電能質(zhì)量擾動(dòng)源定位方法研究

電能質(zhì)量擾動(dòng)源定位方法研究

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，基于大能源電網(wǎng)的開(kāi)關(guān)設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，能源網(wǎng)絡(luò)中的非線性設(shè)備得到了大量的增加，導(dǎo)致各種能源質(zhì)量問(wèn)題。其中，能源行氣源的定位是能源行氣分析的重要功能，對(duì)確定能源行氣的干擾源和處理電網(wǎng)污染具有重要的指導(dǎo)作用。目前,電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和分析領(lǐng)域的研究主要集中在擾動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)分類(lèi)、數(shù)據(jù)壓縮和消噪等方面,對(duì)擾動(dòng)源定位方面研究較少.其中功率能量法是目前常用的一種擾動(dòng)方向表示方法.文獻(xiàn)通過(guò)計(jì)算擾動(dòng)功率和擾動(dòng)能量變化量的符號(hào)來(lái)判斷擾動(dòng)源相對(duì)于監(jiān)測(cè)裝置的位置.文獻(xiàn)在文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局以及擾動(dòng)方向來(lái)確定擾動(dòng)源的位置.文獻(xiàn)結(jié)合擾動(dòng)初始能量的極值和擾動(dòng)初始電壓的極值,使其可以同時(shí)處理向系統(tǒng)注入能量的擾動(dòng)和系統(tǒng)釋放能量的擾動(dòng).文獻(xiàn)是根據(jù)電容器投切的特點(diǎn),通過(guò)比較擾動(dòng)前和擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)、系統(tǒng)功率因數(shù)和功率的變化來(lái)判斷擾動(dòng)源的相對(duì)位置.理論上擾動(dòng)方向可以通過(guò)擾動(dòng)功率和擾動(dòng)能量進(jìn)行表征,但擾動(dòng)信號(hào)可大可小,在各測(cè)點(diǎn)的分布也不一樣,擾動(dòng)功率主要是一種交換功率,凈有功功率和能量往往比較小.因此,無(wú)論是周期性長(zhǎng)時(shí)間擾動(dòng)、還是短時(shí)間或瞬時(shí)擾動(dòng),相對(duì)于工頻量來(lái)說(shuō)其擾動(dòng)功率或能量都很小,加上負(fù)荷波動(dòng)、隨機(jī)干擾、測(cè)量誤差、算法誤差以及擾動(dòng)波形不確定等因素,實(shí)際上依據(jù)擾動(dòng)功率和能量的擾動(dòng)方向表示并不可靠.目前提出的定位算法,僅考慮了擾動(dòng)方向的符號(hào),沒(méi)有考慮擾動(dòng)方向特征量的強(qiáng)弱.擾動(dòng)信號(hào)越弱的測(cè)點(diǎn),所確定的擾動(dòng)方向越不可靠,而如果將強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)判斷出的擾動(dòng)方向平等地作用在定位算法中,必然導(dǎo)致定位結(jié)果錯(cuò)誤.筆者將擾動(dòng)方向用強(qiáng)度和方向2個(gè)特征表示,即擾動(dòng)測(cè)度表示,提出一種容許擾動(dòng)信息不可靠的擾動(dòng)定位算法.1擾動(dòng)功率的確定通過(guò)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄的三相電壓波形和三相電流波形,便可以通過(guò)計(jì)算得到流經(jīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)功率.對(duì)稱(chēng)三相電路的三相瞬時(shí)功率為p(t)=uA(t)iA(t)+uB(t)iB(t)+uC(t)iC(t).(1)p(t)=uA(t)iA(t)+uB(t)iB(t)+uC(t)iC(t).(1)式中uA,uB,uC分別為A,B,C相的瞬時(shí)電壓值;iA(t),iB(t),iC(t)分別為A,B,C相的瞬時(shí)電流值.發(fā)生擾動(dòng)時(shí)的三相瞬時(shí)功率與系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的三相瞬時(shí)功率之差為擾動(dòng)功率,即DΡ(t)=Ρd(t)-Ρs(t).(2)DP(t)=Pd(t)?Ps(t).(2)式中Pd(t)為發(fā)生擾動(dòng)時(shí)的三相瞬時(shí)功率;Ps(t)為系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的三相瞬時(shí)功率.擾動(dòng)功率的積分為擾動(dòng)能量DE.系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),瞬時(shí)功率近似為常數(shù),因此擾動(dòng)功率值總接近0;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí),瞬時(shí)功率發(fā)生變化,擾動(dòng)功率與擾動(dòng)能量不再為0,根據(jù)擾動(dòng)時(shí)擾動(dòng)能量總是從其它負(fù)荷向擾動(dòng)處流動(dòng)的原理,便可以確定擾動(dòng)源相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置.