CN109902735B - 一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的二范数独立成分分析方法，通过以下步骤实现：（1）采集校准后刚投运的三相电压互感器测量信号，提取其基波幅值构成测量矩阵；（2）利用独立成分分析法对上述测量矩阵进行分解，获取独立分量，以及对应的解混矩阵；（3）利用二范数法筛选出残余分量，同时得到计算残余分量的参数矩阵，并计算其控制限；（4）采集三相电压互感器输出电压幅值，依照（2）与（3）计算其对应统计量，并与控制限进行比较，若超出控制限，则判定有电压互感器超差。优点：本方法解决了无标准器条件下的三相电压互感器在线评估问题，评估过程无需停电、不依赖高精度标准器，评估流程简便、效率更高。

Description

一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的方法

技术领域

本发明属于电压互感器技术领域，具体涉及一种变电站内三相电压互感器运行误差的评估方法。

背景技术

电压互感器是一种广泛应用于电力***的高压信号传感设备，是电力***测控、保护和计量等设备所用电压信号的来源，准确的电压测量是电力***安稳运行的基础，因此，评估电压互感器的测量误差并及时更换超差的不合格电压互感器非常重要。不仅如此，随着智能电网的建设，在运电压互感器的数量快速增长，对评估效率也提出了更高的要求。

目前广泛采用的电压互感器误差评估方法被称之为周检，即在变电站现场周期性开展电压互感器误差的离线检测。周检有以下缺点：1)离线检测需要变电站配合停电，损害了供电可靠性；2)周期性检测无法第一时间发现超差故障，导致超差互感器的更换滞后；3)周检没有针对性，评估效率低。

综上所述，传统的电压互感器周检技术已无法适应智能电网快速发展下的电压互感器运行误差评估需求，为了实现对电压互感器运行误差的在线、长期以及高效评估，本发明提出了一种基于二范数独立成分分析的变电站内三相电压互感器运行误差评估方法。

发明内容

针对现有周检的技术缺陷及改进需求，本发明提供了一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的二范数独立成分分析方法，目的在于脱离标准电压互感器条件下的电压互感器运行误差评估。

为实现上述目的，本发明提供的一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的二范数独立成分分析方法，包括以下步骤：

(1)采集校准后刚投运的三相电压互感器测量信号，提取其基波幅值构成测量矩阵

其中，u_a是指A相电压互感器输出信号的基波幅值，u_b是指B相电压互感器输出信号的基波幅值，u_c是指C相电压互感器输出信号的基波幅值，n为采集样本数量；

(2)利用独立成分分析法(Independent Component Analysis,ICA)对上述测量矩阵进行分解，获取独立分量S₁，S₂和S₃，以及对应的解混矩阵W；

(3)利用二范数法筛选出残余分量S_e，同时得到计算残余分量的参数矩阵W_e，建立反映残余分量变化的统计量SPE，并计算其控制限；

(4)采集三相电压互感器输出电压幅值，依照(2)与(3)计算其对应统计量，并与控制限进行比较，若超出控制限，则判定三相电压互感器中有电压互感器超差，应组织检修；

进一步、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(2)中基于独立成分分析方法的测量矩阵分解过程如下：

2.1)对测量矩阵X白化，获得白化矩阵Z，Z中各列向量特征为：零均值、单位方差且互不相关；

2.2)估计解混矩阵W；

2.3)计算独立分量

进一步、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(2.1)包括以下子步骤：

2.1.1)对测量矩阵X中心化，使各变量均值为零，即

其中，I中元素全为1，

为X各行均值。

2.1.2)获得矩阵

的协方差矩阵

2.1.3)对协方差矩阵进行特征值分解，即R_X＝EDE^T，其中E为特征向量，D为特征值对角矩阵；

2.1.4)白化矩阵

其中Q＝D^1/2U^T；

进一步、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(2.2)包括以下子步骤：

2.2.1)确定待估计的独立成分个数为3，置计数变量p＝1；

2.2.2)生成单位范数的随机变量w_p；

2.2.3)

