CN110618314B - 一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗短路故障干扰的配电网谐波责任划分方法，首先分析配电网中发生短路故障对公共连接点基波监测数据的干扰特征并基于该特征提出各次谐波受故障干扰数据辨识与剔除流程。通过建立配电网分散式多谐波源各次谐波责任划分模型，可计算获得谐波源与关注节点间各次等效谐波传递阻抗和关注节点处各次背景谐波电压，进而利用谐波电压分量投影计算得到各谐波源在关注节点处各次谐波责任。能够根据各公共连接点及关注节点测量得到的三相电压、电流数据有效划分各谐波源在关注节点处的各次谐波责任。

Description

一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法

技术领域

本发明属于谐波责任划分领域，涉及一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法。

背景技术

在电力***中，三相电压、电流波形在理想情况下为标准正弦波，频率为50Hz。随着科技和经济的快速发展，越来越多的新型负荷和电源接入配电***，新型负荷和电源大多包含电力电子变换器件，由于电力电子变换器件会产生波形畸变发射谐波，因此当今配电***中谐波污染较以往更为严重。谐波会加剧温升，加速电气元件老化，缩短电气设备使用寿命甚至干扰保护装置正确动作对电网运行安全性和经济性造成巨大影响，谐波责任划分是有效治理谐波的前提和重要保障，可以提供有效奖惩依据，减少纠纷。

目前关于谐波责任划分的研究已有许多有益探索，“非干预式”方法由于其对电网无干扰，便于工程应用，已成为主流方法。“非干预式”方法主要有波动量类方法，线性回归类方法，盲源分离类方法和统计概率学类方法。波动量类方法的原理是利用公共耦合点(Point of common coupling，PCC)电流电压的自然波动估算出***侧谐波阻抗，进而计算负荷侧和***侧各自在PCC处引起的谐波电压分量并通过投影计算谐波责任。线性回归类方法的原理是通过将关注节点谐波电压拆分为多个分量建立多元线性回归模型，利用线性回归方法计算回归系数并等效为谐波阻抗和背景谐波电压，最后利用谐波电压投影计算谐波责任。盲源分离类方法的原理将谐波责任划分等效为盲源分离问题，从关注节点谐波电压中提取与各谐波源谐波电流对应的分量，进而计算得到解混矩阵，最后利用解混矩阵计算各谐波源谐波责任。统计概率学类方法原理是利用统计学与概率学中数学关系，提取***侧谐波阻抗，计算谐波责任。

但是谐波责任划分研究的是稳态情况下的谐波责任归属问题，短路故障会干扰谐波源的谐波发射水平影响谐波责任划分准确性，因此谐波责任划分中要排除电网短路故障的干扰，而以往研究中未有涉及，因此亟需提出一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法，可利用各公共连接点及关注节点测量得到的三相电压、电流数据划分配电***各谐波源在关注节点处各次谐波责任，可以排除电网短路故障的干扰。

本发明的技术方案如下：

一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法，包括以下步骤：

步骤1：获取各种类型短路故障对配电网各公共连接点基波监测数据的干扰特征；

步骤2：基于所述干扰特征获得各公共连接点及关注节点各次谐波受所述干扰特征数据辨识与剔除流程；

步骤3：建立配电网分散式多谐波源各次谐波责任划分模型；

步骤4：获得各谐波源与关注节点间各次等效谐波传递阻抗和关注节点处各次背景谐波电压；

步骤5：利用谐波电压矢量投影划分各谐波源在关注节点处各次谐波责任。

进一步，步骤1所述的各种类型短路故障包括：单相接地故障、两相短路故障、两相接地故障和三相接地故障；所述的两相短路故障、两相接地故障和三相接地故障对公共连接点基波监测数据的干扰特征根据干扰时限获取，所述单相接地故障对公共连接点基波监测数据的干扰特征根据发生单相接地故障时三相电压幅值变化关系获取。

步骤1所述的基波监测数据的干扰特征为基波电压的突变。

进一步，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：计算基波电压数据段内各数据点小波系数以及阈值，从第一个数据点开始检测各数据点的小波系数是否超过阈值，若有数据点小波系数超过阈值时，认为发生突变，进入步骤2.2；

步骤2.2：从突变开始时记录数据点标号，继续检测小波系数，当小波系数小于阈值时认为突变过程结束，比对突变前后数据，若变化量达±10％则认为谐波源状态发生了突变，进入步骤2.3；否则认为属于异常数据点的干扰，至突变结束停止记录数据点标号，剔除记录标号的数据即可；

