谐波和电压暂降监测点统一配置方法及系统与流程

本发明涉及电能质量监测领域，尤其涉及一种谐波和电压暂降监测点统一配置方法及系统。

背景技术：

电能质量的监测一直都是研究电能质量问题的关键点和基础技术，然而庞大的电力系统不可能在所有的节点都安装电能质量监测装置，在过去的研究中国内外都提出了大量的电能质量监测装置的优化配置方法。电能质量的指标一般包括谐波、电压暂降、骤升以及电压波动、闪变等，电能质量监测主要是对全网进行监测，从电能质量监测的角度来说，一般需要综合考虑多方面的问题。国内所提出的电能质量监测装置优化配置的指导性原则主要有：监测点能够覆盖系统中所有电压等级；满足电能质量指标调整与控制的要求；满足电能质量的基本要求，尤其是满足敏感性负荷用户的较高要求。

目前在电能质量监测的研究方面，主要是单一指标监测，即要么是以谐波估计为背景进行谐波量测点的优化配置，要么单纯针对电压暂降为监测对象进行监测点优化配置，但是单独配置两项指标的监测装置存在不经济、产生冗余量而增加计算时间的问题。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种能监测到谐波和电压暂降两种电能质量状况的谐波和电压暂降监测点统一配置方法及系统。

一种谐波和电压暂降监测点统一配置方法，包括步骤：

获取电网信息参数；

根据所述电网信息参数及电压暂降监测点配置模型确定电压暂降配置方案；

判断所述电压暂降配置方案是否满足全网谐波可观测约束条件；

若是，则将所述电压暂降配置方案确定为统一配置方案。

一种谐波和电压暂降监测点统一配置系统，包括：

参数获取模块，用于获取电网信息参数；

电压方案确定模块，用于根据所述电网信息参数及电压暂降监测点配置模型确定电压暂降配置方案；

条件判断模块，用于判断所述电压暂降配置方案是否满足全网谐波可观测约束条件；

统一方案确定模块，若所述条件判断模块判断所述电压暂降配置方案是否满足全网谐波可观测约束条件，用于将所述电压暂降配置方案确定为统一配置方案。

上述谐波和电压暂降监测点统一配置方法及系统，根据所述电网信息参数及电压暂降监测点配置模型确定电压暂降配置方案，并判断所述电压暂降配置方案是否满足全网谐波可观测约束条件，若是，则将所述电压暂降配置方案确定为统一配置方案。由于所述电压暂降配置方案满足全网谐波可观测约束条件时，所述电压暂降配置方案既符合电压暂降监测点配置模型的电压暂降约束条件，又符合全网谐波可观测约束条件。故将该电压暂降配置方案可确定为统一配置方案能够使按照该统一配置方案设置的监测点，可以同时监测电压暂降和谐波两种电能质量状况。

附图说明

图1为一种实施方式的谐波和电压暂降监测点统一配置方法的流程图；

图2为另一种实施方式的谐波和电压暂降监测点统一配置方法的流程图；

图3为一种实施方式的谐波和电压暂降监测点统一配置方法的结构图；

图4为另一种实施方式的谐波和电压暂降监测点统一配置方法的结构图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/和”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示，一种实施方式的谐波和电压暂降监测点统一配置方法，包括以下步骤：

S110：获取电网信息参数。

电网信息参数包括网络拓扑及电网各元件参数，如，总节点数、线路参数、负荷参数及电压器参数。

S130：根据所述电网信息参数及电压暂降监测点配置模型确定电压暂降配置方案。

在其中一个实施例中，所述步骤S130具体为：采用离散粒子群算法，将所述电网信息参数作为离散粒子群算法的输入，将所述电压暂降监测点配置模型的目标函数的值作为离散粒子群算法的适应度值，将所述电压暂降监测点配置模型的电压暂降约束条件作为离散粒子群算法的收敛条件确定电压暂降配置方案。

在其它实施例中，也可以采用其它算法来确定电压暂降配置方案，如适合处理离散数据的遗传算法。但离散离子群算法不仅适合处理离散数据，且其处理速度快。

S140：判断所述电压暂降配置方案是否满足全网谐波可观测约束条件。

其中，全网谐波可观测条件可根据现有技术获取。在其中一个实施例中，在步骤S140之前，还包括步骤：获取全网谐波可观测条件。

若是，即所述电压暂降配置方案满足全网谐波可观测约束条件，则执行步骤S150。

S150：将所述电压暂降配置方案确定为统一配置方案。

由于电压暂降配置方案是根据所述电网信息参数及电压暂降监测点配置模型确定的，故当判断所述电压暂降配置方案满足全网谐波可观测约束条件时，所述电压暂降配置方案既符合电压暂降监测点配置模型的电压暂降约束条件，又符合全网谐波可观测约束条件，因此该电压暂降配置方案即可确定为统一配置方案。按照该统一配置方案设置的监测点，可以同时监测电压暂降和谐波两种电能质量状况。