其中E{·}为求期望， g(x)＝tanhx，对w′_p进行正交化，得到

再对w′_p进行标准化，得到w″_p＝w″_p/||w′_p||；

2.2.4)若w″_p未收敛，则继续执行步骤(2.2.3)。若收敛，则置 p＝p+1；

2.2.5)若p≤3，则返回步骤(2.2.2)，若p＞4，则 W＝[w₁ w₂ w₃]^T。

进一步、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(3)包括以下子步骤：

3.1)计算解混矩阵W中每行向量w_i对应的二范数占比

根据占比排序，选择占比最低的行向量为残余分量对应行向量作为解混矩阵W_e，该行向量对应独立成分作为残余分量 S_e；

3.2)构建反映残余分量的统计量SPE＝Q^-1W_eS_e；

3.3)采用核密度估计方法，计算统计量SPE对应控制限。

进一步、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(3.3)包括以下子步骤：

3.3.1)记f(x)为统计量SPE的频次统计函数，其自变量x为统计量SPE的幅值，因变量f(x)为对应频次。采用核密度估计方法估计 SPE的概率密度函数

估计方法为

其中，n为样本容量，h为带宽，优选的，h＝1.0592n^-0.2，K为核函数，优选的，采用标准高斯函数。

3.3.2)记

为统计量SPE的概率分布函数，α为置信度，优选的，α＝0.99，则统计量SPE在置信水平α下的控制限为x_α＝F^-1(α)；

进一步、统计量控制限计算方法：

进一步、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(4)包括以下子步骤：

4.1)在线采集三相电压互感器的输出电压幅值，记t时刻的三相电压幅值为V(t)＝[V_a V_b V_c]^T，对其进行中心化，得到测量数据

已在步骤(2.1.1)定义；

4.2)计算其对应SPE统计量为

4.3)比较SPE(t)与x_α大小关系，若SPE(t)＞x_α，则发出告警信号，认为三相电压互感器已出现了超差故障，需要检修。若SPE(t)＜x_α，则认为三相电压互感器并未发生超差故障，可继续运行，优选的，在线采集数据之间的采样间隔为15min。

本发明的有益效果是：

本发明首先利用校准后刚投运的三相电压互感器采集数据建立了误差正常状态下的特征量模型，并估计其概率分布，将高置信度下的特征量数值作为控制限。其次，采集该组三相电压互感器在线运行过程中的输出电压幅值，并采用相同的步骤计算其特征量，最后，通过比较在线采集的特征量数值与控制限大小关系，判断三相电压互感器是否出现了超差故障，从而实现了脱离高精度标准器条件下的三相电压互感器运行误差的实时评估。

本发明采用了基于二范数的独立成分分析方法，由于该方法对输入变量的概率分布并无特殊要求，对电力***一次电压幅值的概率分布并不提出特殊要求，因此适用面广。

本发明提出的三相电压互感器运行误差评估方法同传统方法相比，减少了现场工作量，不需要停电并且实现了实时评估，在此方法的辅助下，检修人员能够有针对性的对超差互感器进行检修，减少了大量人力物力的投入。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体的实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的分析流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的二范数独立成分分析方法，流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)采集校准后刚投运的三相电压互感器测量信号，提取其基波幅值构成测量矩阵

其中，u_a是指A相电压互感器输出信号的基波幅值，u_b是指B相电压互感器输出信号的基波幅值，u_c是指C相电压互感器输出信号的基波幅值，n为采集样本数量；

(2)利用独立成分分析法(Independent Component Analysis，ICA)对上述测量矩阵进行分解，获取独立分量S₁，S₂和S₃，以及对应的解混矩阵W；

(3)利用二范数法筛选出残余分量S_e，同时得到计算残余分量的参数矩阵W_e，建立反映残余分量变化的统计量SPE，并计算其控制限；

(4)采集三相电压互感器输出电压幅值，依照(2)与(3)计算其对应统计量，并与控制限进行比较，若超出控制限，则判定三相电压互感器中有电压互感器超差，应组织检修；

本实施例中、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(2)中基于独立成分分析方法的测量矩阵分解过程如下：

2.1)对测量矩阵X白化，获得白化矩阵Z，Z中各列向量特征为：零均值、单位方差且互不相关；

2.2)估计解混矩阵W；

2.3)计算独立分量

本实施例中、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(2.1)包括以下子步骤：

2.1.1)对测量矩阵X中心化，使各变量均值为零，即

其中，I中元素全为1，

为X各行均值；

2.1.2)获得矩阵

的协方差矩阵

2.1.3)对协方差矩阵进行特征值分解，即R_X＝EDE^T，其中E为特征向量，D为特征值对角矩阵；

2.1.4)白化矩阵

其中Q＝D^1/2U^T。

本实施例中、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(2.2)包括以下子步骤：

2.2.1)确定待估计的独立成分个数为3，置计数变量p＝1；

2.2.2)生成单位范数的随机变量w_p；

2.2.3)

