一种电能质量扰动源的定位系统的自动定位方法与流程

本申请是申请号为：201510097288.3，发明创造名称为《一种电能质量扰动源定位系统及定位方法》，申请日为：2015年3月4日的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及电能质量污染源在线监测领域，具体涉及一种电网中电能质量扰动源的定位系统及定位方法。

背景技术：

近年来随着经济的飞速发展，电力负荷增长迅猛，用电负荷日趋复杂化和多样化，越来越多的非线性、冲击性、不平衡和谐波丰富的应用设备相继接入电网，都会不同程度地影响到供电电网的电能质量。加之监控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，电能质量问题日益突出。

当前，电力系统中与电能质量相关的研究热点主要集中在以下几个方面：电能质量信号的辨识处理、电能质量评价指标、电能质量在线监测装置和系统的结构、电能质量控制等。然而，电能质量事件发生后扰动源的定位技术也十分重要，不仅有助于电力部门与用户之间的责任判定和纠纷的合理解决，而且对电力部门制定电能质量缓和和控制策略具有重要指导作用。因此，有必要建立一套电能质量的远程、集中监测与分析系统，对影响电能质量的污染源如电压或电流的暂升、暂降和短时中断等指标进行分析，及时找出影响电能质量污染源的原因，保证电网安全、可靠、经济运行。

目前配电网中电能质量扰动源的定位方法主要有以下两类方法：

1、基于扰动方向关系表格的判定方法。根据系统中网络结构和电能质量在线监测装置(pqmd)的布置情况，预先列写出系统中扰动源位置和各个电能质量在线监测装置之间的扰动方向关系表。当系统中发生实际扰动事件时，根据各监测点的测量数据进行扰动方向的判断，并与该关系表格进行比对，来实现定位功能。该方法的缺点是：必须依靠人工的比较才能进行扰动源的定位，工作效率低。目前虽然可以通过计算机编程进行自动分析来实现扰动源的自动定位，但有些情况下(例如其它线路上的扰动源对电能质量在线监测装置的影响，即不能充分利用所有支路信息进行定位判断)存在模糊目标扰动源时，不能实现精确定位，定位准确性和容错能力较差。

2、基于单测点或多测点的扰动源方向判定的符号型定位方法。根据电力系统中布置的单个或多个电能质量在线监测装置，研究各种事件类型对应的扰动源方向判定算法。例如，当电力系统中发生电压暂降事件或谐波事件时，采用基于扰动功率和扰动能量、基于等效阻抗实部符号等方法，可实现扰动事件发生在监测点前向或后向的判定。目前也有学者在此基础上提出基于遗传算法的电能质量扰动源定位方法，该方法通过对扰动信号高频分量产生机理的分析，利用小波变换提取高频分量，将高频扰动能量的极性作为扰动方向判别的依据，并根据系统拓扑结构及监测点布置情况，建立了扰动源定位优化模型,将扰动源定位问题转化成为0-1整数规划问题，采用遗传算法进行求解。该方法的缺点是：只能判定出扰动源相对于该监测点的前、后方向，在电力网络中发生电能质量事件时，并不能真正实现扰动源的精确定位(如定位到具体某条线路)，建立扰动源定位优化模型、采用遗传算法进一步增大了电能质量在线监测装置的计算量和存储量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种能实现扰动源准确自动定位和自动消除扰动源模糊项、效率高、结构简单、成本低廉、易于实现和部署的电能质量扰动源的定位系统的自动定位方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种电能质量扰动源的定位系统的自动定位方法，所述电能质量扰动源的定位系统包括电能质量管理主站以及在辐射型配电系统的输电线路的每个监测点设置的一台电能质量在线监测装置，各个电能质量在线监测装置之间通过以太网连接，各电能质量在线监测装置与电能质量管理主站之间通过以太网连接；当系统中发生实际扰动事件时，电能质量在线监测装置检测到扰动事件后会记录下扰动源发生的时刻并通过以太网以广播的方式通知网络中其它的电能质量在线监测装置以该时刻为基准启动扰动录波系统，记录下该时刻之前n个周波和之后n个周波的采样数据，n≥1，并实时的发送到电能质量管理主站；电能质量管理主站存储着各个电能质量在线监测装置的设备号以及所在监测点的地址。

