電能質(zhì)量擾動源定位方法研究

電能質(zhì)量擾動源定位方法研究

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)量問題。其中，能源行氣源的定位是能源行氣分析的重要功能，對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)測和分析領(lǐng)域的研究主要集中在擾動檢測、自動分類、數(shù)據(jù)壓縮和消噪等方面,對擾動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方向表示方法.文獻(xiàn)通過計算擾動功率和擾動能量變化量的符號來判斷擾動源相對于監(jiān)測裝置的位置.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)測點布局以及擾動方向來確定擾動源的位置.文獻(xiàn)結(jié)合擾動初始能量的極值和擾動初始電壓的極值,使其可以同時處理向系統(tǒng)注入能量的擾動和系統(tǒng)釋放能量的擾動.文獻(xiàn)是根據(jù)電容器投切的特點,通過比較擾動前和擾動后的穩(wěn)態(tài)、系統(tǒng)功率因數(shù)和功率的變化來判斷擾動源的相對位置.理論上擾動方向可以通過擾動功率和擾動能量進(jìn)行表征,但擾動信號可大可小,在各測點的分布也不一樣,擾動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,無論是周期性長時間擾動、還是短時間或瞬時擾動,相對于工頻量來說其擾動功率或能量都很小,加上負(fù)荷波動、隨機干擾、測量誤差、算法誤差以及擾動波形不確定等因素,實際上依據(jù)擾動功率和能量的擾動方向表示并不可靠.目前提出的定位算法,僅考慮了擾動方向的符號,沒有考慮擾動方向特征量的強弱.擾動信號越弱的測點,所確定的擾動方向越不可靠,而如果將強信號和弱信號判斷出的擾動方向平等地作用在定位算法中,必然導(dǎo)致定位結(jié)果錯誤.筆者將擾動方向用強度和方向2個特征表示,即擾動測度表示,提出一種容許擾動信息不可靠的擾動定位算法.1擾動功率的確定通過電能質(zhì)量監(jiān)測點記錄的三相電壓波形和三相電流波形,便可以通過計算得到流經(jīng)監(jiān)測點的瞬時功率.對稱三相電路的三相瞬時功率為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相的瞬時電壓值;iA(t),iB(t),iC(t)分別為A,B,C相的瞬時電流值.發(fā)生擾動時的三相瞬時功率與系統(tǒng)穩(wěn)定時的三相瞬時功率之差為擾動功率,即DΡ(t)=Ρd(t)-Ρs(t).(2)DP(t)=Pd(t)?Ps(t).(2)式中Pd(t)為發(fā)生擾動時的三相瞬時功率;Ps(t)為系統(tǒng)穩(wěn)定時的三相瞬時功率.擾動功率的積分為擾動能量DE.系統(tǒng)穩(wěn)定時,瞬時功率近似為常數(shù),因此擾動功率值總接近0;當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時,瞬時功率發(fā)生變化,擾動功率與擾動能量不再為0,根據(jù)擾動時擾動能量總是從其它負(fù)荷向擾動處流動的原理,便可以確定擾動源相對于監(jiān)測點的位置.擾動發(fā)生后,如果擾動功率的初始值DP0<0,或擾動能量的終始值DWF<0,表示有能量從監(jiān)測點流失,擾動源在監(jiān)測點之后;相反,則表示擾動源在監(jiān)測點之前.需要指出的是,擾動能量的流動并非是實際的能量流動,在擾動發(fā)生時,仍有能量流向負(fù)荷,擾動能量只是表示能量的變化.根據(jù)監(jiān)測點瞬時功率的方向是流向負(fù)荷還是流出負(fù)荷可以確定擾動源的相對位置.2點上游信息的表現(xiàn)現(xiàn)有的擾動定位方法,均是給出一個表明擾動源相對于監(jiān)測點位置的符號,即當(dāng)擾動源位于監(jiān)測點下游時用+1表示;擾動源位于監(jiān)測點上游時用-1表示.這種符號型的表示方法僅定性地表示了擾動方向性符號,未能體現(xiàn)擾動特征量的強弱程度.當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生擾動時,若擾動特征量非常顯著,擾動定位結(jié)果才非常可靠,但當(dāng)其特征量很微弱時,定位結(jié)果則可能是錯誤的,這種差異從符號型定位結(jié)果上不能體現(xiàn)出來.為此,筆者應(yīng)用基本信度分配函數(shù)對擾動信息進(jìn)行量化處理,使其可以定量地度量出各監(jiān)測點判斷結(jié)果的可信程度.2.1擾動方向特征量的確定根據(jù)電能質(zhì)量擾動源定位問題的特點,筆者構(gòu)造的基本信度分配函數(shù)為相對信度分配函數(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)為相對信度函數(shù);ma(i)為可確定信度系數(shù),i為監(jiān)測點的編號,i=1,2,…,n.