擾動(dòng)發(fā)生后,如果擾動(dòng)功率的初始值DP0<0,或擾動(dòng)能量的終始值DWF<0,表示有能量從監(jiān)測(cè)點(diǎn)流失,擾動(dòng)源在監(jiān)測(cè)點(diǎn)之后;相反,則表示擾動(dòng)源在監(jiān)測(cè)點(diǎn)之前.需要指出的是,擾動(dòng)能量的流動(dòng)并非是實(shí)際的能量流動(dòng),在擾動(dòng)發(fā)生時(shí),仍有能量流向負(fù)荷,擾動(dòng)能量只是表示能量的變化.根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)瞬時(shí)功率的方向是流向負(fù)荷還是流出負(fù)荷可以確定擾動(dòng)源的相對(duì)位置.2點(diǎn)上游信息的表現(xiàn)現(xiàn)有的擾動(dòng)定位方法,均是給出一個(gè)表明擾動(dòng)源相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的符號(hào),即當(dāng)擾動(dòng)源位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)下游時(shí)用+1表示;擾動(dòng)源位于監(jiān)測(cè)點(diǎn)上游時(shí)用-1表示.這種符號(hào)型的表示方法僅定性地表示了擾動(dòng)方向性符號(hào),未能體現(xiàn)擾動(dòng)特征量的強(qiáng)弱程度.當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí),若擾動(dòng)特征量非常顯著,擾動(dòng)定位結(jié)果才非?？煽?但當(dāng)其特征量很微弱時(shí),定位結(jié)果則可能是錯(cuò)誤的,這種差異從符號(hào)型定位結(jié)果上不能體現(xiàn)出來(lái).為此,筆者應(yīng)用基本信度分配函數(shù)對(duì)擾動(dòng)信息進(jìn)行量化處理,使其可以定量地度量出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)判斷結(jié)果的可信程度.2.1擾動(dòng)方向特征量的確定根據(jù)電能質(zhì)量擾動(dòng)源定位問(wèn)題的特點(diǎn),筆者構(gòu)造的基本信度分配函數(shù)為相對(duì)信度分配函數(shù)與可確定信度系數(shù)的乘積,表述為m(i)=mr(i)ma(i).(3)m(i)=mr(i)ma(i).(3)式中mr(i)為相對(duì)信度函數(shù);ma(i)為可確定信度系數(shù),i為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的編號(hào),i=1,2,…,n.相對(duì)信度函數(shù)mr表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的擾動(dòng)特征量與系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的特征量的相對(duì)比值,體現(xiàn)了擾動(dòng)方向特征量的強(qiáng)弱程度.考慮到如果擾動(dòng)特征量非常微弱,則它所確定的擾動(dòng)方向?qū)⒉豢煽?因此把它的特征值歸為0,認(rèn)為此監(jiān)測(cè)點(diǎn)不能確定擾動(dòng)方向.mr(i)={0,|ΔΜF(xiàn)(i)|ΜF(xiàn)(i)≤0.1且order(i)＜2?ΔΜF(xiàn)(i)ΜF(xiàn)(i),其他.(4)mr(i)=?????0,ΔMF(i)MF(i),|ΔMF(i)|MF(i)≤0.1且order(i)＜2?其他.(4)式中ΔMF(i)指擾動(dòng)特征量,即擾動(dòng)功率或擾動(dòng)能量;MF(i)指系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)的特征量;order(i)表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的擾動(dòng)特征量的絕對(duì)值在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)中按大小排列次序.可確定信度系數(shù)ma(i)用來(lái)將特征值在可確定與不可確定之間進(jìn)行再平衡,如果擾動(dòng)功率和擾動(dòng)能量所判斷的擾動(dòng)方向相同,則判斷結(jié)果可靠;反之可靠性降低.ma(i)={1sgn(DΡ0(i))sgn(DWF(i))=1,12sgn(DΡ0(i))sgn(DWF(i))=-1.(5)ma(i)={112sgn(DP0(i))sgn(DWF(i))=1,sgn(DP0(i))sgn(DWF(i))=?1.(5)式中DP0(i)為第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)擾動(dòng)功率的初始值;DWF(i)為第i個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)擾動(dòng)能量的終始值;sgn為符號(hào)函數(shù).2.2模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度函數(shù)一般情況下,擾動(dòng)方向主要是通過(guò)擾動(dòng)能量的終始值判斷的,但當(dāng)擾動(dòng)能量終始值的絕對(duì)值與擾動(dòng)能量峰值的絕對(duì)值相比“較小”時(shí),首先用擾動(dòng)功率的初始值的極性來(lái)判斷擾動(dòng)方向,通常情況把“較小”規(guī)定為擾動(dòng)能量終始值的絕對(duì)值小于擾動(dòng)能量峰值絕對(duì)值的80%,并結(jié)合擾動(dòng)發(fā)生時(shí)擾動(dòng)能量的變化來(lái)確定結(jié)果.