进一步的，所述电能质量扰动源的定位系统还包括支持ieee1588协议的以太网交换机，电能质量管理主站支持ieee1588协议，电能质量在线监测装置设有支持ieee1588协议的以太网接口，电能质量管理主站之间与各个电能质量在线监测装置均通过专用的屏蔽网络连接线按照国际通用标准接入以太网交换机后组网，整个系统采用ieee1588对时协议进行时钟校准。

上述电能质量扰动源的定位系统的自动定位方法，包括如下几个步骤：

①根据已知的配电系统拓扑结构，构建有根数结构图，并且标识出整个系统中各个电能质量在线监测装置布置点的位置信息；

②建立整个系统覆盖矩阵，根据系统中有根数各节点与电能质量在线监测装置的相关位置关系，可定义系统的覆盖矩阵al×m，al×m可在系统初始化时完成：

其中，l为系统中有根数中的节点总数，m对应系统中的线段数量，为整个系统中安装的电能质量在线监测装置数量，矩阵al×m的每一个数据ai×j表示系统中第j个电能质量在线监测装置布置点与第i个电能质量在线监测装置监测点的位置关系，初始化具体赋值为：如果如果li位于mj的前向区域，则令aij＝-1，反之；aij＝+1，系统所述的mj后向区域是指第j个电能质量在线监测装置布置节点以及该节点的子节点区域；前向区域是指除了后向区域外的其它节点区域；

③根据系统中某一时刻某点处的电能质量在线监测装置检测到电网电能质量出现问题或发生电流、电压突变等扰动源事件时，该设备会记录下扰动源发生的时刻并通过以太网以广播的方式通知网络中其它的电能质量在线监测装置即时启动故障录波系统，记录下该时刻之前n个周波和之后n个周波的采样数据，n≥1，系统中各个电能质量在线监测装置与电能质量管理主站间使用ieee1588对时协议作为整个系统的基准时间；

④当每个电能质量在线监测装置设备完成录波工作后，电能质量在线监测装置可根据检测到的扰动数据确认事件类型；

⑤根据网络中的各个电能质量在线监测装置实时向电能质量管理主站发送的该时刻的系统覆盖矩阵和系统方向矩阵的乘积、多个时刻的录播回放相互比对、各个所录波形的频谱分析以及电能质量管理主站中存储的系统位置信息获得系统中扰动源事件发生的精确时间和位置，其具体步骤如下：

首先，根据系统覆盖矩阵和发生扰动源事件时各个电能质量在线监测装置实时上传到主站的信息，建立系统该时刻的方向矩阵bm×1：

式中，bj表示系统中第i个线段处发生扰动源事件时，第j个电能质量在线监测装置设备对扰动源方向的判定结果，如果判定扰动源为后向扰动，即判定出扰动源事件位于第j个电能质量在线监测装置设备之后，则令bj＝+1；反之，bj＝-1；bj的值带有时标，电能质量管理主站则可以通过各个电能质量在线监测装置上传的实时数据信息建立发生扰动源事件时刻的系统方向矩阵；

然后，将系统覆盖矩阵和该时刻的系统方向矩阵进行矩阵乘法运算，得到结果矩阵cl×1为：

结果矩阵中每个元素ci的值与电力网络拓扑结构以及电能质量在线监测装置的具体布置状况有关，根据ci的值的绝对值是否等于系统中布置的电能质量在线监测装置的数量的元素个数，若相等则确认该时刻该行元素ci对应的线段li为电能质量扰动源；

