一种基于电能质量评估的牵引供电系统故障风险预警方法
【专利摘要】一种基于电能质量评估的牵引供电系统故障风险预警方法，其步骤为：a、数据采集与预处理：菜集得到牵引变压器一次侧各相电压的总谐波畸变率，三相电压不平衡度，以及二次侧母线电压有效值等数据矩阵；b、计算电能质量数据的概率分布：得到各电能质量因素的概率密度函数；c、计算电能质量因素的风险值：以各个故障风险严重度函数反映风险事件造成后果的严重程度，结合电能质量因素的概率密度函数得到电能质量因素风险值；d、故障风险预警：给出风险发生时间及风险对应的电能质量因素的预警信息。该方法能使维护人员及时掌握高故障风险的时间及导致风险的电能质量因素，从而采取更有针对性的分时巡检、维护措施，更有效地降低或排除系统的故障。
【专利说明】
-种基于电能质量评估的牵引供电系统故障风险预譬方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于电能质量评估的牵引供电系统故障风险预警方法。
【背景技术】
[0002] 电气化铁路的电能质量是列车安全运行的重要保障。由于我国牵引供电系统采用 的供电方式和牵引负荷的特点，使电能质量对大电网W及牵引供电系统本身的正常运行有 较大影响。因此，有必要针对各种电能质量问题，通过风险评估的手段来综合衡量电能质量 问题对牵引供电系统造成的风险大小，并根据风险评估结果判断牵引供电系统运行状态， 对高风险状态进行风险预警，W便指示系统维护人员采取相应的技术措施使系统保持正常 运行状态，降低系统出现故障的风险，使系统的运行更加安全、可靠、稳定。
[0003] 目前牵引供电系统的故障风险评估主要从牵引供电设备的故障统计数据出发，得 出牵引供电设备随时间变化的故障变化规律(也即故障与时间的关系），W便在故障高发或 故障风险大的时间段加强巡检或其它措施，而在低风险时间段可W减少巡检等维护措施， 从而兼顾系统的安全性和经济性。目前牵引供电系统的维修维护管理制度不够完善，难W 获取到长时间尺度下的设备故障和维修维护记录的数据，从而难W得到准确、可靠的时间 风险评估结果，不能有效的指导分时巡检等维护措施。并且，运种风险评估只分析了故障与 时间的关系，而没有分析导致故障发生的电能质量因素，不能指导系统维护人员采取针对 性的措施，使其不能有效地降低或排除系统故障的发生。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于电能质量评估的牵引供电系统故障风险预警方法， 该方法能评估得到更准确、可靠的牵引供电系统故障风险与时间的关系，且能给出导致故 障发生的电能质量因素，使系统维护人员能及时掌握故障风险的时间及其导致故障风险的 电能质量因素，从而采取更有针对性的分时巡检、维护措施，更有效地降低或排除系统故障 的发生，更好地保障牵引供电系统的安全可靠运行。
[0005] 本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种基于电能质量评估的牵引供电 系统故障风险预警方法，其步骤为：
[0006] a、数据采集与预处理
[0007] 安装在牵引供电系统中的数据采集装置，采集得到W下数据矩阵：
[000引al、牵引变压器一次侧的A相电压总谐波崎变率矩阵Da:
[0009]
[0010] 其中，^^.为第1天第^'个采样时刻的4相电压谐波崎变率，i = I，2，…，I; j = I， 2,…，J;I为采样的总天数，J为每一天的采样总次数；
[0011] a2、牵引变压器一次侧B相的电压总谐波崎变率矩阵化：
[0012]
[0013] ^样时刻的財目电压谐波崎变率；
[0014] 电压总谐波崎变率矩阵Dc:
[0015]
[0016] :样时刻的C相电压谐波崎变率；
[0017] f平衡度矩阵E :
[001 引
[0019] 钟寸刻的电压不平衡度值；
