CN110648088A - 一种基于鸟群算法与svm的电能质量扰动源判断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法,先采集***中各负荷电流数据、公共节点电压数据,依据皮尔逊相关系数模型计算各负荷电流和公共节点电压波形的相关系数,建立非线性负荷与线性负荷辨别评价指标;依据功率增量模型,计算同一时段各负荷支路的功率增量序列及功率增量平均值,通过比较功率增量平均值建立动态负荷及静态负荷辨别评价指标;依据谐波责任指标模型,建立不同谐波责任下电能质量责任评价指标;建立分析支持向量机函数模型,并代入鸟群算法,输出最佳位置,求解最优函数,识别出配电网中电能质量扰动源。本发明能够为划分和评估各谐波源或闪变源责任提供重要前提条件,为用户侧电能质量治理工作提供技术保障。
Description
技术领域
本发明涉及电能质量监测领域,具体涉及一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法。
背景技术
电能作为一种清洁能源,广泛应用在各个领域。在我国进行电力体制市场化改革后,电能质量日益成为相关部门保证配电网安全、经济运行的重要关注方面。
随着电力电子技术的发展,用电负荷的日益复杂多样化。大量的非线性负荷存在于配电网中,使得配电网中出现高次谐波,造成谐波污染,对配电网的电能质量、安全运行造成影响。
许中等人发表的《不同电能质量等级下的谐波责任划分方法》文献中从不同电能质量等级进行考虑,提出了不同电能质量等级的谐波责任划分的方法。该方法首先计算公共节点的电压总谐波畸变率、对公共节点进行电能质量划分;其次,计算每段谐波责任。最后,通过加权求和获得最终的谐波责任。张建明发表的《电力***谐波源识别及谐波责任划分的研究》文献中,提出了利用改进型偏最小二乘法对谐波阻抗进行估计,用估计值代替实际测量值,在结合阻抗法通过判断谐波电流从那一侧流出的较多来判断主要谐波源,进而达到识别谐波源的目的。强健发表的硕士论文《复杂电网谐波时频分析与谐波溯源技术研究》中采用傅里叶变换实现电压和电流的同步检测,实现谐波功率的快速检测计算。并建立了复杂配电网络下的谐波分析模型分析不同背景谐波和用户负荷性质下的谐波功率和谐波污染源关系。得到非线性负荷和线性负荷的谐波功率特征,提出基于谐波功率方向和谐波能量累积效应的谐波污染源辨识方法,并依据谐波能量在时频域内对谐波源的谐波污染责任进行量化评估。最后设计开发出一套具有网络通信功能的谐波监测***。王凯等人发表的《用于电网谐波溯源的谐波功率快速检测方法》文献从电力用户和电网公司公共节点上的电压电流取样入手,分析了谐波功率的定义及其检测计算方法,提出了一种基于瞬时功率理论的谐波功率快速检测计算方法,对三相电压电流在谐波功率下进行d-q变换从而获得各次谐波的有功功率和无功功率的幅值及流向,根据谐波功率流向达到谐波溯源的目的。
基于上述背景,为了更加精确的找出配电网中的电能质量扰动源,亟需研究一种配电网电能质量扰动源识别方法,不仅能更精确地判断配电网中的电能质量扰动源,而且能确定电能质量扰动源类型,可以为划分和评估各谐波源或闪变源电能责任提供重要前提条件,为用户侧电能质量治理工作提供技术保障。
发明内容
为解决多类型非线性负载间的交互作用对配电网电能质量影响恶劣的情况,本发明提供了一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法,包括以下步骤:
一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法,包括以下步骤:
S1、采集初始数据,包括各负荷电流、公共节点电压数据;
S2、依据皮尔逊相关系数,建立线性、非线性负荷辨别评价指标;根据建立的线性、非线性负荷辨别评价指标,计算各负荷电流和公共节点电压波形的相关系数,确定各负荷电流与公共节点电压的相似程度,确定扰动源类别;