最后，有了初步的扰动源定位信息后，通过ci的值来确定在具体的电能质量在线监测装置布置点和具体线段，再通过各个电能质量在线监测装置发送到电能质量管理主站的该时刻的录波回放功能进行比对消除扰动源模糊项和精确的时间，通过存储在电能质量管理主站或电能质量在线监测装置设备上的位置信息则可获取扰动源事件发生的具体地点。

进一步的，步骤①中，根据电能质量在线监测装置的设备地址标识出系统中各个电能质量在线监测装置的布置情况，该表存储在电能质量管理主站的数据库中，根据需要各个电能质量在线监测装置中也可存储所处布置点的位置信息。

进一步的，步骤④确认扰动事件类型的具体方法是：采集电网中各监测点的暂态电能质量扰动信号，滤波后得到各监测点暂态电能质量扰动电压信号及电流信号；对每个监测点的暂态电能质量扰动电压信号采用形态非抽样小波进行2层分解，得到第二层形态非抽样小波细节系数y2，若细节系数y2的模极大值大于阈值，则将此监测点所在支路确定为受暂态电能质量扰动影响的支路，并将细节系数y2的模极大值点中超过阈值且相距最远的两个时间点确定为扰动发生的起止时刻t1、t2；对确定的受暂态电能质量扰动影响的支路上的监测点的暂态电能质量扰动电压信号进行窗口傅立叶变换提取扰动信号的基频幅值特征v、波形畸变持续周期数特征h、扰动过零点次数特征o；对暂态电能质量扰动电压信号进行s变换，提取扰动信号的最大幅值波动特征z和扰动信号时频偏差特征b；其中提取波形畸变持续周期数特征h时的波形畸变率阈值设定为0.01；将这五个特征进行二进制编码后与二进制阈值矩阵比较，识别出扰动信号的类型，同时将各个监测点识别结果中出现次数最多的类型确定为扰动类型。

本发明具有积极的效果：(1)本发明提供一种基于以太网对时，能够进行多点监测的分布式、多机协作的电能质量监测系统，系统中各个电能质量在线监测装置之间通过ieee1588对时协议统一进行时钟校准取代传统的依靠gprs校准方式，根据多测点电能质量在线监测装置上记录的时标进行扰动识别、信息广播和录波匹配等协作建立系统覆盖矩阵和系统方向矩阵，电能质量管理主站可根据各个时刻的时间、功率/电流方向并通过简单的带有时标的矩阵算法(系统覆盖矩阵和带有时标的系统方向矩阵进行矩阵乘法)、各个电能质量在线监测装置之间所录波形的相互比对以及各个所录波形的频谱分析来实现扰动源准确自动定位和自动消除扰动源模糊项、效率高、结构简单、成本低廉、易于实现和部署的配电网电能质量扰动源定位系统及其方法。

(2)本发明结合电网中多个监测点的扰动信号，对电能质量扰动源进行检测、识别分析，输出扰动持续时间，扰动类型等结果，其结果准确全面；同时由于监测并分析多个监测点的信息，能够实现扰动源的精确定位，便于明确事故责任方和治理电能质量扰动问题；检测和分析出的电能质量信息可通过以太网发送到系统主站中长期保存，便于全面记录电能质量扰动的数据，方便管理部门快捷、直观地了解所需的电能质量扰动有关信息，进一步强化电能质量监督与管理工作，为电能质量问题的治理和评估提供真实、准确的信息，为构建一个大型优质的供电系统提供决策性数据。

(3)本发明在扰动检测和识别中，采用形态非抽样小波能快速准确检测出扰动的起止时刻，并确定出受扰动影响的支路，可缩小后续分析的范围，使本发明的扰动源检测分析方法更加简单、快捷、有效。通过建立有根数和系统扰动方向矩阵，简化计算，电能质量在线监测装置自动进行扰动源定位，效率高，通过电能质量在线监测装置之间的相互协调可消除模糊项。

