配电网负荷动态功率信号特征的分段fft分析方法
技术领域：
：[0001]本发明属于配电网负荷分析
技术领域：
：，涉及一种配电网负荷动态功率信号特征的分段fft分析方法。
背景技术：
：：[0002]智能电网中非线性动态负荷的存在会使电网中产生冲击功率、谐波电流、电压偏差和三相不平衡等问题，影响智能电能表的电能计量准确性。动态负荷特性对于电能表计量的影响与电能表计量误差测试引起相关研究人员的关注。[0003]目前，国内外针对电力负荷的研究主要包括电力负荷建模和电力负荷电能质量分析，电力负荷建模有助于分析电网特性、电力系统的设计和规划；电能质量指标表示电力负荷用电过程的电能质量的好坏，是电力负荷特性作用的结果；而研究电力负荷的负荷特性，以及影响智能电能表运行时，对电能计量的误差的研究分析时，仅应用电力负荷建模方法或电能质量指标进行动态负荷特性分析并不合适。[0004]因此，基于以上问题，提出一种配电网负荷动态功率信号特征的分段fft分析方法，用于动态负荷确定性特征量的分析，提高分析的精确度。技术实现要素：[0005]本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种配电网负荷动态功率信号特征的分段fft分析方法。[0006]本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：[0007]一种配电网负荷动态功率信号特征的分段fft分析方法，包括如下步骤：[0008]步骤一，采集配电网负荷动态功率信号的数据；[0009]步骤二，对采集的配电网负荷动态功率信号的数据采用fft进行谐波分析，得到配电网负荷动态功率信号的幅值、相位和频率；[0010]步骤三，对提取得到的配电网负荷动态功率信号的的幅值、相位和频率进行特征分析。[0011]而且，配电网负荷动态功率信号的数据采集使用日置hioko公司的mr8875存储记录仪。[0012]而且，所述采集配电网负荷动态功率信号的数据包括电压、电流数据。[0013]而且，所述mr8875采集的电压、电流数据以mem格式存储，然后经数据预处理转换为matlab的数据文件。[0014]而且，所述对采集的配电网负荷动态功率信号的数据采用fft进行谐波分析，得到配电网负荷动态功率信号的幅值、相位和频率时变特性的方法为：[0015]步骤1，按照fft算法分析的数据点数对负荷电压、电流信号进行时域分段；[0016]步骤2，对进行时域分段后的负荷电压、电流信号进行截取，并对截取的信号利用相应的计算公式进行处理，得到该时间区间内实测信号的基波与谐波分量的幅值、相角和频率值。[0017]而且，所述信号ya(θ)的频率、幅值和相位的计算公式分别为：[0018]fa＝(l+ρ)δf[0019][0020][0021]式中，fa、a、ya分别为所述信号的频率、幅值和相位；l为子区间的长度，f为dft的频率分辨率，p为对信号加汉宁窗以后，在整数采样点的频谱数值的辅助参数，表示为ρ＝(fa-lδf)/δf；ya(l)为信号ya(θ)的频谱；im(a(l))、re(a(l))分别为信号ya(θ)幅值的实部和虚部。[0022]而且，对提取得到的配电网负荷动态功率信号的的幅值、相位和频率进行特征分析的方法为：[0023]步骤一，采集配电网中负荷动态的电压、电流、功率信号，并假设电压和电流信号都是周期性的；[0024]步骤二，基于在能量集中的频率范围，频带划分较窄，而在能量较小的频率范围，频带划分较宽的原则,将在频域内的电压和电流信号分成频域有限的离散线谱，以便下一步提高算法的精度；[0025]步骤三，利用汉宁窗差值的fft方法，将离散线谱按基波频率划分成固定的频带，提取各次谐波，得到基波功率和谐波功率，其中分解得到的基波有功功率为动态负荷的稳态功率；[0026]步骤四，对得到的动态负荷的稳态功率进行特征分析。[0027]本发明的优点和有益效果为：[0028]1、本配电网负荷动态功率信号特征的分段fft分析方法，通过对信号加汉宁窗的方法减少信号的频谱泄漏和栅栏效应，达到了消除信号频谱泄漏的不利影响；其次通过采用插值算法对结果进行了修正，大大的提高了计算得出的谐波分量的幅值、相位、频率等参数的精度，使得计算的到的精度能够满足对谐波分析的需要。附图说明[0029]图1是三相四线制计量点信号采集接线图；[0030]图2是三相三线制计量点信号采集接线图；[0031]图3是分布式光伏电源电压基波幅值时变特性曲线；[0032]图4是分布式光伏电源电流基波幅值时变特性曲线；[0033]图5是分布式光伏电源电压与电流的基波相位时变特性曲线；[0034]图6是分布式光伏电源电压与电流基波相位差曲线；[0035]图7是分布式光伏电源电压与电流的基波频率时变特性曲线。具体实施方式[0036]下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。[0037]一种配电网负荷动态功率信号特征的分段fft分析方法，其创新之处在于：包括如下步骤：[0038]步骤一，采集配电网负荷动态功率信号的数据；[0039]步骤二，对采集的配电网负荷动态功率信号的数据采用fft进行谐波分析，得到配电网负荷动态功率信号的幅值、相位和频率；[0040]步骤三，对提取得到的配电网负荷动态功率信号的的幅值、相位和频率进行特征分析。[0041]而且，配电网负荷动态功率信号的数据采集使用日置hioko公司的mr8875存储记录仪。