请参阅图2，在其中一个实施例中，若判断所述电压暂降配置方案不满足全网谐波可观测约束条件，则所述步骤S140之后，还包括步骤S160—S180。

S160：以电压暂降监测点配置方案为谐波监测点配置的初始方案，并维持电压暂降监测点不变，以谐波监测点个数最少为谐波目标函数，确定谐波最少监测点个数。

在本实施例中，谐波目标函数可以为：

其中，F为监测点的目标函数值；m为监测点的个数；gindex_i为第i条母线的综合观测能力指数。

在其中一个实施例中，电网信息参数还包括每条母线的综合观测能力指数。

在另一个实施例中，可根据以下公式确定母线的综合观测能力指数gindex。

其中，type表示故障类型，type＝1，2，3，4分别表示三相短路、单相短路、两相短路和两相接地短路故障，index_i,type表示第i条母线某故障类型下的观测能力指数，p(type)表示该故障类型的发生频率。由上述分析可知，综合观测能力指数越小，表示该母线的监测能力越好。

在其中一个实施例中，观测能力指数index通过模糊电压暂降可观测域MMRA及Mamdani模糊模型确定。

MMRA包括I(In)、B(Boundaries)和O(Out)。I是完全在监测区域的故障点；B是在模糊阈值区域的故障点；O包括监测区域之外的以及高于传统阈值的点。公式表示如下：

其中，i表示节点i，j表示故障点j；type为故障类型；U_ij是凹陷域矩阵U_dip中第i行第j列的值，表示故障点j发生短路故障时节点i的电压有效值；p.u.是一个单位表示标幺值。具体地，凹陷域矩阵U_dip可以通过电网信息参数计算各种短路情况下电压暂降幅值分布情况而确定。

通过运用MMRA，引入观测能力指数index表示母线的观测能力。由于各监测点位母线的观测是否可靠与该母线可观测范围内对的电压暂降幅值密切相关，因而index的大小由以下三个因素决定：

1)可观测区域内最小的电压暂降值；

2)可观测区域内电压暂降平均值；

3)可观测区域内最大的电压暂降值。

每条母线的index通过建立Mamdani模糊模型计算得到。在本实施例中，采用电压暂降幅值最大的点max和电压暂降平均值average作为Mamdani模糊模型的输入变量，输出变量就是该母线的观测能力指数index。为了使输入输出量模糊化，使输入变量电压幅值最大值max和平均值average的模糊集采用MMRA中的集合分布：{I(In)，B(Boundaries)，O(Out)}。

S170：根据所述谐波最少监测点个数及所述电压暂降配置方案的监测点个数确定新增监测点个数。

设所述电压暂降配置方案中有n个监测点，谐波最少监测点个数为M，由于谐波最少监测点个数的确定是在将电压暂降配置方案作为初始方案，并维持 电压暂降监测点不变的基础上进行的。因此谐波最少监测点个数M必定大于电压暂降配置方案中的监测点个数n，由此，可以确定在所述电压暂降配置方案的基础上需要M-n个新增监测点。

S180：在所述电压暂降配置方案的基础上对新增监测点个数的新增监测点进行寻优得到寻优结果，并根据所述寻优结果确定统一配置方案或增加一个新增监测点继续寻优直到确定统一配置方案。

在本实施例中，根据电压暂降配置方案及新增监测点个数的新增监测点能够满足全网谐波可观测约束条件来确定寻优结果。在其中一个实施例中，所述在所述电压暂降配置方案的基础上对新增监测点个数的新增监测点进行寻优得到寻优结果的步骤具体为：采用离散粒子群算法，寻找使电压暂降配置方案的监测点及新增监测点能够满足全网谐波可观测约束条件的新增监测点个数的新增监测点。若找到，则寻优结果为寻到；若未找到，则寻优结果为未寻到。