依据功率增量模型,建立动态负荷及静态负荷辨别评价指标;根据建立的动态负荷及静态负荷辨别评价指标,计算公共节点电压和各负荷电流的增量序列及功率增量平均值,确定扰动源类别;
利用快速傅里叶变换对采集到的负荷电流和公共节点电压信号进行分解、重构,提取公共节点电压、负荷电流信号的各次谐波频率分量;依据谐波阻抗、背景谐波电压模型,建立电能质量责任评价指标,确定电能质量责任;
S3、建立分析支持向量机函数模型,设定期望值,设定参数值;
S4、初始化鸟群算法参数,将步骤S3中的函数通过鸟群算法,输出最佳空间位置;
S5、根据步骤S2中的皮尔逊相关系数、功率增量平均值、电能质量责任评价指标以及步骤S4输出的最佳空间位置求解最优函数,根据最优函数值确定不同谐波频率下配电网中是否存在电能质量扰动源。
进一步地,所述步骤S1中,分别采集不同负荷电流数据、公共节点电压数据,得到不同负荷支路电流波形图及公共节点电压波形图。
进一步地,所述步骤S2中,皮尔逊相关系数模型表示为:
式中,
n为变量的样本值;
皮尔逊相关系数的绝对值大小和线性相关程度之间的关系为:
0.95<∣r XY ∣≤1,线性相关为极强相关;
0.8<∣r XY ∣≤0.95,线性相关为强相关;
0.6<∣r XY ∣≤0.8,线性相关为中等程度相关;
0.2<∣r XY ∣≤0.6,线性相关为弱相关;
0.0<∣r XY ∣≤0.2,线性相关为极弱相关或无相关。
进一步地,所述步骤S2中建立的动态负荷及静态负荷辨别评价指标表示为:
式中,
为某一负荷的功率增量序列平均值;
A n为该负荷支路的功率增量序列;
ΔU n 、ΔI n 分别为电压、电流增量,并且具体表示为、,
其中U n+1 、U n 分别为n+1周期、n周期时的公共节点电压有效值,I n+1 、I n 分别为n+1周期、n周期
时的负荷电流有效值;
进一步地,所述步骤S2中,利用快速傅里叶变换提取公共节点电压、各负荷电流信号的各次谐波频率分量,得到不同谐波频率下的电流、电压具体值;电能质量责任评价指标表示为:
式中,
μ pcc,i 为电能质量责任比重;
U pcc,i 为扰动源在公共节点产生的谐波电压;
U pcc 为公共节点电压;
Z pcc,i 为扰动源对公共节点产生的等效谐波阻抗;
I i 为负荷电流;
α i 为扰动源与公共节点电压相角差。
进一步地,所述步骤S3中,设定惩罚因子C和核函数参数g的搜寻范围;给定n组监测点采集数据构成训练集;
参数优化目标适应度函数为:
式中,
C为惩罚因子,C min 、C max 分别为惩罚因子的最小值、最大值;
g为核函数参数,g min 、g max 分别为核函数参数的最小值、最大值;
ε为不敏感损失系数,ε min 、ε max 分别为不敏感损失系数的最小值、最大值;
y i 为第i个样本的实际值;
进一步地,所述步骤S4具体包括以下步骤:
①初始化鸟群算法中各参数,初始化种群规模N、搜索空间维数d,最大迭代次数T、飞行
间隔FQ、觅食概率P以及其余常量;令t=0,随机初始化鸟群个体空间位置;
②根据步骤S3参数优化目标适应度函数计算个体适应度函数值,找到并保留当前鸟个体最好空间位置;判断算法终止条件是否满足,若满足则输出最佳空间位置,否则执行步骤③;
③基于觅食行为规则的随机策略在(0,1)内产生随机数,如果该随机数小于觅食概率,则进行觅食行为,并更新位置;否则保持警戒行为,并更新位置;
④将群体分为两个部分,即生产者和索取者;如果第i只鸟为生产者,则更新位置;否则作为索取者,更新位置;
⑤根据步骤S3参数优化目标适应度函数计算鸟个体适应度函数值,如果当前位置位于前次保留位置,则保留当前鸟个***置为最佳位置;