(4)本发明在扰动识别中，结合窗口傅里叶变换(wdft)和s变换，可同时提取五个能够反映不同暂态扰动源特征的特征量，并对其进行二进制编码后得到8位二进制特征向量，通过将此8位二进制特征向量与二进制阈值矩阵进行比较来快速识别出扰动事件类型。由于结合多个监测点的识别结果，可避免系统中个别监测点由于强噪声等因素造成的错误对其它设备识别结果的干扰和扰动源模糊项，可同时监测多处扰动源，进而确保扰动类型识别的正确性。

(5)本发明在各个电能质量在线监测装置与主站之间使用统一的ieee1588协议进行时钟校准，精确定位分为两个步骤：1)系统初步定位：根据发生扰动源事件时刻的系统覆盖矩阵和系统的方向矩阵初步判定扰动源的类型和方位；2)电能质量在线监测装置物理设备相互协作辅助定位：电压暂降源定位方法仅需测量监测点的电压相角、电流幅值和相角，通过判断电压暂降发生时刻实电流成分的变化极性来确定扰动源与监测点相对位置，综合电网中多个监测点对该时刻的录波分析结果、各个所录波形的频谱分析以及存储在电能质量管理主站的系统各个电能质量在线监测装置位置信息可确定出电压暂降扰动源的精确位置，进一步消除模糊项，该方法计算简单，精度可达ns级别。

附图说明

图1为本发明的系统架构拓扑图；

图2表示图1所示的拓扑结构以a相为例构建的有根树；

图3是本发明的扰动源定位原理图。

具体实施方式

(实施例1)

见图1，本实施例的电能质量扰动源的定位系统包括支持ieee1588协议的电能质量管理主站、带有支持ieee1588协议的以太网接口的电能质量在线监测装置(pqmd)电能质量在线监测装置、支持ieee1588协议的以太网交换机，在辐射型配电系统的输电线路的每个监测点设置一台电能质量在线监测装置，各个电能质量在线监测装置之间通过以太网连接，各电能质量在线监测装置与电能质量管理主站之间通过以太网连接，具体来讲，电能质量管理主站之间与各个电能质量在线监测装置均通过专用的屏蔽网络连接线按照国际通用标准接入以太网交换机后组网，本实施例中所述电能质量在线监测装置(pqmd)采用的是无锡优电科技有限公司制造的型号为ypm-01的电能质量在线监测装置。当系统中发生实际扰动事件时，电能质量在线监测装置检测到扰动事件后会记录下扰动源发生的时刻并通过以太网以广播的方式通知网络中其它的电能质量在线监测装置以该时刻为基准启动扰动录波系统，记录下该时刻之前n个周波和之后n个周波的采样数据，n≥1，并实时的发送到电能质量管理主站，通过各个电能质量在线监测装置之间相互协作建立系统覆盖矩阵和系统方向矩阵，为界面波形曲线显示、扰动源定位时消除模糊项以及电能质量参数的分析做好准备。电能质量管理主站存储着各个电能质量在线监测装置的设备号以及所在监测点的地址，整个系统采用ieee1588对时协议进行时钟校准。

见图3，应用上述电能质量扰动源的定位系统的自动定位方法包括如下几个步骤：

①根据已知的配电系统拓扑结构，构建一个在电力系统中常用的有根数结构图，并且标识出整个系统中各个电能质量在线监测装置布置点的位置信息。本实施例中，根据图1所示的系统的拓扑结构，构建出一个在电力系统分析中常用的有根树结构图，并且根据电能质量在线监测装置的设备地址(栈地址)标识出系统中各个电能质量在线监测装置的布置情况。该表存储在电能质量管理主站的数据库中，根据需要各个电能质量在线监测装置中也可存储所处布置点的位置信息，为扰动源定位作决策分析用。

