本發(fā)明涉及電能質(zhì)量監(jiān)控領域，尤其涉及一種智能配變終端沖擊性負荷諧波源識別方法。

背景技術：

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，大功率變流裝置、可控硅控制裝置、各種大功率非線性負荷的日益廣泛應用，以及家用電器的普及,電力系統(tǒng)諧波污染日益嚴重,大量的諧波和無功電流注入電網(wǎng)，電能質(zhì)量下降。諧波不僅使電力設備損耗增加，繼電保護和自動化裝置誤動作，引起電氣諧振和電機的機械振動，而且干擾通信線路，影響測量儀表的精度，甚至造成電網(wǎng)的大事故，對電力系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行帶來了很大的影響，已成為電力系統(tǒng)的主要公害之一，與電磁干擾、功率因數(shù)降低并列為電力系統(tǒng)中的三大公害。對電力系統(tǒng)中的諧波含量進行實時監(jiān)測,確切掌握電力系統(tǒng)中的諧波狀況并進行諧波抑制，對于防止諧波危害,維護電力系統(tǒng)的安全運行是十分必要的。目前諧波源識別目的主要是確定諧波源是來自于供電側還是用戶側，但如何在確定來自于用戶側的基礎上，在眾多的電網(wǎng)諧波中對諧波源種類乃至諧波源個體進行識別，以便強制或幫助用戶進行改造，從源頭上降低或消除諧波的產(chǎn)生，這一方面還做得遠遠不夠。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對以上問題，提供了一種能夠精確識別諧波產(chǎn)生源頭且能夠快速判定諧波種類的智能配變終端沖擊性負荷諧波源識別方法。

本發(fā)明的技術方案是：一種智能配變終端沖擊性負荷諧波源識別方法，工作步驟如下：

1)確定諧波分析次數(shù)及諧波的計算方法，

2)建立沖擊性負荷諧波源特征庫，

3)識別沖擊性負荷諧波源，完畢。

所述步驟1)確定諧波分析次數(shù)及諧波的計算方法的具體步驟如下：

1.1)確定諧波分析次數(shù)為第二次諧波到第19次諧波，

1.2)采集若干周波內(nèi)的電流數(shù)據(jù)，

1.3)計算得出諧波頻率種類及各諧波的幅度有效值，

1.4)通過步驟1.3)的有效值對諧波狀態(tài)進行評估，完畢。

所述步驟2)建立沖擊性負荷諧波源特征庫的建立方法為：

2.1)獲取沖擊性負荷諧波源特征向量，

2.2)提取沖擊性負荷電流波形包絡，

2.3)估算沖擊性負荷諧波電流有效值，完畢。

所述步驟3)識別沖擊性負荷諧波源的方法為：

3.1)計算沖擊電流包絡形狀匹配度p1，

3.2)計算沖擊電流持續(xù)時間匹配度p2，

3.3)計算沖擊電流間隔周期匹配度p3，

3.4)計算沖擊電流產(chǎn)生諧波電流次數(shù)及各次諧波電流有效值匹配度p4，

3.5)設定p1的權重值為a1，p2的權重值為a2，p3的權重值為a3，p4的權重值為a4，

3.6)對p1、p2、p3、p4進行加權求和，

3.7)設定識別總匹配度閾值thr_total，

3.8)加權求和值與thr_total值相比較，若加權求和值大于thr_total值，則該諧波源匹配成功，否則匹配不成功，完畢。

所述步驟2.3)估算沖擊性負荷諧波電流有效值的方法為：

2.31)同次諧波的相位角為隨機變量。兩同次諧波電流的數(shù)值為iha和ihb，其相角隨機變化，則合成諧波電流的估算公式為：

式(4)中，kh＝2cosθh≤2；從而估算出沖擊性負荷諧波電流有效值。

本發(fā)明提出了一種短時間諧波的諧波源種類乃至諧波源個體識別方法。該方法通過采集一定周波的諧波電流時間內(nèi)的電流數(shù)據(jù)，利用基于快速傅立葉變換的諧波測量方法進行計算，通過計算得到的諧波特征并結合沖擊電流波形特征進行沖擊性負荷諧波源識別。由于電網(wǎng)中的實際沖擊電流信號會受到電網(wǎng)阻抗的影響，其幅度可能會減小。因此，無論是作為匹配模板的波形包絡數(shù)據(jù)，還是實際過程中采集的波形包絡數(shù)據(jù)，都必須進行歸一化，這樣才能具有可比較性。通過采集到的諧波信息建立模板，再將實際采集到的諧波信息與模板信息相匹配，實現(xiàn)諧波種類鑒別。通過設置權重值區(qū)分多個匹配度的重要性，使得判定結果更加精確。能夠精確識別諧波產(chǎn)生源頭且能夠快速判定諧波種類。

