一种智能配变终端冲击性负荷谐波源识别方法与流程

本发明涉及电能质量监控领域，尤其涉及一种智能配变终端冲击性负荷谐波源识别方法。

背景技术：

随着电力系统规模的不断扩大，大功率变流装置、可控硅控制装置、各种大功率非线性负荷的日益广泛应用，以及家用电器的普及,电力系统谐波污染日益严重,大量的谐波和无功电流注入电网，电能质量下降。谐波不仅使电力设备损耗增加，继电保护和自动化装置误动作，引起电气谐振和电机的机械振动，而且干扰通信线路，影响测量仪表的精度，甚至造成电网的大事故，对电力系统的安全、经济运行带来了很大的影响，已成为电力系统的主要公害之一，与电磁干扰、功率因数降低并列为电力系统中的三大公害。对电力系统中的谐波含量进行实时监测,确切掌握电力系统中的谐波状况并进行谐波抑制，对于防止谐波危害,维护电力系统的安全运行是十分必要的。目前谐波源识别目的主要是确定谐波源是来自于供电侧还是用户侧，但如何在确定来自于用户侧的基础上，在众多的电网谐波中对谐波源种类乃至谐波源个体进行识别，以便强制或帮助用户进行改造，从源头上降低或消除谐波的产生，这一方面还做得远远不够。

技术实现要素：

本发明针对以上问题，提供了一种能够精确识别谐波产生源头且能够快速判定谐波种类的智能配变终端冲击性负荷谐波源识别方法。

本发明的技术方案是：一种智能配变终端冲击性负荷谐波源识别方法，工作步骤如下：

1)确定谐波分析次数及谐波的计算方法，

2)建立冲击性负荷谐波源特征库，

3)识别冲击性负荷谐波源，完毕。

所述步骤1)确定谐波分析次数及谐波的计算方法的具体步骤如下：

1.1)确定谐波分析次数为第二次谐波到第19次谐波，

1.2)采集若干周波内的电流数据，

1.3)计算得出谐波频率种类及各谐波的幅度有效值，

1.4)通过步骤1.3)的有效值对谐波状态进行评估，完毕。

所述步骤2)建立冲击性负荷谐波源特征库的建立方法为：

2.1)获取冲击性负荷谐波源特征向量，

2.2)提取冲击性负荷电流波形包络，

2.3)估算冲击性负荷谐波电流有效值，完毕。

所述步骤3)识别冲击性负荷谐波源的方法为：

3.1)计算冲击电流包络形状匹配度p1，

3.2)计算冲击电流持续时间匹配度p2，

3.3)计算冲击电流间隔周期匹配度p3，

3.4)计算冲击电流产生谐波电流次数及各次谐波电流有效值匹配度p4，

3.5)设定p1的权重值为a1，p2的权重值为a2，p3的权重值为a3，p4的权重值为a4，

3.6)对p1、p2、p3、p4进行加权求和，

3.7)设定识别总匹配度阈值thr_total，

3.8)加权求和值与thr_total值相比较，若加权求和值大于thr_total值，则该谐波源匹配成功，否则匹配不成功，完毕。

所述步骤2.3)估算冲击性负荷谐波电流有效值的方法为：

2.31)同次谐波的相位角为随机变量。两同次谐波电流的数值为iha和ihb，其相角随机变化，则合成谐波电流的估算公式为：

式(4)中，kh＝2cosθh≤2；从而估算出冲击性负荷谐波电流有效值。

本发明提出了一种短时间谐波的谐波源种类乃至谐波源个体识别方法。该方法通过采集一定周波的谐波电流时间内的电流数据，利用基于快速傅立叶变换的谐波测量方法进行计算，通过计算得到的谐波特征并结合冲击电流波形特征进行冲击性负荷谐波源识别。由于电网中的实际冲击电流信号会受到电网阻抗的影响，其幅度可能会减小。因此，无论是作为匹配模板的波形包络数据，还是实际过程中采集的波形包络数据，都必须进行归一化，这样才能具有可比较性。通过采集到的谐波信息建立模板，再将实际采集到的谐波信息与模板信息相匹配，实现谐波种类鉴别。通过设置权重值区分多个匹配度的重要性，使得判定结果更加精确。能够精确识别谐波产生源头且能够快速判定谐波种类。