具体地，寻优过程采用离散粒子群算法，寻找满足全网谐波可观测约束条件的新增监测点个数的新增监测点，若找到，则寻优结果为寻到，此时将该新增监测点个数的新增监测点及电压暂降配置方案的监测点确定为统一配置方案的监测点。若遍历完所有监测点，仍然没有找到新增监测点个数的新增监测点能够满足全网谐波可观测约束条件，则寻优结果为未寻到，此时，再增加一个新增监测点继续寻优，直至寻优结果为寻到。当所述寻优方案不满足全网谐波可观测约束条件时，增加一个监测点继续寻优；直至所述寻优方案满足全网谐波可观测约束条件时，可以确定该寻优方案为统一配置方案。

在其中一个实施例中，所述步骤S180可以替换为：采用离散粒子群算法，将所述电压暂降配置方案及所述新增监测点作为离散粒子群算法的初始种群，将所述谐波最少监测点个数的目标函数的值作为离散粒子群算法的适应度值，将所述全网谐波可观测约束条件作为离散粒子群算法的收敛条件确定统一配置方案。

请继续参阅图2，在其中一个实施例中，所述步骤S130之前，还包括：

S120：获取电压暂降监测点配置模型，所述电压暂降监测点配置模型包括 电压暂降约束条件及电压暂降目标函数。

在本实施例中，电压暂降目标函数由综合观测能力指数gindex及Sugeno模糊模型来建立，具体为：

其中，n为电压暂降监测点个数；为Sugeno模糊模型的输出，是每条模糊规则的输出量的加权平均，具体为：

ω^k是模糊模型输出中第k条规则所占总规则的权重数，其数值由模糊系统自动生成，也可以根据需要自行设定。y^k＝a₀^k+a₁^kgindex₁+…+a_n^kgindex_n。K是模糊规则数；n是电压暂降监测点的个数。a_n^k为第n条母线的综合观测能力指数gindex_n的系数，由Sugeno模糊模型的模糊规则变化生成。

在其中一个实施例中，综合观测能力指数gindex_n根据公式(2)确定。在另一个实施例中，综合观测能力指数为电网信息参数中的一种。

该电压暂降目标函数，公式(4)，为两项相乘的复合函数，可以同时反映当前配置方案的监测点个数和方案的好坏程度。从函数中可以看出，即使在监测点个数相同的情况下，不同配置的目标函数也不相同，而且目标函数越小该方案越好，从而可以得到最优方案。

在本实施例中，为了保证在任意故障类型下每个故障至少能被一个电压暂降监测点观测到，建立电压暂降约束条件。首先根据网络拓扑进行网络短路计算，根据网络短路计算结果建立全局可观测矩阵M＝(MRA_3p,MRA_1p,MRA_2p,MRA_2pg)，其中，下标3p、1p、2p和2pg分别表示三相短路、单相短路、两相短路和两相接地短路故障。该电压暂降约束条件具体为：

其中，x_i表示第i条母线是否安装监测装置，x_i＝1则表示安装了监测装置；x_i＝0则表示没有安装监测装置；N为系统母线总数；F为故障点总数；M(i,j)表示故障点j发生故障时母线i是否能观测点故障，M(i,j)＝1表示能观察测到，M(i,j)＝0表示不能观测到。

上述谐波和电压暂降监测点统一配置方法，根据所述电网信息参数及电压暂降监测点配置模型确定电压暂降配置方案，并判断所述电压暂降配置方案是否满足全网谐波可观测约束条件，若是，则将所述电压暂降配置方案确定为统一配置方案。由于所述电压暂降配置方案满足全网谐波可观测约束条件时，所述电压暂降配置方案既符合电压暂降监测点配置模型的电压暂降约束条件，又符合全网谐波可观测约束条件。故将该电压暂降配置方案可确定为统一配置方案能够使按照该统一配置方案设置的监测点，可以同时监测电压暂降和谐波两种电能质量状况。

如图3所示，一种实施方式的谐波和电压暂降监测点统一配置系统，包括：

参数获取模块110，用于获取电网信息参数。

电网信息参数包括网络拓扑及电网各元件参数，如，总节点数、线路参数、负荷参数及电压器参数。

电压方案确定模块130，用于根据所述电网信息参数及电压暂降监测点配置模型确定电压暂降配置方案。

在其中一个实施例中，所述电压方案确定模块130具体用于采用离散粒子群算法，将所述电网信息参数作为离散粒子群算法的输入，将所述电压暂降监测点配置模型的目标函数的值作为离散粒子群算法的适应度值，将所述电压暂降监测点配置模型的电压暂降约束条件作为离散粒子群算法的收敛条件确定电压暂降配置方案。