②建立整个系统覆盖矩阵，根据系统中有根数各节点与电能质量在线监测装置的相关位置关系，可定义系统的覆盖矩阵al×m，al×m可在系统初始化时完成：

其中，l为系统中有根数中的节点总数，m对应系统中的线段数量，为整个系统中安装的电能质量在线监测装置数量，矩阵al×m的每一个数据ai×j表示系统中第j个电能质量在线监测装置布置点与第i个电能质量在线监测装置监测点的位置关系，初始化具体赋值为：如果如果li位于mj的前向区域，则令aij＝-1，反之；aij＝+1，系统所述的mj后向区域是指第j个电能质量在线监测装置布置节点以及该节点的子节点区域；前向区域是指除了后向区域外的其它节点区域。

本实施例中，根节点为图2所示中每一条线路上的第一个电能质量在线监测装置，后面的设备依次加入该有根数中。其中各电能质量在线监测装置序号(序号和设备地址之间也建立数据表)与图1所示拓扑结构中的对应线段序号一致。lai表示该系统中的线段序号，pi表示电能质量在线监测装置设备的序号。

根据有根数中各个节点与电能质量在线监测装置的相对方位关系建立系统覆盖矩阵。

如图2所示：在输电线la中节点数为9，也即该配电监测系统的线段数量为9，序号依次为la1～la9，系统实际配置的电能质量在线监测装置数量为4。据此可定义系统覆盖矩阵a9×4，矩阵a9×4的每一个aij表示系统中第j个电能质量在线监测装置布置点与第i个节点的位置关系，如果lai位于pj的前向区域，则令aij＝-1；反之，aij＝+1。

根据系统中有根数各节点与电能质量在线监测装置的相对方位关系，可以对定义的系统覆盖矩阵a9×4进行赋初值：

③根据系统中某一时刻某点处的电能质量在线监测装置检测到电网电能质量出现问题或发生电流、电压突变等扰动源事件时，该设备会记录下扰动源发生的时刻并通过以太网以广播的方式通知网络中其它的电能质量在线监测装置即时启动故障录波系统，记录下该时刻之前n个周波和之后n个周波的采样数据，n≥1，系统中各个电能质量在线监测装置与电能质量管理主站间使用ieee1588对时协议作为整个系统的基准时间，为界面波形曲线显示、扰动源定位时消除扰动源模糊项和电能质量管理主站进行数据分析做好准备。

本实施例中n＝8，一旦电能质量在线监测装置检测到扰动源事件时，电能质量在线监测装置中的录播系统记录下该时刻之前8个周波和之后8个周波的采样数据。

见图1，假设a点处的电能质量在线监测装置发现电网电能质量出现问题或发生电流、电压突变时，该设备会记录下扰动源发生的时刻并通过以太网以广播的方式通知网络中其它的电能质量在线监测装置及时启动故障录波系统，每个电能质量在线监测装置收到广播命令后，启动录播功能记录下此时刻之前8个周波和之后8个周波的采样数据并将记录下的波形发送到电能质量管理主站，系统中各个电能质量在线监测装置与电能质量管理主站之间统一使用ieee1588协议进行时钟校准，该时钟精度可达ns级，为界面波形曲线显示和下一步扰动源定位时电能质量参数分析和决策做好准备。

④当每个电能质量在线监测装置设备完成录波工作后，电能质量在线监测装置可根据检测到的扰动数据确认事件类型：采集电网中各监测点的暂态电能质量扰动信号，滤波后得到各监测点暂态电能质量扰动电压信号及电流信号；对每个监测点的暂态电能质量扰动电压信号采用形态非抽样小波进行2层分解，得到第二层形态非抽样小波细节系数y2，若细节系数y2的模极大值大于阈值，则将此监测点所在支路确定为受暂态电能质量扰动影响的支路，并将细节系数y2的模极大值点中超过阈值且相距最远的两个时间点确定为扰动发生的起止时刻t1、t2；对确定的受暂态电能质量扰动影响的支路上的监测点的暂态电能质量扰动电压信号进行窗口傅立叶变换提取扰动信号的基频幅值特征v、波形畸变持续周期数特征h、扰动过零点次数特征o；对暂态电能质量扰动电压信号进行s变换，提取扰动信号的最大幅值波动特征z和扰动信号时频偏差特征b；其中提取波形畸变持续周期数特征h时的波形畸变率阈值设定为0.01；将这五个特征进行二进制编码后与二进制阈值矩阵比较，识别出扰动信号的类型，同时将各个监测点识别结果中出现次数最多的类型确定为扰动类型；