附圖說明

圖1是本發(fā)明工作流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明如圖1所示，一種智能配變終端沖擊性負荷諧波源識別方法，工作步驟如下：

1)確定諧波分析次數(shù)及諧波的計算方法，

gb/t14549-93中附錄d2中規(guī)定，測量的諧波次數(shù)一般為第2～第19次，根據(jù)諧波源的特點和測試分析結果，可以適當變動諧波次數(shù)測量的范圍?！秖/gdw615-2011農(nóng)網(wǎng)智能配變終端功能規(guī)范和技術條件》中5.1部分規(guī)定，配電變壓器諧波監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型為電壓(電流)的2次～19次諧波分量、諧波含有率及總畸變率。因此，本發(fā)明中諧波分析的次數(shù)為第2～第19次。

根據(jù)iec61000-4-7-2009中4.4.1，諧波測量的頻譜分析時間窗，統(tǒng)一規(guī)定為10周期，對頻率為50hz的電網(wǎng)而言，即為200ms。10周期時間窗頻譜分析結果作為非穩(wěn)態(tài)信號諧波、間諧波評估的基礎數(shù)據(jù)。諧波、間諧波電能質(zhì)量指標的評估時間為：3s、10min。gb/t14549-93中附錄d5.2明確要求考核3s諧波值。這是為了區(qū)分暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，對負荷變化快的諧波，每次測量結果為3s內(nèi)所測值的平均值。

本發(fā)明中具體諧波分析流程采用iec61000-4-7-2009中圖1所示的通用方法。通過采集一定周波(本案采用150周波，即3s)的諧波電流時間內(nèi)的電流數(shù)據(jù)，利用基于快速傅立葉變換的諧波測量方法進行計算，分別得到3s時間段內(nèi)含有的諧波頻率種類及各諧波的幅度有效值，并對10分鐘的諧波進行無間斷采集分析，進而對諧波狀態(tài)進行評估，通過得到的諧波特征并結合沖擊電流波形特征進行沖擊性負荷諧波源識別。

2)建立沖擊性負荷諧波源特征庫，

3)識別沖擊性負荷諧波源，完畢。

所述步驟1)確定諧波分析次數(shù)及諧波的計算方法的具體步驟如下：

1.1)確定諧波分析次數(shù)為第二次諧波到第19次諧波，gb/t14549-93中附錄d2中規(guī)定，測量的諧波次數(shù)一般為第2～第19次，根據(jù)諧波源的特點和測試分析結果，可以適當變動諧波次數(shù)測量的范圍?！秖/gdw615-2011農(nóng)網(wǎng)智能配變終端功能規(guī)范和技術條件》中5.1部分規(guī)定，配電變壓器諧波監(jiān)測的數(shù)據(jù)類型為電壓(電流)的2次～19次諧波分量、諧波含有率及總畸變率。因此，本發(fā)明中諧波分析的次數(shù)為第2～第19次。

1.2)采集若干周波內(nèi)的電流數(shù)據(jù)，本發(fā)明中具體諧波分析流程采用iec61000-4-7-2009中圖1所示的通用方法。通過采集一定周波(本案采用150周波，即3s)的諧波電流時間內(nèi)的電流數(shù)據(jù)，利用基于快速傅立葉變換的諧波測量方法進行計算，分別得到3s時間段內(nèi)含有的諧波頻率種類及各諧波的幅度有效值，并對10分鐘的諧波進行無間斷采集分析，進而對諧波狀態(tài)進行評估，通過得到的諧波特征并結合沖擊電流波形特征進行沖擊性負荷諧波源識別。

1.3)計算得出諧波頻率種類及各諧波的幅度有效值，利用基于快速傅立葉變換的諧波測量方法進行計算，分別得到3s時間段內(nèi)含有的諧波頻率種類及各諧波的幅度有效值，并對10分鐘的諧波進行無間斷采集分析，進而對諧波狀態(tài)進行評估，通過得到的諧波特征并結合沖擊電流波形特征進行沖擊性負荷諧波源識別。