[0020] 目压有效值矩阵V:
[0021]
[0022] 其中，v/表示第i天第j个采样时刻的牵引侧母线电压有效值；
[0023] b、计算电能质量数据的概率分布
[0024] bl、计算谐波崎变率数据的概率分布
[0025] bl.l、数据处理装置算出A相电压总谐波崎变率矩阵Da中第j列的平均值，也即I天 中的第j个采样时刻的A相电压总谐波崎变率的平均值
同时算出A相电 压总谐波崎变率矩阵Da中第.1'列的方差，也即I天中的第j个采样时刻的A相电压总谐波崎变 率的方差CTi2:
[0026] 进而得到第j个采样时刻的A相电压总谐波崎变率巧的概率密度函数/(<)，
:其中exp表示指数函数运算；
[0027] bl. 2、数据处理装置同时算出B相电压总谐波崎变率矩阵化中第j列的平均值，也 良PI天中的第j个采样时刻的B相电压总谐波崎变率的平均值/4
并算出B相 电压总谐波崎变率矩阵化中第j列的方差，也即I天中的第j个采样时刻的B相电压总谐波崎 变率的方差O立3，
[0028] 进而得到第j个采样时刻的B相电压总谐波崎变率f/,;的概率密度函数/(游):，
[0029]
:
[0030] bl. 3、算出讨目电压总谐波崎变率矩阵Dn中第巧Il的平均值，也即I天中的第j个采 样时刻的C相电压总谐波崎变率的平均值/备，
：同时算出C相电压总谐波崎变 率矩阵化中第j列的方差，也即I天中的第j个采样时刻的C相电压总谐波崎变率的方差
[0031]
[0032] 进而得到第j个采样时刻的C相电压总谐波崎变率鴻的概率密度函数.^车)，
[0033]
[0034] b2、计算电压不平衡度数据的概率分布
[0035] 数据处理装置算出电压不平衡度矩阵E中第j列的平均值，也即I天中的第j个采样 时刻的电压不平衡度平均值从，
；同时算出电压不平衡度矩阵E中第j列的方差， 也即I天中的第j个采样时刻的电压不平衡度的方差of
[0036] 进而得到第j个采样时刻电压不平衡度e ^勺概率密度函数f ( e ^，
[0037] b3、计算电压偏差数据的概率分布
[0038] 数据处理装置算出电压偏差矩阵V中第j列的平均值，也即I天中的第j个采样时刻 的电压偏差数据平均值///,
;同时算出电压偏差矩阵V中第j列的方差，也即I天 中的第j个采样时刻的电压偏差数据的方差<2
[0039] 进而得到第j个采样时刻电压偏差数据V ^勺概率密度函数f ( V ^，
[0040] C、计算风险指标
[0041] cl、计算谐波风险值
[0042] Cl. 1由下式得到第j个采样时刻A相电压谐波崎变率巧的严重度函数、、
[0043]
;
[0044] 进而得到j个采样时刻A相电压谐波的风险值，
其中游i表示对巧进行微分运算，表示从负无穷大到正无穷大的无穷积分； - J-CO
[0045] Cl. 2由下式得到第j个采样时刻B相电压谐波崎变率游的严重度函数Sd (诚)，
[0046]
;
[0047] 进而得到j个采样时刻B相电压谐波的风险值％,，
，其 中奶i;表示对端进行微分运算；
[004引Cl.3由下式得到第j个采样时刻C相电压谐波崎变率《：的严重度函数馬(兩)， [0049]
;
[0化0] 进而得到第j个采样时刻的C相电压谐波风险值巧C，
其中电表示对单进行微分运算；
[0051] c2、计算电压不平衡风险值
[0052]由下式得到第j个采样时刻电压不平衡风险度e听重度函数泣(eJ)，
[0化3]
[0054] 进而将电压不平衡风险严重度函数SE(ej)与电压不平衡度ej的概率密度函数f (e ^相乘，再计算其无穷积分，即得到j个采样时刻电压不平衡风险值成，
:其中de^表示对进行微分运算；
[0055] c3、计算电压偏差风险值
[0056] 由下式得到第j个采样时刻电压偏差V听重度函数Sv(v叫，
[0化7]