在其它实施例中，也可以采用其它算法来确定电压暂降配置方案，如适合处理离散数据的遗传算法。但离散离子群算法不仅适合处理离散数据，且其处 理速度快。

条件判断模块140，用于判断所述电压暂降配置方案是否满足全网谐波可观测约束条件。

其中，全网谐波可观测条件可根据现有技术获取。在其中一个实施例中，，还包括：谐波条件获取模块，用于获取全网谐波可观测条件。

若是，即所述条件判断模块140判断电压暂降配置方案满足全网谐波可观测约束条件，则调用统一方案确定模块150。

统一方案确定模块150，用于将所述电压暂降配置方案确定为统一配置方案。

由于电压暂降配置方案是根据所述电网信息参数及电压暂降监测点配置模型确定的，故当判断所述电压暂降配置方案满足全网谐波可观测约束条件时，所述电压暂降配置方案既符合电压暂降监测点配置模型的电压暂降约束条件，又符合全网谐波可观测约束条件，因此该电压暂降配置方案即可确定为统一配置方案。按照该统一配置方案设置的监测点，可以同时监测电压暂降和谐波两种电能质量状况。

请参阅图4，在其中一个实施例中，若所述条件判断模块140判断所述电压暂降配置方案不满足全网谐波可观测约束条件，则调用谐波和电压暂降监测点统一配置系统包括的以下模块：

监测点个数确定模块160，用于以电压暂降监测点配置方案为谐波监测点配置的初始方案，并维持电压暂降监测点不变，以谐波监测点个数最少为谐波目标函数，确定谐波最少监测点个数。

在本实施例中，谐波目标函数可以为：

其中，F为监测点的目标函数值；m为监测点的个数；gindex_i为第i条母线的综合观测能力指数。

在其中一个实施例中，电网信息参数还包括每条母线的综合观测能力指数。

在另一个实施例中，可根据以下公式确定每条母线的综合观测能力指数 gindex_i。

其中，type表示故障类型，type＝1，2，3，4分别表示三相短路、单相短路、两相短路和两相接地短路故障，index_i,type表示第i条母线某故障类型下的观测能力指数，p(type)表示该故障类型的发生频率。由上述分析可知，综合观测能力指数越小，表示该母线的监测能力越好。

在其中一个实施例中，观测能力指数index通过模糊电压暂降可观测域MMRA及Mamdani模糊模型确定。

MMRA包括I(In)、B(Boundaries)和O(Out)。I是完全在监测区域的故障点；B是在模糊阈值区域的故障点；O包括监测区域之外的以及高于传统阈值的点。公式表示如下：

其中，i表示节点i，j表示故障点j；type为故障类型；U_ij是凹陷域矩阵U_dip中第i行第j列的值，表示故障点j发生短路故障时节点i的电压有效值；p.u.是一个单位表示标幺值。具体地，凹陷域矩阵U_dip可以通过电网信息参数计算各种短路情况下电压暂降幅值分布情况而确定。

通过运用MMRA，引入观测能力指数index表示母线的观测能力。由于各监测点位母线的观测是否可靠与该母线可观测范围内对的电压暂降幅值密切相关，因而index的大小由以下三个因素决定：

1)可观测区域内最小的电压暂降值；

2)可观测区域内电压暂降平均值；

3)可观测区域内最大的电压暂降值。

每条母线的index通过建立Mamdani模糊模型计算得到。在本实施例中， 采用电压暂降幅值最大的点max和电压暂降平均值average作为Mamdani模糊模型的输入变量，输出变量就是该母线的观测能力指数index。为了使输入输出量模糊化，使输入变量电压幅值最大值max和平均值average的模糊集采用MMRA中的集合分布：{I(In)，B(Boundaries)，O(Out)}。

新增点个数确定模块170，用于根据所述谐波最少监测点个数及所述电压暂降配置方案的监测点个数确定新增监测点个数。

设所述电压暂降配置方案中有n个监测点，谐波最少监测点个数为M，由于谐波最少监测点个数的确定是在将电压暂降配置方案作为初始方案，并维持电压暂降监测点不变的基础上进行的。因此谐波最少监测点个数M必定大于电压暂降配置方案中的监测点个数n，由此，可以确定在所述电压暂降配置方案的基础上需要M-n个新增监测点。