1.4)通過步驟1.3)的有效值對諧波狀態(tài)進行評估，完畢。通過得到的諧波特征并結合沖擊電流波形特征進行沖擊性負荷諧波源識別。

所述步驟2)建立沖擊性負荷諧波源特征庫的建立方法為：

2.1)獲取沖擊性負荷諧波源特征向量，同一配電變壓器下，其主要沖擊性負荷諧波源是已知的，因此，可預先確定諧波特征向量，通過對采集沖擊電流數(shù)據(jù)進行測量和分析，建立諧波源特征庫。該諧波源特征庫內(nèi)容包括：沖擊電流包絡形狀、沖擊電流持續(xù)時間、沖擊電流間隔周期、沖擊電流產(chǎn)生諧波電流次數(shù)及各次諧波電流有效值。其中，沖擊電流持續(xù)時間、沖擊電流間隔周期提取較為容易。因受電網(wǎng)中其它諧波源的影響較大，沖擊電流包絡形狀會產(chǎn)生畸變，同時實測的諧波電流有效值也會產(chǎn)生變化，需進行預處理，進而分別得到它們的近似值。將以上特征向量建庫，在正常諧波監(jiān)測過程中，將檢測和分析的結果與特征向量庫數(shù)據(jù)進行匹配比較，進而進行諧波源識別。

2.2)提取沖擊性負荷電流波形包絡，因受電網(wǎng)其它諧波源影響，實際沖擊性負荷產(chǎn)生的沖擊電流波形會還有大量諧波，進而造成沖擊電流波形含有噪聲，因此無論數(shù)據(jù)庫中的匹配包絡模板，還是實際檢測的待識別沖擊電流波形包絡，均需進行濾波處理，然后進行波形匹配，以提高匹配的準確性。

fir濾波器，即有限長單位沖激響應濾波器，在通信、圖像處理、模式識別等領域都有著廣泛的應用，是數(shù)字信號處理系統(tǒng)中最基本的元件，它可以在保證幅頻特性的同時具有嚴格的線性相頻特性，同時其單位抽樣響應是有限長的，因而濾波器是穩(wěn)定的系統(tǒng)。因此，本發(fā)明沖擊電流波形包絡提取采用fir數(shù)字低通濾波器，以消除疊加在電流上的諧波。為了去除2次以上諧波，fir數(shù)字低通濾波器通頻帶的截止頻率設定為100hz。為保證包絡匹配的準確性，匹配模板建立時采用的fir數(shù)字濾波器參數(shù)必須與實際監(jiān)測過程中采用的fir數(shù)字濾波器參數(shù)完全一致。

由于電網(wǎng)中的實際沖擊電流信號會受到電網(wǎng)阻抗的影響，其幅度可能會減小。因此，無論是作為匹配模板的波形包絡數(shù)據(jù)，還是實際過程中采集的波形包絡數(shù)據(jù)，都必須進行歸一化，這樣才能具有可比較性。

常用的波形匹配算法主要為基于絕對值差的匹配算法和基于相關系數(shù)的匹配算法，本發(fā)明采用基于絕對值差的匹配算法?；诮^對值差的匹配算法簡單，計算處理速度快，滿足監(jiān)測的實時性要求。該算法的缺點是噪聲和波形失真對匹配效果影響較大。本發(fā)明中，已在匹配之前進行了預處理，即對波形進行了fir數(shù)字濾波和歸一化，因此可提高匹配精度。本發(fā)明采用平均絕對值差法，即對模板波形與待測波形的所有采樣點進行差值絕對值求和，再取其平均值作為相關性。

2.3)估算沖擊性負荷諧波電流有效值，完畢。配變終端進行電流采樣分析。由于沖擊電流波形幅度較大，因此當通過電流波形幅度分析得出沖擊電流發(fā)生時，將沖擊電流發(fā)生前3s、沖擊電流發(fā)生持續(xù)期的諧波分析結果及沖擊電流發(fā)生時刻、沖擊電流結束時刻提取出來。沖擊電流發(fā)生持續(xù)期的諧波分析結果用于提取各諧波次數(shù)和各諧波有效值。

電力系統(tǒng)中，不同諧波源產(chǎn)生的同一次諧波，在某一條線路中疊加形成的諧波電流，計算如下：

同次諧波的幅值和相位確定時。設已知某支路中兩同次諧波電流用復數(shù)相量表示為和則合成諧波電流的正確數(shù)值為：

式(3)中，iha-諧波源a注入的第h次諧波電流；ihb-諧波源b注入的第h次諧波電流；θh-兩諧波源注入的第h次諧波電流的相位角差，θh＝θha-θhb。

(2)同次諧波的相位角為隨機變量。兩同次諧波電流的數(shù)值為iha和ihb，其相角隨機變化，則合成諧波電流的估算公式為：

式(4)中，kh＝2cosθh≤2。對于各次諧波的kh估算值見gb/t14549-93中附錄c中表c2。隨著諧波次數(shù)的增高，kh逐漸減小，ih的估計值也隨著相角差的分散性增大而減小，對于h＝9、h>13及偶次諧波，kh取0。