[0化引进而将电压偏差风险严重度函数Sv(yj)与电压偏差vj的概率密原巧#f(vj)相乘， 再计算其无穷积分，即得到j个采样时刻电压偏差风险值巧I;其 中(^^表示对乂^^进行微分运算；
[0059] d、故障风险预警
[0060] dl、如第j个采样时刻A相电压谐波的风险值埼A小于1，则判定系统A相不会出现谐 波故障，不给出谐波风险预警信息；否则，判定系统A相出现谐波故障的可能性大，给出系统 在j时刻可能出现A相谐波故障的风险预警信息；
[0061] 如第j个采样时刻B相电压谐波的风险值i磕小于1，则判定系统B相不会出现谐波 故障，不给出谐波风险预警信息;否则，判定系统B相出现谐波故障的可能性大，给出系统在 j时刻可能出现B相谐波故障的风险预警信息；
[0062] 如第j个采样时刻C相电压谐波的风险值i祐小于1，则判定系统C相不会出现谐波 故障，不给出谐波风险预警信息;否则，判定系统C相出现谐波故障的可能性大，给出系统在 j时刻可能出现C相谐波故障的风险预警信息；
[0063] d2、电压不平衡风险预警
[0064] 如第j个采样时刻电压不平衡风险值巧小于1，则判定系统不会出现电压不平衡故 障，不给出电压不平衡风险预警信息；否则，判定系统出现电压不平衡的可能性大，给出系 统在j时刻可能出现电压不平衡故障的风险预警信息；
[00化]d3、电压偏差风险预警
[0066] 如第j个采样时刻电压偏差风险值成小于1，则判定系统不会出现电压偏差故障， 不给出电压偏差风险预警信息；否则，判定系统出现电压偏差的可能性大，给出系统在j时 刻可能出现电压偏差故障的风险预警信息。
[0067] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0068] 本发明从牵引供电系统中的电能质量因素出发，通过对牵引供电系统电能质量数 据的实时采集，并对长的时间窗口内循环采集到的的谐波崎变、负序、电压偏差等多种电能 质量数据进行概率分布的拟合，得到运些电能质量因素各自的时间分布规律，通过定义严 重度函数来定量评估电能质量引起的风险严重值，进而得到故障风险(故障发生概率)与时 间的关系，并且得到故障风险与电能质量因素的关系。其风险的时间评估结果准确、可靠； 能有效的指导分时巡检等维护措施。在给出故障风险高(故障发生概率大）的对应时间的同 时，还给出高风险由何种电能质量因素引起，从而指导系统维护人员采取针对性的措施，更 有效地降低或排除系统故障的发生，更好的保证牵引供电系统的安全可靠运行。
[0069] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步的详细说明。
【具体实施方式】
[0070] 实施例
[0071] -种基于电能质量评估的牵引供电系统故障风险预警方法，其步骤为：
[0072] a、数据采集与预处理
[0073] 安装在牵引供电系统中的数据采集装置，采集得到W下数据矩阵：
[0074] al、牵引变压器一次侧的A相电压总谐波崎变率矩阵Da:
[0075]
[0076] 其中，为第1天第^'个采样时刻的4相电压谐波崎变率，i = 1，2，…，I ; j = 1， 2,…，J;I为采样的总天数，J为每一天的采样总次数；
[0077] a2、牵引变压器一次侧B相的电压总谐波崎变率矩阵化：
[007引
[0079] 其中，(?表示第i天第j个采样时刻的B相电压谐波崎变率；
[0080] a3、牵引变压器一次侧C相的电压总谐波崎变率矩阵化：
[0081]
[0082] 其中，^^表示第1天第^'个采样时刻的巧目电压谐波崎变率；
[0083] a4、牵引变压器一次侧电压不平衡度矩阵E :
[0084]
[0085] 其中，每表示第i天第j个采样时刻的电压不平衡度值；
[0086] a5、牵引变压器二次侧母线电压有效值矩阵V:
[0087]