附图说明

图1是本发明工作流程图。

具体实施方式

本发明如图1所示，一种智能配变终端冲击性负荷谐波源识别方法，工作步骤如下：

1)确定谐波分析次数及谐波的计算方法，

gb/t14549-93中附录d2中规定，测量的谐波次数一般为第2～第19次，根据谐波源的特点和测试分析结果，可以适当变动谐波次数测量的范围。《q/gdw615-2011农网智能配变终端功能规范和技术条件》中5.1部分规定，配电变压器谐波监测的数据类型为电压(电流)的2次～19次谐波分量、谐波含有率及总畸变率。因此，本发明中谐波分析的次数为第2～第19次。

根据iec61000-4-7-2009中4.4.1，谐波测量的频谱分析时间窗，统一规定为10周期，对频率为50hz的电网而言，即为200ms。10周期时间窗频谱分析结果作为非稳态信号谐波、间谐波评估的基础数据。谐波、间谐波电能质量指标的评估时间为：3s、10min。gb/t14549-93中附录d5.2明确要求考核3s谐波值。这是为了区分暂态现象和谐波，对负荷变化快的谐波，每次测量结果为3s内所测值的平均值。

本发明中具体谐波分析流程采用iec61000-4-7-2009中图1所示的通用方法。通过采集一定周波(本案采用150周波，即3s)的谐波电流时间内的电流数据，利用基于快速傅立叶变换的谐波测量方法进行计算，分别得到3s时间段内含有的谐波频率种类及各谐波的幅度有效值，并对10分钟的谐波进行无间断采集分析，进而对谐波状态进行评估，通过得到的谐波特征并结合冲击电流波形特征进行冲击性负荷谐波源识别。

2)建立冲击性负荷谐波源特征库，

3)识别冲击性负荷谐波源，完毕。

所述步骤1)确定谐波分析次数及谐波的计算方法的具体步骤如下：

1.1)确定谐波分析次数为第二次谐波到第19次谐波，gb/t14549-93中附录d2中规定，测量的谐波次数一般为第2～第19次，根据谐波源的特点和测试分析结果，可以适当变动谐波次数测量的范围。《q/gdw615-2011农网智能配变终端功能规范和技术条件》中5.1部分规定，配电变压器谐波监测的数据类型为电压(电流)的2次～19次谐波分量、谐波含有率及总畸变率。因此，本发明中谐波分析的次数为第2～第19次。

1.2)采集若干周波内的电流数据，本发明中具体谐波分析流程采用iec61000-4-7-2009中图1所示的通用方法。通过采集一定周波(本案采用150周波，即3s)的谐波电流时间内的电流数据，利用基于快速傅立叶变换的谐波测量方法进行计算，分别得到3s时间段内含有的谐波频率种类及各谐波的幅度有效值，并对10分钟的谐波进行无间断采集分析，进而对谐波状态进行评估，通过得到的谐波特征并结合冲击电流波形特征进行冲击性负荷谐波源识别。

1.3)计算得出谐波频率种类及各谐波的幅度有效值，利用基于快速傅立叶变换的谐波测量方法进行计算，分别得到3s时间段内含有的谐波频率种类及各谐波的幅度有效值，并对10分钟的谐波进行无间断采集分析，进而对谐波状态进行评估，通过得到的谐波特征并结合冲击电流波形特征进行冲击性负荷谐波源识别。