步骤2.3：继续检测小波系数，若1秒内再一次检测到突变，至突变结束停止记录数据点标号，认为发生了两相短路、两相接地和三相短路可被快速切除的故障，将对应标号谐波数据剔除；若1秒以上再一次检测到突变或直到最后一个数据点也未再次检测到突变，停止记录数据点标号，认为发生了单相接地故障或运行状态的变化，此时进入步骤2.4；

步骤2.4：对比第一次突变前后三相数据，若一相减小两相增大，则认为发生了单相接地故障，剔除记录标号的谐波数据；否则认为发生负荷状态的正常切换，保留数据，至此故障数据剔除完成。

所述小波系数的计算过程包括：确定尺度函数，根据所述尺度函数计算所述小波系数，将所述小波系数进行标准化，计算所述小波系数标准差。

所述阈值的计算采用全局阈值计算。

进一步，所述步骤3包括以下步骤：各所述谐波源通过不同节点连接至配电网，各节点的各次谐波电压是由各所述谐波源共同作用产生的，在各谐波源负荷节点及所述关注节点均装有监测装置，测得基波以及各次谐波电流、电压，***中未知的谐波成分用背景谐波表示，建立多目标节点的多pcc模型。

进一步，所述步骤4包括以下步骤：利用多因变量形式复数域偏最小二乘法计算回归模型系数即各谐波源与关注节点间各次等效谐波传递阻抗和关注节点处各次背景谐波电压。

进一步，所述步骤5包括以下步骤：根据各所述谐波源负荷在各节点引起的h次谐波电压幅值、相角和各所述关注节点的h次背景谐波电压幅值、相角，计算各所述谐波源负荷和关注节点处背景谐波在各所述关注节点处的h次谐波责任占比指标。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

(1)能够根据***中的各公共耦合点及关注节点测量得到的三相电压、电流数据辨识故障发生时段，并基于突变检测算法剔除各公共耦合点及关注节点对应时段谐波数据；

(2)仅基于各公共耦合点及关注节点测量的三相电压、电流数据即可抗故障干扰划分配电***谐波责任，方法简单实用。

(3)根据谐波贡献的大小，为主要谐波源的识别提供了一个量化的标准，能够快速、准确的识别出主要谐波源的位置。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明提供的受故障干扰各次谐波数据辨识与剔除流程图。

图2为本发明提供的分散式多谐波源模型图。

图3为本发明提供的谐波责任划分原理图。

图4为本发明提供的研究***的拓扑图。

图5为故障数据筛选效果图。

图6为本发明提供的发生多种短路故障时本发明计算的和稳健回归法计算的各谐波源谐波责任对比图。

图7为本发明提供的一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在谐波责任划分方法中无法辨识受短路故障干扰的稳态谐波数据，导致谐波责任划分准确性受影响的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法。

如图7所示，主要包括下述步骤：分析配电网中发生短路故障对公共连接点基波监测数据的干扰特征；基于故障干扰特征提出各次谐波受故障干扰数据辨识与剔除流程；通过建立配电网分散式多谐波源各次谐波责任划分模型；可计算获得谐波源与关注节点间各次等效谐波传递阻抗和关注节点处各次背景谐波电压；进而利用谐波电压分量投影计算得到各谐波源在关注节点处各次谐波责任。

1、分析配电网各公共连接点基波监测数据受各种类型短路故障干扰特征。

假设电网中继电保护装置可靠动作，除单相接地故障外其他三种故障在1秒内能被可靠切除，该时间尺度小于其他稳态扰动如***运行方式改变，负荷投入退出等。因此可以根据干扰时限选出两相短路故障、两相接地故障和三相短路故障。配电网通常采用中性点非直接接地***，在发生单相接地故障后仍可继续运行一段时间，因此单从时间尺度上不易与稳态扰动引起的基波电压突变区分。配电网为中性点非直接接地***，发生单相接地故障时：三相电压幅值变化关系为故障相电压幅值降低，非故障相电压幅值升高。

2、基于故障干扰特征获得各公共连接点及关注节点各次谐波受特征干扰数据辨识与剔除流程。

突变检测是保障数据准确剔除的前提。小波变换可以进行突变检测，由于墨西哥帽(Mexican Hat)小波检测突变性能优良，采用墨西哥帽(Mexican Hat)小波基。

使用小波函数检测异常数据首先应确定尺度参数：

式中d表示样本平均间距，l表示小波函数计算区间长度，k为待确定系数，表示小波计算区间所包含样本个数。根据尺度参数计算小波系数，小波系数计算公式：

由(1)和(2)计算得到小波系数后进行标准化：

wt'_j＝(wt_j-M)/S (3)