[0088] 其中，v/表示第i天第j个采样时刻的牵引侧母线电压有效值；
[0089] b、计算电能质量数据的概率分布
[0090] bl、计算谐波崎变率数据的概率分布
[0091] bl.l、数据处理装置算出A相电压总谐波崎变率矩阵Da中第j列的平均值，也即I天 中的第j个采样时刻的A相电压总谐波崎变率的平均值/也；
同时算出A相电 压总谐波崎变率矩阵Da中第j列的方差，也即I天中的第j个采样时刻的A相电压总谐波崎变 率的方差城2，'
[0092] 进而得到第j个采样时刻的A相电压总谐波崎变率巧的概率密度函数/(嗔)， ,
:其中6邱表示指数函数运算；
[0093] bl. 2、数据处理装置同时算出B相电压总谐波崎变率矩阵化中第j列的平均值，也 良PI天中的第j个采样时刻的B相电压总谐波崎变率的平均值/4:
;;并算出B相 电压总谐波崎变率矩阵化中第j列的方差，也即I天中的第j个采样时刻的B相电压总谐波崎 变率的方差巧
[0094]进而得到第j个采样时刻的B相电压总谐波崎变率嗎的概率密度函数/(端)，
[00对 bl. 3、算出讨目电压总谐波崎变率矩阵化中第j列的平均值，也即I天中的第j个采 样时刻的C相电压总谐波崎变率的平均值/省,，
：同时算出C相电压总谐波崎变 率矩阵化中第j列的方差，也即I天中的第j个采样时刻的C相电压总谐波崎变率的方差
[0096] 进而得到第j个采样时刻的C相电压总谐波崎变率杳的概率密度函数/(聲)，
[0097] b2、计算电压不平衡度数据的概率分布
[0098] 数据处理装置算出电压不平衡度矩阵E中第j列的平均值，也即I天中的第j个采样 时刻的电压不平衡度平均值从
；同时算出电压不平衡度矩阵E中第j列的方差， 也即I天中的第j个采样时刻的电压不平衡度的方差為2，
[0099] 进而得到第j个采样时刻电压不平衡度e ^的概率密度函数f ( e ^，
[0100] b3、计算电压偏差数据的概率分布
[0101] 数据处理装置算出电压偏差矩阵V中第j列的平均值，也即I天中的第j个采样时刻 的电压偏差数据平均值从'，
；同时算出电压偏差矩阵V中第j列的方差，也即I天 中的第j个采样时刻的电压偏差数据的方差af，
[0102] 进而得到第j个采样时刻电压偏差数据V ^的概率密度函数f ( V ^，
[0103] c、计算风险指标
[0104] cl、计算谐波风险值
[01化](：1.1由下式得到第^'个采样时刻4相电压谐波崎变率^^的严重度函数5'|,(;^;；)， [0106]
[0107]进而得到j个采样时刻A相电压谐波的风险值心，
：其 中渐1表示对《^进行微分运算，表示从负无穷大到正无穷大的无穷积分； J--CO
[010引Cl. 2由下式得到第j个采样时刻B相电压谐波崎变率4的严重度函数S'l、(40，
[0109]
[0110] 进而得到j个采样时刻B相电压谐波的风险值i?左：
其 中游表示对竭进行微分运算；
[0111] Cl. 3由下式得到第^'个采样时刻(：相电压谐波崎变率^/(^的严重度函数而(與)，
[0112]
[0113] 进而得到第j个采样时刻的C相电压谐波风险值输?， 其中加表示对卑进行微分运算；
[0114] c2、计算电压不平衡风险值
[0115] 由下式得到第^'个采样时刻电压不平衡风险度6^严重度函数泣(6叫，
[0116]
[0117] 进而将电压不平衡风险严重度函数SE(ej)与电压不平衡度ej的概率密度函数f (e ^相乘，再计算其无穷积分，即得到j个采样时刻电压不平衡风险值砖，
其中de^表示对进行微分运算；
[0118] c3、计算电压偏差风险值
[0119] 由下式得到第j个采样时刻电压偏差v^严重度函数Sv(v叫，
[0120]
[0121] 进而将电压偏差风险严重度函数Sv(v叫与电压偏差V叫勺概率密度函数f(v叫相乘， 再计算其无穷积分，即得到j个采样时刻电压偏差风险值巧，.