1.4)通过步骤1.3)的有效值对谐波状态进行评估，完毕。通过得到的谐波特征并结合冲击电流波形特征进行冲击性负荷谐波源识别。

所述步骤2)建立冲击性负荷谐波源特征库的建立方法为：

2.1)获取冲击性负荷谐波源特征向量，同一配电变压器下，其主要冲击性负荷谐波源是已知的，因此，可预先确定谐波特征向量，通过对采集冲击电流数据进行测量和分析，建立谐波源特征库。该谐波源特征库内容包括：冲击电流包络形状、冲击电流持续时间、冲击电流间隔周期、冲击电流产生谐波电流次数及各次谐波电流有效值。其中，冲击电流持续时间、冲击电流间隔周期提取较为容易。因受电网中其它谐波源的影响较大，冲击电流包络形状会产生畸变，同时实测的谐波电流有效值也会产生变化，需进行预处理，进而分别得到它们的近似值。将以上特征向量建库，在正常谐波监测过程中，将检测和分析的结果与特征向量库数据进行匹配比较，进而进行谐波源识别。

2.2)提取冲击性负荷电流波形包络，因受电网其它谐波源影响，实际冲击性负荷产生的冲击电流波形会还有大量谐波，进而造成冲击电流波形含有噪声，因此无论数据库中的匹配包络模板，还是实际检测的待识别冲击电流波形包络，均需进行滤波处理，然后进行波形匹配，以提高匹配的准确性。

fir滤波器，即有限长单位冲激响应滤波器，在通信、图像处理、模式识别等领域都有着广泛的应用，是数字信号处理系统中最基本的元件，它可以在保证幅频特性的同时具有严格的线性相频特性，同时其单位抽样响应是有限长的，因而滤波器是稳定的系统。因此，本发明冲击电流波形包络提取采用fir数字低通滤波器，以消除叠加在电流上的谐波。为了去除2次以上谐波，fir数字低通滤波器通频带的截止频率设定为100hz。为保证包络匹配的准确性，匹配模板建立时采用的fir数字滤波器参数必须与实际监测过程中采用的fir数字滤波器参数完全一致。

由于电网中的实际冲击电流信号会受到电网阻抗的影响，其幅度可能会减小。因此，无论是作为匹配模板的波形包络数据，还是实际过程中采集的波形包络数据，都必须进行归一化，这样才能具有可比较性。

常用的波形匹配算法主要为基于绝对值差的匹配算法和基于相关系数的匹配算法，本发明采用基于绝对值差的匹配算法。基于绝对值差的匹配算法简单，计算处理速度快，满足监测的实时性要求。该算法的缺点是噪声和波形失真对匹配效果影响较大。本发明中，已在匹配之前进行了预处理，即对波形进行了fir数字滤波和归一化，因此可提高匹配精度。本发明采用平均绝对值差法，即对模板波形与待测波形的所有采样点进行差值绝对值求和，再取其平均值作为相关性。

2.3)估算冲击性负荷谐波电流有效值，完毕。配变终端进行电流采样分析。由于冲击电流波形幅度较大，因此当通过电流波形幅度分析得出冲击电流发生时，将冲击电流发生前3s、冲击电流发生持续期的谐波分析结果及冲击电流发生时刻、冲击电流结束时刻提取出来。冲击电流发生持续期的谐波分析结果用于提取各谐波次数和各谐波有效值。

电力系统中，不同谐波源产生的同一次谐波，在某一条线路中叠加形成的谐波电流，计算如下：

同次谐波的幅值和相位确定时。设已知某支路中两同次谐波电流用复数相量表示为和则合成谐波电流的正确数值为：

式(3)中，iha-谐波源a注入的第h次谐波电流；ihb-谐波源b注入的第h次谐波电流；θh-两谐波源注入的第h次谐波电流的相位角差，θh＝θha-θhb。

(2)同次谐波的相位角为随机变量。两同次谐波电流的数值为iha和ihb，其相角随机变化，则合成谐波电流的估算公式为：

式(4)中，kh＝2cosθh≤2。对于各次谐波的kh估算值见gb/t14549-93中附录c中表c2。随着谐波次数的增高，kh逐渐减小，ih的估计值也随着相角差的分散性增大而减小，对于h＝9、h>13及偶次谐波，kh取0。