式中M为基准值(此处为0)，S为小波系数标准差，计算公式为：

式中n为信号样本长度。是否发生突变应根据小波系数与阈值的相对大小关系来判定，若样本某点小波系数大于阈值则该点信号样本发生突变。阈值的选择在异常数据检测中非常关键，目前阈值计算有两种方式，分别是全局阈值和局部阈值，全局阈值计算简单实用性强。为兼顾方法的易用性和精度，本文采用Donoho和Johnstone提出的全局阈值，阈值的计算公式为：

如图1所示，其包含的主要步骤为：

1)根据公式(1)-(5)计算基波电压数据段内各数据点小波系数以及阈值，从第一个数据点开始检测各数据点的小波系数是否超过阈值，若有数据点小波系数超过阈值时，认为发生突变，进入2)；

2)从突变开始时记录数据点标号，继续检测小波系数，当小波系数小于阈值时认为突变过程结束。比对突变前后数据，若变化量达±10％则认为谐波源状态发生了突变，进入3)；否则认为属于个别异常数据点的干扰，至突变结束停止记录数据点标号，剔除记录标号的数据即可。

3)继续检测小波系数，若1秒内再一次检测到突变，至突变结束停止记录数据点标号，认为发生了两相短路、两相接地和三相短路等可被快速切除的故障，将对应标号谐波数据剔除；若1秒以上再一次检测到突变或直到最后一个数据点也未再次检测到突变，停止记录数据点标号，认为发生了单相接地故障或运行状态的变化，此时进入4)。

4)对比第一次突变前后三相数据，若一相减小两相增大，则认为发生了单相接地故障，剔除记录标号的谐波数据；否则认为发生负荷状态的正常切换，保留数据，至此故障数据剔除完成。

3、建立配电网分散式多谐波源各次谐波责任划分模型。

如图2所示，***中存在5个已知的分散式谐波源，各谐波源通过不同节点连接至配电网。各节点的各次谐波电压

(i表示节点，h表示谐波次数)是由各谐波源共同作用产生的。在各谐波源负荷节点及关注节点均装有监测装置，可测得基波以及各次谐波电流、电压，***中未知的谐波成分用背景谐波

表示。

可建立多目标节点的多PCC模型，如式(6)。

式中，

表示关注节点k在t_r时刻的h次谐波电压，

表示谐波源m在t_r时刻的h次谐波电流。

表示谐波源负荷i与关注节点j间等效谐波阻抗，

表示关注节点j处背景谐波。

4、获得各谐波源与关注节点间各次等效谐波传递阻抗和关注节点处各次背景谐波电压。

利用多因变量形式复数域偏最小二乘法计算回归模型系数即各谐波源与关注节点间各次等效谐波传递阻抗和关注节点处各次背景谐波电压，令Ε₀＝X，F₀＝Y。

1)根据原始数据Ε₀和F₀，计算

的最大特征值λ₁所相应的特征向量w₁

2)计算成分t₁

t₁＝E₀w₁ (8)

3)建立回归模型，并估计主成分系数向量p₁和回顾系数向量b₁

4)计算数据残差矩阵E₁和F₁

5)计算其他成分

根据缩减后的数据残差矩阵E_i和F_i，计算

的最大特征值λ_i+1所相应的特征向量w_i+1，i＝1,…，s-1，s为Ε₀的秩。

6)计算第i+1个成分t_i+1及系数向量p_i+1和b_i+1

7)计算数据残差矩阵E_i+1和F_i+1

如此循环进行，直至计算出全部w，t和b。采用交叉检验法确定最终主成分的个数。若最终主成分个数为s，则有

式中

即为复数域偏最小二乘回归方程的系数，对应式(6)中

和

5、基于电压矢量投影划分各谐波源各次谐波责任。

如图3所示，给出了多谐波源在多关注节点处谐波责任划分原理，

和

表示负荷节点1和2的总谐波电压，

和

分别表示谐波源负荷i在节点1处和节点2处引起的h次谐波电压分量(i＝1,2,3,4,5)，

和

表示关注节点1和节点2的h次背景谐波电压，

和

分别表示相量

和

的相角。定义指标

为谐波源负荷i(i＝1,2,…)在关注节点j(j＝1,2,…)处的h次谐波责任占比指标，

为关注节点j处h次背景谐波责任占比。

式中

为

的相角，

为

的相角。

如图4所示，其中，812节点接入0.6MVA双馈风机，844节点接入0.04MVA线性负荷，848节点接入3.5MVA柔性直流输电***，858节点接入0.3MVA光伏发电***，834节点为关注节点。