寻优及方案确定模块180，用于在所述电压暂降配置方案的基础上对新增监测点个数的新增监测点进行寻优得到寻优结果，并根据所述寻优结果确定统一配置方案或增加一个新增监测点继续寻优直到确定统一配置方案。

在本实施例中，根据电压暂降配置方案及新增监测点个数的新增监测点能够满足全网谐波可观测约束条件来确定寻优结果。在其中一个实施例中，所述寻优及方案确定模块180，具体用于采用离散粒子群算法，寻找使电压暂降配置方案的监测点及新增监测点能够满足全网谐波可观测约束条件的新增监测点个数的新增监测点。若找到，则寻优结果为寻到；若未找到，则寻优结果为未寻到。

具体地，寻优过程采用离散粒子群算法，寻找满足全网谐波可观测约束条件的新增监测点个数的新增监测点，若找到，则寻优结果为寻到，此时将该新增监测点个数的新增监测点及电压暂降配置方案的监测点确定为统一配置方案的监测点。若遍历完所有监测点，仍然没有找到新增监测点个数的新增监测点能够满足全网谐波可观测约束条件，则寻优结果为未寻到，此时，再增加一个新增监测点继续寻优，直至寻优结果为寻到。当所述寻优方案不满足全网谐波 可观测约束条件时，增加一个监测点继续寻优；直至所述寻优方案满足全网谐波可观测约束条件时，可以确定该寻优方案为统一配置方案。

在其中一个实施例中，所述寻优及方案确定模块180还可用于，采用离散粒子群算法，将所述电压暂降配置方案及所述新增监测点作为离散粒子群算法的初始种群，将所述谐波最少监测点个数的目标函数的值作为离散粒子群算法的适应度值，将所述全网谐波可观测约束条件作为离散粒子群算法的收敛条件确定统一配置方案。

请继续参阅图4，在其中一个实施例中，还包括：

电压模型获取模块120，用于获取电压暂降监测点配置模型，所述电压暂降监测点配置模型包括电压暂降约束条件及电压暂降目标函数。

在本实施例中，电压暂降目标函数由综合观测能力指数gindex及Sugeno模糊模型来建立，具体为：

其中，n为电压暂降监测点个数；为Sugeno模糊模型的输出，是每条模糊规则的输出量的加权平均，具体为：

ω^k是模糊模型输出中第k条规则所占总规则的权重数，其数值由模糊系统自动生成，也可以根据需要自行设定。y^k＝a₀^k+a₁^kgindex₁+…+a_n^kgindex_n。K是模糊规则数；n是电压暂降监测点的个数。a_n^k为第n条母线的综合观测能力指数gindex_n的系数，由Sugeno模糊模型的模糊规则变化生成。

该电压暂降目标函数，公式(4)，为两项相乘的复合函数，可以同时反映当前配置方案的监测点个数和方案的好坏程度。从函数中可以看出，即使在监测点个数相同的情况下，不同配置的目标函数也不相同，而且目标函数越小该方案越好，从而可以得到最优方案。

在本实施例中，为了保证在任意故障类型下每个故障至少能被一个电压暂 降监测点观测到，建立电压暂降约束条件。首先根据网络拓扑进行网络短路计算，根据网络短路计算结果建立全局可观测矩阵M＝(MRA_3p,MRA_1p,MRA_2p,MRA_2pg)，其中，下标3p、1p、2p和2pg分别表示三相短路、单相短路、两相短路和两相接地短路故障。该电压暂降约束条件具体为：

其中，x_i表示第i条母线是否安装监测装置，x_i＝1则表示安装了监测装置；x_i＝0则表示没有安装监测装置；N为系统母线总数；F为故障点总数；M(i,j)表示故障点j发生故障时母线i是否能观测点故障，M(i,j)＝1表示能观察测到，M(i,j)＝0表示不能观测到。

上述谐波和电压暂降监测点统一配置系统，电压方案确定模块130根据所述电网信息参数及电压暂降监测点配置模型确定电压暂降配置方案，条件判断模块140判断所述电压暂降配置方案是否满足全网谐波可观测约束条件，若是，则统一方案确定模块150将所述电压暂降配置方案确定为统一配置方案。由于所述电压暂降配置方案满足全网谐波可观测约束条件时，所述电压暂降配置方案既符合电压暂降监测点配置模型的电压暂降约束条件，又符合全网谐波可观测约束条件。故将该电压暂降配置方案可确定为统一配置方案能够使按照该统一配置方案设置的监测点，可以同时监测电压暂降和谐波两种电能质量状况。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出多个变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。