mr8875存储记录仪采样频率最高达500khz，同时采集电压和电流信号时，具有相位同步功能。电力负荷的电能计量点有三相四线制和三相三线制两种接线方式，对应的信号采集接线图如图1和图2所示。[0042]表1给出了负荷现场信号采集信息。[0043]表1负荷现场信号采集信息[0044]table1informationofspotloadsignalacquisition[0045][0046]mr8875采集的电压、电流数据以mem格式存储，不能够直接进行数据处理，需要进行数据预处理转换为matlab的数据文件，便于后续的特性分析工作。[0047]假设被采集的模拟信号x(t)由直流分量、基波和多次谐波组成。使用采样频率fs对模拟信号进行采样，得到离散的数字信号x(n)：[0048][0049]其中a0(n)表示直流分量，a1(n)表示随时间变化的基波分量的幅值，am(n)表示m次谐波分量信号的幅值，f0表示信号的基波频率，m表示最高谐波的次数，φ0、φm分别表示基波分量与m次谐波分量的相位。[0050]对于瞬时电流信号，取a0(n)＝i0(n)，a1(n)＝i1(n)，am(n)＝im(n)，则有：[0051][0052]其中，i0(n)表示负荷瞬时电流信号中随时间缓慢变化的直流分量；i1(n)表示负荷瞬时电流中基波电流信号的幅值，该幅值随时间不断变化，变化的快慢与动态负荷的性质密切相关；im(n)表示负荷瞬时电流中随时间变化的m次谐波电流分量的幅值，m表示电流最高谐波的次数。[0053]对于瞬时电压信号，取a0(n)＝u0(n)＝0,a1(n)＝u1(n),am(n)＝um(n)则有：[0054][0055]其中，u0(n)＝0表示负荷瞬时电压信号中直流分量为零；u1(n)均表示负荷瞬时电压中基波电流信号的幅值，该幅值随时间变化较小；um(n)表示负荷瞬时电压中随时间变化的m次谐波电流分量的幅值，q表示电压最高谐波的次数。[0056]对于负荷瞬时功率信号，取a0(n)＝p0(n)＝0,a1(n)＝p1(n),am(n)＝pm(n)则有：[0057][0058]其中，表示瞬时功率信号中随时间慢变化的分量，l＝min{m、q}；pm(n)表示瞬时功率信号中电压与电流谐波次数之差或之和等于所的分量的幅度；pm(n)与{uk(n),:k＝1,2,…,q}；{ik(n):k＝1,2,…,m}有关，是瞬时功率中快变化的分量。[0059]而且，所述采集配电网负荷动态功率信号的数据包括电压、电流数据。[0060]而且，所述mr8875采集的电压、电流数据以mem格式存储，然后经数据预处理转换为matlab的数据文件。而且，所述对采集的配电网负荷动态功率信号的数据采用fft进行谐波分析，得到配电网负荷动态功率信号的幅值、相位和频率时变特性的方法为：[0061]步骤1，按照fft算法分析的数据点数对负荷电压、电流信号进行时域分段；[0062]步骤2，对进行时域分段后的负荷电压、电流信号进行截取，并对截取的信号利用相应的计算公式进行处理，得到该时间区间内实测信号的基波与谐波分量的幅值、相角和频率值。[0063]采用fft进行负荷电压与电流信号的谐波分析。按照fft算法分析时的数据点数对负荷电压、电流信号进行时域分段，进而对截取的信号进行处理，得到该时间区间内实测信号的基波与谐波分量的幅值、相角和频率值。在观测时间总体内，即得到负荷电压、电流的幅值、相位与频率随时间的变化特性，即负荷电压电流的幅值、相位和频率时变特性。[0064]汉宁窗插值的fft方法[0065]设只含一个频率分量f＝ka的信号y(t)：[0066]y(t)＝aexp(jkat)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(5)[0067]对于信号y(t)＝aexp(jkat)，取ka＝2πf。有：[0068][0069]令k＝1,a0＝a1＝0.5，即采用汉宁窗插值消除泄漏误差与栅栏效应，设采样间隔δt＝1，于是dft的频率分辨率δf＝1/t＝1/(n·δt)＝1/n。设ya(t)频率ka∈[lδf,(l+1)δf]，对信号的频谱有：[0070][0071]于是，对信号加汉宁窗后，信号ya(θ)的频谱在整数采样点的数值为[0072][0073]式中ρ＝(fa-lδf)/δf。[0074]所述信号ya(θ)的频率、幅值和相位的计算公式分别为：[0075]fa＝(l+ρ)δf[0076][0077][0078]式中，fa、a、ya分别为所述信号的频率、幅值和相位；l为子区间的长度，f为dft的频率分辨率，p为对信号加汉宁窗以后，在整数采样点的频谱数值的辅助参数，表示为ρ＝(fa-lδf)/δf；ya(l)为信号ya(θ)的频谱；im(a(l))、re(a(l))分别为信号ya(θ)幅值的实部和虚部。[0079]而且，对提取得到的配电网负荷动态功率信号的的幅值、相位和频率进行特征分析的方法为：[0080]步骤一，采集配电网中负荷动态的电压、电流、功率信号，并假设电压和电流信号都是周期性的；[0081]步骤二，基于在能量集中的频率范围，频带划分较窄，而在能量较小的频率范围，频带划分较宽的原则,将在频域内的电压和电流信号分成频域有限的离散线谱，以便下一步提高算法的精度；[0082]步骤三，利用汉宁窗差值的fft方法，不考虑能量集中的频带，按基波频率划分成固定的频带，提取各次谐波，得到基波功率和谐波功率，其中分解得到的基波有功功率为动态负荷的稳态功率；[0083]步骤四，对提取得到的配电网负荷动态功率信号进行特征分析。