：其 中(^^表示对乂^^进行微分运算；
[0122] d、故障风险预警
[0123] dl、如第j个采样时刻A相电压谐波的风险值靖A小于1，则判定系统A相不会出现谐 波故障，不给出谐波风险预警信息；否则，判定系统A相出现谐波故障的可能性大，给出系统 在j时刻可能出现A相谐波故障的风险预警信息；
[0124] 如第j个采样时刻B相电压谐波的风险值巧^小于1，则判定系统B相不会出现谐波 故障，不给出谐波风险预警信息;否则，判定系统B相出现谐波故障的可能性大，给出系统在 j时刻可能出现B相谐波故障的风险预警信息；
[01巧]如第j个采样时刻C相电压谐波的风险值巧e小于1，则判定系统C相不会出现谐波 故障，不给出谐波风险预警信息;否则，判定系统C相出现谐波故障的可能性大，给出系统在 j时刻可能出现C相谐波故障的风险预警信息；
[01%] d2、电压不平衡风险预警
[0127] 如第j个采样时刻电压不平衡风险值巧小于1，则判定系统不会出现电压不平衡故 障，不给出电压不平衡风险预警信息；否则，判定系统出现电压不平衡的可能性大，给出系 统在j时刻可能出现电压不平衡故障的风险预警信息；
[0128] d3、电压偏差风险预警
[0129] 如第j个采样时刻电压偏差风险值成小于1，则判定系统不会出现电压偏差故障， 不给出电压偏差风险预警信息；否则，判定系统出现电压偏差的可能性大，给出系统在j时 刻可能出现电压偏差故障的风险预警信息。
【主权项】
1. 一种基于电能质量评估的牵引供电系统故障风险预警方法，其步骤为： a、数据采集与预处理 安装在牵引供电系统中的数据采集装置，采集得到以下数据矩阵： al、牵引变压器一次侧的A相电压总谐波畸变率矩阵Da:其中，(6/1为第i天第j个采样时刻的A相电压谐波畸变率，i = 1，2，…，I; j = 1，2，…，J; I 为采样的总天数，J为每一天的采样总次数； a2、牵引变压器一次侧B相的电压总谐波畸变率矩阵Db :其中，表示第i天第j个采样时刻的B相电压谐波畸变率； a3、牵引变压器一次侧C相的电压总谐波畸变率矩阵Dc:其中，(61?表示第i天第j个采样时刻的C相电压谐波畸变率； a4、牵引变压器一次侧电压不平衡度矩阵E :其中，< 表示第i天第j个采样时刻的电压不平衡度值； a5、牵引变压器二次侧母线电压有效值矩阵V:其中，< 表示第i天第j个采样时刻的牵引侧母线电压有效值； b、计算电能质量数据的概率分布 bl、计算谐波畸变率数据的概率分布 bl.l、数据处理装置算出A相电压总谐波畸变率矩阵Da中第j列的平均值，也即I天中的 第j个采样时刻的A相电压总谐波畸变率的平均彳司时算出A相电压总 谐波畸变率矩阵Da中第j列的方差，也即I天中的第j个采样时刻的A相电压总谐波畸变率的 方差进而得到第j个采样时刻的A相电压总谐波畸变率忠的概率密度函娄其中exp表示指数函数运算； bl. 2、数据处理装置同时算出B相电压总谐波畸变率矩阵Db中第j列的平均值，也即I天 中的第j个采样时刻的B相电压总谐波畸变率的平均值/4a泮算出B相电压总 谐波畸变率矩阵Db中第j列的方差，也即I天中的第j个采样时刻的B相电压总谐波畸变率的 方！