為最長的1s,進行仿真。結(jié)果如下圖6所示: 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行分析與控制 電壓凹陷發(fā)生支路諧波支路 圖電壓凹陷在諧波背景下的分析結(jié)果 同樣計算、各支路的瞬時負荷電阻和電抗與其平均值的比值、，以及對應(yīng)的偏離程度，偏 離方差，和分段方差。由計算可得：支路的負荷偏離方差。支路的負荷偏離方差 礦。支路的分段方差：。產(chǎn)，。，。產(chǎn)：支路的分段方差： ， ， ?？梢?，支路的第二段方差明顯大于第一、第三段，且這 三個分段方差明顯與偏離方差大小不同：而支路的分段方差近似相等，且與偏離方差的大小也接近。 由此可以判定支路上有由時變特性引起的擾動（電壓凹陷）發(fā)生。而支路沒有。 結(jié)論 本文提出了一種對電能質(zhì)量擾動源定位的新方法，即在擾動源電壓對電流的瞬