⑤根据网络中的各个电能质量在线监测装置实时向电能质量管理主站发送的该时刻的系统覆盖矩阵和系统方向矩阵的乘积、多个时刻的录播回放相互比对、各个所录波形的频谱分析以及电能质量管理主站中存储的系统位置信息获得系统中扰动源事件发生的精确时间和位置，其具体步骤如下：

首先，根据系统覆盖矩阵和发生扰动源事件时各个电能质量在线监测装置实时上传到主站的信息，建立系统该时刻的方向矩阵bm×1：

式中，bj表示系统中第i个线段处发生扰动源事件时，第j个电能质量在线监测装置设备对扰动源方向的判定结果，如果判定扰动源为后向扰动，即判定出扰动源事件位于第j个电能质量在线监测装置设备之后，则令bj＝+1；反之，bj＝-1。bj的值带有时标，电能质量管理主站则可以通过各个电能质量在线监测装置上传的实时数据信息建立发生扰动源事件时刻的系统方向矩阵。

本实施例中，当输电线路发生电能质量扰动事件时，各个电能质量在线监测装置均可以监测到扰动数据，当扰动源事件得到确认后，各个电能质量在线监测装置可根据系统方向矩阵来确定扰动源与本电能质量在线监测装置布置点的前后相对位置关系。

据此，可定义本系统的方向矩阵b4×1，矩阵b4×1中的每一个数据bij表示系统中线段lai上发生扰动源事件时，序号为pj的电能质量在线监测装置根据功率/电流方向等相应算法判定出扰动源与它的前后相对位置关系。若为前向扰动，则令bj＝-1；反之，bj＝+1。

图2所示，假设分别在线路la2、la3发生电能质量扰动事件，依据前述规律，对两种情况下对应的系统扰动方向矩阵bla2、bla3赋值如下：

然后，将系统覆盖矩阵和该时刻的系统方向矩阵进行矩阵乘法运算，得到结果矩阵cl×1为：

结果矩阵中每个元素ci的值与电力网络拓扑结构以及电能质量在线监测装置的具体布置状况有关，根据ci的值的绝对值是否等于系统中布置的电能质量在线监测装置的数量的元素个数，若相等则确认该时刻该行元素ci对应的线段li为电能质量扰动源。

如本实施例中，b、c和d处的电能质量在线监测装置上的录波系统都记录着a点处发生电流或电压突变时的波形图和时刻，主站可通过b、c和d处电能质量在线监测装置上传的波形图上的时间来精确定位出a点处的扰动源发生时刻，根据公式计算可得cl2、cl3为：

结果矩阵cl×1中每个元素ci的绝对值蕴含着判定电能质量扰动源的信息。cl2中第二行和cl3第三行元素的绝对值等于系统中安装电能质量在线监测装置检测设备的数量，可初步判定该时刻线路la2、la3上同时有电能质量扰动事件发生。

最后，有了初步的扰动源定位信息后，通过ci的值来确定在具体的电能质量在线监测装置布置点和具体线段，再通过各个电能质量在线监测装置发送到电能质量管理主站的该时刻的录波回放功能进行比对消除扰动源模糊项和精确的时间，通过存储在电能质量管理主站或电能质量在线监测装置设备上的位置信息则可获取扰动源事件发生的具体地点。