进而得到第j个采样时刻的B相电压总谐波畸变率屯的概率密度函1b 1.3、算出C相电压总谐波畸变率矩阵Dc中第j列的平均值，也即I天中的第j个采样时刻 的C相电压总谐波畸变率的平均值/4同时算出C相电压总谐波畸变率矩阵 D c中第j列的方差，也即I天中的第j个采样时刻的C相电压总谐波畸变率的方差2，进而得到第j个采样时刻的c相电压总谐波畸变率4的概率密度函Ib2、计算电压不平衡度数据的概率分布 数据处理装置算出电压不平衡度矩阵E中第j列的平均值，也即I天中的第j个采样时刻 的电压不平衡度平均值司时算出电压不平衡度矩阵E中第j列的方差，也即 I天中的第j个采样时刻的电压不平衡度的〕进而得到第j个采样时刻电压不平衡度^的概率密度函数f ( e M，? b3、计算电压偏差数据的概率分布 数据处理装置算出电压偏差矩阵V中第j列的平均值，也即I天中的第j个采样时刻的电 压偏差数据平均?司时算出电压偏差矩阵V中第j列的方差，也即I天中的 第j个采样时刻的电压偏差数据的方差<进而得到第j个采样时刻电压偏差数据^的概率密度函数f ( V M，\ y , 9 C、计算电能质量因素的风险值 cl、计算谐波风险值 cl. 1由下式得到第j个采样时刻A相电压谐波畸变率W的严重度函I进而得到j个采样时刻A相电压谐波的风险值,其中 * 也又表示对 < 进行微分运賃〖示从负无穷大到正无穷大的无穷积分； cl.2由下式得到第j个采样时刻B相电压谐波畸变率4的严重度函I进而得到j个采样时刻B相电压谐波的风险值其中 表示对劣进行微分运算； cl.3由下式得到第j个采样时刻C相电压谐波畸变率的严重度函数进而得到第j个采样时刻的C相电压谐波风险值7仏其中 也尽表示对劣进行微分运算；c2、计算电压不平衡风险值 由下式得到第j个采样时刻电压不平衡风险度d严重度函数SE(d)，进而将电压不平衡风险严重度函数Se(W)与电压不平衡度d的概率密度函数f(d)相乘， 再计算其无穷积分，即得到j个采样时刻电压不平衡风险值式其 中dej表示对4进行微分运算； c3、计算电压偏差风险值 由下式得到第j个采样时刻电压偏差W严重度函数Sv(W)，进而将电压偏差风险严重度函数Sv(V)与电压偏差V的概率密度函数f (V)相乘，再计 算其无穷积分，即得到j个采样时刻电压偏差风险值j其中dW 表示对W进行微分运算； d、故障风险预警 dl、如第j个采样时刻A相电压谐波的风险值小于1，则判定系统A相不会出现谐波故 障，不给出谐波风险预警信息；否则，判定系统A相出现谐波故障的可能性大，给出系统在j 时刻可能出现A相谐波故障的风险预警信息； 如第j个采样时刻B相电压谐波的风险值AtL小于1，则判定系统B相不会出现谐波故障， 不给出谐波风险预警信息;否则，判定系统B相出现谐波故障的可能性大，给出系统在j时刻 可能出现B相谐波故障的风险预警信息； 如第j个采样时刻C相电压谐波的风险值小于1，则判定系统C相不会出现谐波故障， 不给出谐波风险预警信息;否则，判定系统C相出现谐波故障的可能性大，给出系统在j时刻 可能出现C相谐波故障的风险预警信息； d2、电压不平衡风险预警 如第j个采样时刻电压不平衡风险值^小于1，则判定系统不会出现电压不平衡故障， 不给出电压不平衡风险预警信息;否则，判定系统出现电压不平衡的可能性大，给出系统在 j时刻可能出现电压不平衡故障的风险预警信息； d3、电压偏差风险预警 如第j个采样时刻电压偏差风险值來小于1，则判定系统不会出现电压偏差故障，不给 出电压偏差风险预警信息；否则，判定系统出现电压偏差的可能性大，给出系统在j时刻可 能出现电压偏差故障的风险预警信息。
【文档编号】G01R31/00GK106019024SQ201610534743
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】林圣 , 孙小军, 冯玎, 何正友
【申请人】西南交通大学