表c2

本案中，假定iha为冲击电流发生前的各次谐波电流之和，ihb为冲击电流产生的各次谐波电流状态，ih为冲击电流发生期间的合成各次谐波电流。当冲击电流未发生时，短时间内电网的谐波特征可以认为是不变的。因此，冲击电流发生前3s的各谐波次数及各谐波有效值可作为冲击电流发生期间的各谐波次数及各谐波有效值。由于各次谐波电流的相位角未知，因此可按式(4)进行估计。结合式(4)和表c2，即可得到冲击电流各次谐波的估计值。

所述步骤3)识别冲击性负荷谐波源的方法为：

3.1)计算冲击电流包络形状匹配度p1，冲击电流包络形状匹配度p1。设定相关性匹配阈值thr_baoluo，若计算得到的绝对值平均值小于thr_baoluo，则认为包络形状匹配度为1，否则认为包络形状匹配度为0。

3.2)计算冲击电流持续时间匹配度p2，冲击电流持续时间匹配度p2。设定相关性匹配阈值thr_pw，若计算得到的冲击电流持续时间与特征库中的冲击电流持续时间之差的绝对值小于thr_pw，则认为冲击电流持续时间匹配度为1，否则认为冲击电流持续时间匹配度为0。

3.3)计算冲击电流间隔周期匹配度p3，冲击电流间隔周期匹配度p3。设定相关性匹配阈值thr_period，若计算得到的冲击电流间隔周期与特征库中的冲击电流间隔周期之差的绝对值小于thr_period，则认为冲击电流间隔周期匹配度为1，否则认为冲击电流间隔周期匹配度为0。

3.4)计算冲击电流产生谐波电流次数及各次谐波电流有效值匹配度p4，冲击电流产生谐波电流次数及各次谐波电流有效值匹配度p4。设定相关性匹配阈值thr_yxxiebo、thr_ppxiebo。若计算得到的某次谐波有效值与特征库中的该次谐波有效值之差的绝对值小于thr_yxxiebo，则认为该次谐波匹配度为1，否则认为该次谐波匹配度为0。将2～19次谐波全部匹配一遍，若匹配成功的谐波次数大于thr_ppxiebo，则认为冲击电流产生谐波电流次数及各次谐波电流有效值匹配度为1，否则认为冲击电流产生谐波电流次数及各次谐波电流有效值匹配度为0。

3.5)设定p1的权重值为a1，p2的权重值为a2，p3的权重值为a3，p4的权重值为a4，

3.6)对p1、p2、p3、p4进行加权求和，由于以上各特征向量在电网中受到的干扰程度不同，因而根据实际监测分析的结果，分别赋予不同的权值a1、a2、a3、a4，其中a1、a2、a3、a4均小于1，且a1+a2+a3+a4＝1。对上述匹配度p1、p2、p3、p4进行加权求和，即a1p1+a2p2+a3p3+a4p4。设定识别总匹配度阈值thr_total。若a1p1+a2p2+a3p3+a4p4>thr_total，则认为该谐波源匹配成功，否则认为匹配不成功。

3.7)设定识别总匹配度阈值thr_total，

3.8)加权求和值与thr_total值相比较，若加权求和值大于thr_total值，则该谐波源匹配成功，否则匹配不成功，为未知谐波，完毕。

所述步骤2.3)估算冲击性负荷谐波电流有效值的方法为：

2.31)同次谐波的相位角为随机变量。两同次谐波电流的数值为iha和ihb，其相角随机变化，则合成谐波电流的估算公式为：

式(4)中，kh＝2cosθh≤2；从而估算出冲击性负荷谐波电流有效值。