其中E{·}为求期望，

g(x)＝tanh x，对w′_p进行正交化，得到

再对w′_p进行标准化，得到w″_p＝w″_p/||w′_p||；

2.2.4)若w″_p未收敛，则继续执行步骤(2.2.3)。若收敛，则置 p＝p+1；

2.2.5)若p≤3，则返回步骤(2.2.2)，若p＞4，则 W＝[w₁ w₂ w₃]^T。

本实施例中、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(3)包括以下子步骤：

3.1)计算解混矩阵W中每行向量w_i对应的二范数占比

根据占比排序，选择占比最低的行向量为残余分量对应行向量作为解混矩阵W_e，该行向量对应独立成分作为残余分量 S_e；

3.2)构建反映残余分量的统计量SPE＝Q^-1W_eS_e；

3.3)采用核密度估计方法，计算统计量SPE对应控制限。

本实施例中、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(3.3)包括以下子步骤：

3.3.1)记f(x)为统计量SPE的频次统计函数，其自变量x为统计量SPE的幅值，因变量f(x)为对应频次。采用核密度估计方法估计 SPE的概率密度函数

估计方法为

其中，n为样本容量，h为带宽，优选的，h＝1.0592n^-0.2，K为核函数，优选的，采用标准高斯函数；

3.3.2)记

为统计量SPE的概率分布函数，α为置信度，优选的，α＝0.99，则统计量SPE在置信水平α下的控制限为x_α＝F^-1(α)；

本实施例中、上述电压互感器误差状态评估方法，其步骤(4)包括以下子步骤：

4.1)在线采集三相电压互感器的输出电压幅值，记t时刻的三相电压幅值为V(t)＝[V_a V_b V_c]^T，对其进行中心化，得到测量数据

已在步骤(2.1.1)定义；

4.2)计算其对应SPE统计量为

4.3)比较SPE(t)与x_α大小关系，若SPE(t)＞x_α，则发出告警信号，认为三相电压互感器已出现了超差故障，需要检修。若SPE(t)＜x_α，则认为三相电压互感器并未发生超差故障，可继续运行。优选的，在线采集数据之间的采样间隔为15min。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的二范数独立成分分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集校准后的三相电压互感器测量信号，提取其基波幅值构成测量矩阵

其中，u_a是指A相电压互感器输出信号的基波幅值，u_b是指B相电压互感器输出信号的基波幅值，u_c是指C相电压互感器输出信号的基波幅值，n为采集样本数量；u_a1...u_an表示采集样本为n时A相电压互感器输出信号的基波幅值,u_b1....u_bn表示采集样本为n时B相电压互感器输出信号的基波幅值,u_c1...u_cn表示采集样本为n时C相电压互感器输出信号的基波幅值；

(2)利用独立成分分析法对上述测量矩阵进行分解，获取独立分量S1，S2和S3，以及对应的解混矩阵W；

(3)利用二范数法筛选出残余分量Se，同时得到计算残余分量的参数矩阵We，建立反映残余分量Se变化的统计量SPE，并计算其控制限；

其中，所述利用二范数法筛选出残余分量Se，同时得到计算残余分量的参数矩阵We，包括：

计算解混矩阵W中每行向量wi对应的二范数占比

根据占比排序，选择占比最低的行向量为残余分量对应行向量作为解混矩阵We，该行向量对应独立成分作为残余分量Se；

(4)采集三相电压互感器输出电压幅值，依照(2)与(3)计算其对应统计量，并与步骤(3)中控制限进行比较，若超出控制限，则判定三相电压互感器中有电压互感器超差。

2.根据权利要求1所述的一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的二范数独立成分分析方法，其特征在于，其步骤(2)中基于独立成分分析方法的测量矩阵分解过程分为2.1、2.2和2.3，具体步骤如下：

2.1)对测量矩阵X白化，获得白化矩阵Z，Z中各列向量特征为：零均值、单位方差且互不相关；

2.1.1)对测量矩阵X中心化，使各变量均值为零，即

其中，I中元素全为1，

为X各行均值；

2.1.2)获得矩阵

的协方差矩阵

2.1.3)对协方差矩阵进行特征值分解，即R_X＝EDE^T，其中E为特征向量，D为特征值对角矩阵；

2.1.4)白化矩阵

其中Q＝D^1/2U^T；

2.2)估计解混矩阵W；

2.2.1)确定待估计的独立成分个数为3，置计数变量p＝1；

2.2.2)生成单位范数的随机变量w_p；

2.2.3)

其中E{·}为求期望，g(x)＝tanh x，对w′p进行正交化，得到

再对w″p进行标准化，得到w″p＝w″p/||w″p||；

2.2.4)若w″p未收敛，则继续执行步骤2.2.3)；若收敛，则置p＝p+1；

2.2.5)若p≤3，则返回步骤2.2.2)，若p＞4，则W＝[w1 w2 w3]^T；

2.3)计算独立分量

3.根据权利要求2所述的一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的二范数独立成分分析方法，其特征在于：步骤(3)的具体步骤如下：

3.1)构建反映残余分量的统计量SPE＝Q^-1W_eS_e；

3.2)采用核密度估计方法，计算统计量SPE对应控制限；

3.2.1)记f(x)为统计量SPE的频次统计函数，其自变量x为统计量SPE的幅值，因变量f(x)为对应频次，采用核密度估计方法估计SPE的概率密度函数

估计方法为

其中，n’为样本容量，h为带宽，h＝1.0592n^-0.2，K为核函数，采用标准高斯函数；

3.2.2)记

为统计量SPE的概率分布函数，α为置信度，α＝0.99，则统计量SPE在置信水平α下的控制限为x_α＝F^-1(α)；

统计量控制限计算方法。

4.根据权利要求3所述的一种实现变电站内三相电压互感器运行误差评估的二范数独立成分分析方法，其特征在于，步骤(4)的具体步骤如下：

4.1)在线采集三相电压互感器的输出电压幅值，记t时刻的三相电压幅值为V(t)＝[VaVbVc]^T，对其进行中心化，得到测量数据

已在步骤 2. 1.1)定义；

4.2)计算其对应SPE统计量为

4.3)比较SPE(t)与x_α大小关系，若SPE(t)＞x_α，则发出告警信号，认为三相电压互感器已出现了超差故障，需要检修；若SPE(t)＜x_α，则认为三相电压互感器并未发生超差故障，可继续运行。

Images