相對信度函數(shù)mr表示監(jiān)測點所測得的擾動特征量與系統(tǒng)穩(wěn)定時的特征量的相對比值,體現(xiàn)了擾動方向特征量的強弱程度.考慮到如果擾動特征量非常微弱,則它所確定的擾動方向?qū)⒉豢煽?因此把它的特征值歸為0,認(rèn)為此監(jiān)測點不能確定擾動方向.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)指擾動特征量,即擾動功率或擾動能量;MF(i)指系統(tǒng)穩(wěn)定時的特征量;order(i)表示監(jiān)測點的擾動特征量的絕對值在各監(jiān)測點中按大小排列次序.可確定信度系數(shù)ma(i)用來將特征值在可確定與不可確定之間進(jìn)行再平衡,如果擾動功率和擾動能量所判斷的擾動方向相同,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個監(jiān)測點擾動功率的初始值;DWF(i)為第i個監(jiān)測點擾動能量的終始值;sgn為符號函數(shù).2.2模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度函數(shù)一般情況下,擾動方向主要是通過擾動能量的終始值判斷的,但當(dāng)擾動能量終始值的絕對值與擾動能量峰值的絕對值相比“較小”時,首先用擾動功率的初始值的極性來判斷擾動方向,通常情況把“較小”規(guī)定為擾動能量終始值的絕對值小于擾動能量峰值絕對值的80%,并結(jié)合擾動發(fā)生時擾動能量的變化來確定結(jié)果.這里定義所謂的“較小”是一個模糊概念,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.若對論域(研究的范圍)U中的任一元素x都有一個數(shù)A(x)∈[0,1]與之對應(yīng),則稱A為U上的模糊集,A(x)稱為x對A的隸屬度.當(dāng)x在U中變動時,A(x)就是1個函數(shù),稱為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為擾動能量終始值的絕對值與擾動能量峰值的絕對值的比值.結(jié)合上述情況,便可以把擾動功率和擾動能量綜合起來進(jìn)行擾動源定位,所得到的監(jiān)測點i的擾動方向測度值即為m′(i)=μ(i)mDW(i)+(1-μ(i))mDΡ(i).(7)把所有監(jiān)測點得到的擾動方向測度值排列起來用向量的形式表示,便構(gòu)成了擾動方向測度列向量,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,為了簡化計算,使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更加清晰準(zhǔn)確,通常用拓?fù)鋱D來抽象表示電網(wǎng)結(jié)構(gòu).由于電力系統(tǒng)出現(xiàn)的擾動大部分來自線路和終端負(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)測點的位置與元件之間的關(guān)系,顯示了元件是否在監(jiān)測裝置的監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi).覆蓋矩陣A是1個L×M階的矩陣,其中,L是支路的個數(shù);M是監(jiān)測點的個數(shù).如果線路Li位于第j個監(jiān)測點的下游區(qū)域,則令aij=1;如果線路Li位于第j個監(jiān)測點的上游區(qū)域,則令aij=-1.覆蓋矩陣A乘以擾動方向測度列向量B,便可以得到合成測度列向量C,C是1個L×1階矩陣,矩陣C中的元素便是其所對應(yīng)支路可能存在擾動源的信度值.信度值越大,此線路存在擾動源的可靠性越大.3擾動方向測度應(yīng)用電力系統(tǒng)動態(tài)實時仿真軟件(DDRTS)搭建了電能質(zhì)量仿真平臺,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)測到整條線路,電能質(zhì)量監(jiān)測點分別置于各條線路首端,且編號與線路相同.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,且由于隨機干擾等不確定因素的存在,使得監(jiān)測點3的擾動方向判斷錯誤,則擾動方向矩陣為B1=(+1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,+1)Τ.按筆者改進(jìn)方法所確定的擾動方向測度列向量為B2=(0.109,-0.302,-1.144,-0.301,-0.299,-0.300,-0.325,2.455)Τ.應(yīng)用筆者提出的擾動測度定位方法與僅利用擾動方向的定位方法分別進(jìn)行擾動定位計算,結(jié)果列于表1.其中,方法1為僅根據(jù)擾動方向確定擾動源位置;方法2是根據(jù)擾動方向測度列向量確定擾動源位置.由表1可以看出,通過方法1來確定擾動源的位置時出現(xiàn)了多解的情況,即線路1和線路9均可能是擾動源所在的支路.此時,