表c2

本案中，假定iha為沖擊電流發(fā)生前的各次諧波電流之和，ihb為沖擊電流產(chǎn)生的各次諧波電流狀態(tài)，ih為沖擊電流發(fā)生期間的合成各次諧波電流。當沖擊電流未發(fā)生時，短時間內(nèi)電網(wǎng)的諧波特征可以認為是不變的。因此，沖擊電流發(fā)生前3s的各諧波次數(shù)及各諧波有效值可作為沖擊電流發(fā)生期間的各諧波次數(shù)及各諧波有效值。由于各次諧波電流的相位角未知，因此可按式(4)進行估計。結合式(4)和表c2，即可得到?jīng)_擊電流各次諧波的估計值。

所述步驟3)識別沖擊性負荷諧波源的方法為：

3.1)計算沖擊電流包絡形狀匹配度p1，沖擊電流包絡形狀匹配度p1。設定相關性匹配閾值thr_baoluo，若計算得到的絕對值平均值小于thr_baoluo，則認為包絡形狀匹配度為1，否則認為包絡形狀匹配度為0。

3.2)計算沖擊電流持續(xù)時間匹配度p2，沖擊電流持續(xù)時間匹配度p2。設定相關性匹配閾值thr_pw，若計算得到的沖擊電流持續(xù)時間與特征庫中的沖擊電流持續(xù)時間之差的絕對值小于thr_pw，則認為沖擊電流持續(xù)時間匹配度為1，否則認為沖擊電流持續(xù)時間匹配度為0。

3.3)計算沖擊電流間隔周期匹配度p3，沖擊電流間隔周期匹配度p3。設定相關性匹配閾值thr_period，若計算得到的沖擊電流間隔周期與特征庫中的沖擊電流間隔周期之差的絕對值小于thr_period，則認為沖擊電流間隔周期匹配度為1，否則認為沖擊電流間隔周期匹配度為0。

3.4)計算沖擊電流產(chǎn)生諧波電流次數(shù)及各次諧波電流有效值匹配度p4，沖擊電流產(chǎn)生諧波電流次數(shù)及各次諧波電流有效值匹配度p4。設定相關性匹配閾值thr_yxxiebo、thr_ppxiebo。若計算得到的某次諧波有效值與特征庫中的該次諧波有效值之差的絕對值小于thr_yxxiebo，則認為該次諧波匹配度為1，否則認為該次諧波匹配度為0。將2～19次諧波全部匹配一遍，若匹配成功的諧波次數(shù)大于thr_ppxiebo，則認為沖擊電流產(chǎn)生諧波電流次數(shù)及各次諧波電流有效值匹配度為1，否則認為沖擊電流產(chǎn)生諧波電流次數(shù)及各次諧波電流有效值匹配度為0。

3.5)設定p1的權重值為a1，p2的權重值為a2，p3的權重值為a3，p4的權重值為a4，

3.6)對p1、p2、p3、p4進行加權求和，由于以上各特征向量在電網(wǎng)中受到的干擾程度不同，因而根據(jù)實際監(jiān)測分析的結果，分別賦予不同的權值a1、a2、a3、a4，其中a1、a2、a3、a4均小于1，且a1+a2+a3+a4＝1。對上述匹配度p1、p2、p3、p4進行加權求和，即a1p1+a2p2+a3p3+a4p4。設定識別總匹配度閾值thr_total。若a1p1+a2p2+a3p3+a4p4>thr_total，則認為該諧波源匹配成功，否則認為匹配不成功。

3.7)設定識別總匹配度閾值thr_total，

3.8)加權求和值與thr_total值相比較，若加權求和值大于thr_total值，則該諧波源匹配成功，否則匹配不成功，為未知諧波，完畢。

所述步驟2.3)估算沖擊性負荷諧波電流有效值的方法為：

2.31)同次諧波的相位角為隨機變量。兩同次諧波電流的數(shù)值為iha和ihb，其相角隨機變化，則合成諧波電流的估算公式為：

式(4)中，kh＝2cosθh≤2；從而估算出沖擊性負荷諧波電流有效值。