這里定義所謂的“較小”是一個(gè)模糊概念,因此,應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度函數(shù)可以得到很好的解決.若對(duì)論域(研究的范圍)U中的任一元素x都有一個(gè)數(shù)A(x)∈[0,1]與之對(duì)應(yīng),則稱(chēng)A為U上的模糊集,A(x)稱(chēng)為x對(duì)A的隸屬度.當(dāng)x在U中變動(dòng)時(shí),A(x)就是1個(gè)函數(shù),稱(chēng)為A的隸屬函數(shù).隸屬度A(x)越接近于1,表示x屬于A的程度越高,A(x)越接近于0,表示x屬于A的程度越低.用取值于區(qū)間[0,1]的隸屬函數(shù)A(x)表征x屬于A的程度高低.筆者采用的隸屬度函數(shù)為μ(i)={1,0.8≤h≤1；[1+(h-0.80.1)-1],0≤h≤0.8.(6)μ(i)={1,[1+(h?0.80.1)?1],0.8≤h≤1；0≤h≤0.8.(6)式中h為擾動(dòng)能量終始值的絕對(duì)值與擾動(dòng)能量峰值的絕對(duì)值的比值.結(jié)合上述情況,便可以把擾動(dòng)功率和擾動(dòng)能量綜合起來(lái)進(jìn)行擾動(dòng)源定位,所得到的監(jiān)測(cè)點(diǎn)i的擾動(dòng)方向測(cè)度值即為m′(i)=μ(i)mDW(i)+(1-μ(i))mDΡ(i).(7)把所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的擾動(dòng)方向測(cè)度值排列起來(lái)用向量的形式表示,便構(gòu)成了擾動(dòng)方向測(cè)度列向量,即B=(m′(1),m′(2),m′(3),?,m′(n))Τ.(8)2.3電網(wǎng)拓?fù)鋱D的覆蓋矩陣在電力系統(tǒng)分析中,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加清晰準(zhǔn)確,通常用拓?fù)鋱D來(lái)抽象表示電網(wǎng)結(jié)構(gòu).由于電力系統(tǒng)出現(xiàn)的擾動(dòng)大部分來(lái)自線路和終端負(fù)荷,因此,筆者所建立的拓?fù)鋱D將線路以外的部分都與線路合并,拓?fù)鋱D中僅含有母線、線路和負(fù)荷.在每條母線的出線上分別安裝電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置,然后利用電網(wǎng)拓?fù)鋱D進(jìn)一步建立覆蓋矩陣.覆蓋矩陣能夠表示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與元件之間的關(guān)系,顯示了元件是否在監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍內(nèi).覆蓋矩陣A是1個(gè)L×M階的矩陣,其中,L是支路的個(gè)數(shù);M是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù).如果線路Li位于第j個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的下游區(qū)域,則令aij=1;如果線路Li位于第j個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的上游區(qū)域,則令aij=-1.覆蓋矩陣A乘以擾動(dòng)方向測(cè)度列向量B,便可以得到合成測(cè)度列向量C,C是1個(gè)L×1階矩陣,矩陣C中的元素便是其所對(duì)應(yīng)支路可能存在擾動(dòng)源的信度值.信度值越大,此線路存在擾動(dòng)源的可靠性越大.3擾動(dòng)方向測(cè)度應(yīng)用電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真軟件(DDRTS)搭建了電能質(zhì)量仿真平臺(tái),構(gòu)造的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.L1～L9代表線路,S1～S5代表負(fù)荷.為了能監(jiān)測(cè)到整條線路,電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別置于各條線路首端,且編號(hào)與線路相同.根據(jù)圖1可以得到覆蓋矩陣:A=[+1-1-1-1-1-1-1-1-1+1+1-1-1-1-1-1-1-1+1-1+1-1-1-1-1-1-1+1+1-1+1-1-1-1-1-1+1+1-1-1+1-1-1-1-1+1+1-1-1+1+1-1-1-1+1+1-1-1+1-1+1-1-1+1-1+1-1-1-1-1+1-1+1-1+1-1-1-1-1-1+1].假設(shè)在負(fù)荷S9處發(fā)生擾動(dòng),且由于隨機(jī)干擾等不確定因素的存在,使得監(jiān)測(cè)點(diǎn)3的擾動(dòng)方向判斷錯(cuò)誤,則擾動(dòng)方向矩陣為B1=(+1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,+1)Τ.按筆者改進(jìn)方法所確定的擾動(dòng)方向測(cè)度列向量為B2=(0.109,-0.302,-1.144,-0.301,-0.299,-0.300,-0.325,2.455)Τ.應(yīng)用筆者提出的擾動(dòng)測(cè)度定位方法與僅利用擾動(dòng)方向的定位方法分別進(jìn)行擾動(dòng)定位計(jì)算,結(jié)果列于表1.其中,方法1為僅根據(jù)擾動(dòng)方向確定擾動(dòng)源位置;方法2是根據(jù)擾動(dòng)方向測(cè)度列向量確定擾動(dòng)源位置.由表1可以看出,通過(guò)方法1來(lái)確定擾動(dòng)源的位置時(shí)出現(xiàn)了多解的情況,即線路1和線路9均可能是擾動(dòng)源所在的支路.此時(shí),