[0084]幅值、相位与频率时变特性[0085](1)幅值时变特性[0086]对负荷信号x(t)，以采样频率fs得到长度为w的信号x(n),n＝0,1,…,n，按照固定时间长度t对x(n)进行分段截取，t＝ls时，分段数据长度n'＝fs。于是第i秒内信号表示为：[0087]xi(n)＝{x(n):n＝(i-1)n',(i-1)n'+1,…,in'-1}ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(10)[0088]其中i＝1,2,…,i,(in'-1)≤n。[0089]将全部i段负荷信号采用矩阵映射的方法，得到电压或电流信号的时域矩阵x：[0090]x＝{xlq}＝{x(l-1)n'+q}ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(11)[0091]其中l代表矩阵x的第l行，表示时间；q代表矩阵x的第q列，表示第l秒内第q个采样数据。[0092]设fft的变换矩阵为表示为[0093][0094]其中k＝0,1,…,n'-1,n＝0,1,…,n'-1.[0095]应用时域分段fft对式(11)时域矩阵进行分析，得到电压或电流信号的频域矩阵x＝{xij}l×n'；[0096][0097]负荷信号分段截取序列的时间长度为is时，分析采用的时域分段fft方法的频率分辨率fs/n'＝1hz。因此，该频域矩阵x元素xij(j＝1+50(m-1))的模就是负荷信号m次谐波分量在第i秒内的幅值，即：[0098]am(i)＝|xij|,j＝1+50(m-1)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(14)[0099]其中m＝1,2,…,p(电流)，或m＝1,2,…,q(电压)。[0100]于是，序列{am(i):i＝1,2,…,i}即负荷信号(电压、电流)m次谐波分量的幅值时变特性。[0101](2)相位时变特性：[0102]由式(13)，频域矩阵x的元素xij(j＝1+50(m-1))的辐角即m次谐波分量在第i秒内的相位θm(i)，即：[0103]设xij＝re(xij)+jim(xij)，于是得：[0104]θm(i)＝arctan{im(xij)/re(xij)}ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(15)[0105]其中m＝1,2,…,p(电流)，或m＝1,2,…,q(电压)。[0106]序列{θm(i):i＝1,2,…,i}即负荷信号(电压、电流)m次谐波分量的相位时变特性。[0107](3)基波频率时变特性：[0108]分析采用时域分段的fft方法，其频率分辨率为fs/n'，其中fs为采样频率，n'＝tf(t为每个子序列的时间长度)。为了保证fft频率分辨率fs/m不低于0.1hz，取t＝10s。则负荷电压、电流信号基波分量m次谐波分量在第10i秒内的频率为[0109]f0(i)、fm(i)＝0.1(r-1)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ(16)[0110]式中：r＝kms.t.xi(km)＝max{xik},k∈[50/(fs/n)±0.5/(fs/n)]。[0111]序列{fm(i):i＝1,2,…,i}即负荷信号(电压、电流)m次谐波分量的频率时变特性。[0112]应用分段fft方法，对河北某小区分布式光伏发电系统的数据进行分析，得出电压、电流基波分量的幅值、相位和频率时变特性的分析结果。[0113](1)幅值时变特性[0114]分布式光伏电源电压、电流基波的幅值时变特性曲线如图3、图4，电压基波幅值范围为319.75～325.16v，均值方差δ(u1)＝0.73电流基波幅值范围为8.42～19.93a，均值为方差为δ(i1)＝8.51。[0115](2)相位时变特性[0116]分布式光伏电源电压、电流基波的相位时变特性曲线如图5，相位差曲线如图6。电压基波相位变化范围为-7.10°～5.80°；均值方差电流基波相位变化范围为-8.70°～5.80°；均值方差[0117](3)频率时变特性[0118]分布式光伏电源电压、电流基波的频率时变特性曲线如图7，电压基波频率和电流基波频率变化范围不超过0.1hz。[0119]本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。[0120]本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。[0121]这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。[0122]这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。[0123]最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页1 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