图4***的基本参数为：标准IEEE-34节点***参数。

在812节点设置A相接地故障，持续时间为3.5秒-5.5秒，BC相接地故障，持续时间为7.3-7.5秒，ABC相短路故障，持续时间为8.5秒-8.7秒。

按照上述研究***设置运行仿真，将关注节点(834节点)和各公共耦合点(812节点、848节点、858节点、844节点)三相电压、电流基波和各次谐波数据送入图1所示的故障数据辨识和剔除流程，筛选结果如图5，可见本发明准确辨识出了设置的全部3种故障时段。然后将经过故障数据剔除的各次谐波数据利用本发明的步骤(3)(4)(5)建立谐波责任划分模型，计算各谐波源与关注节点间各次等效谐波传递阻抗和关注节点各次背景谐波电压进而划分各个谐波源在关注节点834处的谐波责任；另外直接利用稳健回归法基于关注节点和各公共耦合点三相电压、电流各次谐波数据计算各谐波源谐波责任，两者效果对比如图6所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例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，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取各种类型短路故障对配电网各公共连接点基波监测数据的干扰特征，所述的基波监测数据的干扰特征为基波电压的突变；

步骤2：基于所述干扰特征获得各公共连接点及关注节点各次谐波受所述干扰特征数据辨识与剔除流程；

步骤3：建立配电网分散式多谐波源各次谐波责任划分模型，所述步骤3包括以下步骤：各所述谐波源通过不同节点连接至配电网，各节点的各次谐波电压是由各所述谐波源共同作用产生的，在各谐波源负荷节点及所述关注节点均装有监测装置，测得基波以及各次谐波电流、电压，***中未知的谐波成分用背景谐波表示，建立多目标节点的多PCC模型；

步骤4：获得各谐波源与关注节点间各次等效谐波传递阻抗和关注节点处各次背景谐波电压；

步骤5：利用谐波电压矢量投影划分各谐波源在关注节点处各次谐波责任，所述步骤5包括以下步骤：根据各所述谐波源负荷在各节点引起的h次谐波电压幅值、相角和各所述关注节点的h次背景谐波电压幅值、相角，计算各所述谐波源负荷和关注节点处背景谐波在各所述关注节点处的h次谐波责任占比指标。

2.如权利要求1所述的一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法，其特征在于，步骤1所述的各种类型短路故障包括：单相接地故障、两相短路故障、两相接地故障和三相接地故障；所述的两相短路故障、两相接地故障和三相接地故障对公共连接点基波监测数据的干扰特征根据干扰时限获取，所述单相接地故障对公共连接点基波监测数据的干扰特征根据发生单相接地故障时三相电压幅值变化关系获取。

3.如权利要求1所述的一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2.1：计算基波电压数据段内各数据点小波系数以及阈值，从第一个数据点开始检测各数据点的小波系数是否超过阈值，若有数据点小波系数超过阈值时，认为发生突变，进入步骤2.2；

步骤2.2：从突变开始时记录数据点标号，继续检测小波系数，当小波系数小于阈值时认为突变过程结束，比对突变前后数据，若变化量达±10％则认为谐波源状态发生了突变，进入步骤2.3；否则认为属于异常数据点的干扰，至突变结束停止记录数据点标号，剔除记录标号的数据即可；

步骤2.3：继续检测小波系数，若1秒内再一次检测到突变，至突变结束停止记录数据点标号，认为发生了两相短路、两相接地和三相短路可被快速切除的故障，将对应标号谐波数据剔除；若1秒以上再一次检测到突变或直到最后一个数据点也未再次检测到突变，停止记录数据点标号，认为发生了单相接地故障或运行状态的变化，此时进入步骤2.4；

步骤2.4：对比第一次突变前后三相数据，若一相减小两相增大，则认为发生了单相接地故障，剔除记录标号的谐波数据；否则认为发生负荷状态的正常切换，保留数据，至此故障数据剔除完成。

4.如权利要求3所述的一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法，其特征在于，所述小波系数的计算过程包括：确定尺度函数，根据所述尺度函数计算所述小波系数，将所述小波系数进行标准化，计算所述小波系数标准差。

5.如权利要求3所述的一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法，其特征在于，所述阈值的计算采用全局阈值计算。

6.如权利要求1所述的一种配电***抗短路故障干扰的谐波责任划分方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：利用多因变量形式复数域偏最小二乘法计算回归模型系数即各谐波源与关注节点间各次等效谐波传递阻抗和关注节点处各次背景谐波电压。

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