⑥判断算法迭代终止条件是否满足,若满足则输出最佳空间位置即(C、g、ε)值,并将其作为最佳学习参数对样本进行评价和检验;否则令t=t+1,并重复执行步骤③-⑥。
进一步地,所述步骤S5还包括将步骤S2中皮尔逊相关系数、功率增量平均值、电能质量责任评价指标特征值进行归一化处理:
式中,
x为各评价指标原始数据;
x max 为各评价指标的上限值;
x min 为各评价指标的下限值。
进一步地,所述步骤S5中的最优函数为:
式中,x 1,x 2,x 3分别为皮尔逊相关系数、功率增量平均值、电能质量责任评价指标归一
化的数据;α 1、α2、α3为对应判据的权重系数;b为偏差量;α为多重判据权重向量,α、b为经过
SVM智能训练后得到的结果,根据步骤S4输出的最佳空间位置(C、g、ε)值即可得出α、b;为
多重判据向量。
进一步地,所述步骤S5中,当最优解y大于零时,则表明其所在负荷存在扰动源;当最优解y小于零时,则表明其所在负荷不存在扰动源。
本发明的有益效果:
在配电网中多种非线性负荷接入情况下,由于多类型非线性负载间的交互作用对配电网电能质量恶化影响十分严重,本发明提供的配电网电能质量扰动源判断方法通过多个指标评判馈线电能质量,定位电能质量扰动源并确定扰动源类别。本发明提供的方法能够有效区分线性负荷、谐波源、闪变源等不同负荷类型实现电能质量扰动源精确定位,为划分和评估各谐波源或闪变源责任提供重要前提条件,为用户侧电能质量治理工作提供技术保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对实施方式中需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式,对应本领域的普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法的流程示意图;
图2为本发明实施例提供的一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法的***拓扑结构示意图。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
鸟群算法(Bird Swarm Algorithm,BSA)是由Xian-Bing Meng等于2015年提出的一种基于鸟群行为的群体智能优化算法。
SVM:支持向量机。
如图1所示,本发明提供了一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法,所述方法具体用于含分布式光伏发电***的低压台区多电能质量扰动源判断,包括以下步骤:
S1、采集初始数据,包括各负荷电流、公共节点电压数据,得到不同负荷支路电流波形图及公共节点电压波形图。如图2所示,通过扰动源分析器采集和计算配电网低压台区PCC点的电压数据、各负荷点电流数据,并得到不同负荷支路电流波形图及公共节点电压波形图。
S2、依据皮尔逊相关系数,建立线性、非线性负荷辨别评价指标;根据建立的线性、非线性负荷辨别评价指标,计算各负荷电流和公共节点电压波形的相关系数,确定各负荷电流与公共节点电压的相似程度。
所述皮尔逊相关系数模型表示为:
式中,
r XY 为负为荷电流与公共节点电压的相关系数;
n为变量的样本值。
皮尔逊相关系数的大小和线性相似程度之间的关系表如表1 所示:
表1 相关系数∣r XY ∣数值大小与相关性的关系
S3、依据功率增量模型,建立动态负荷及静态负荷辨别评价指标;根据建立的动态负荷及静态负荷辨别评价指标,计算公共节点电压和各负荷电流的增量序列及功率增量平均值。
动态负荷及静态负荷辨别评价指标表示为:
式中,
A n为该负荷支路的功率增量序列;
功率增量平均值的大小符号与负荷性质的关系如表2所示:
S4、利用快速傅里叶变换对采集到的电流和电压信号进行分解、重构,提取电压、电流信号的各次谐波频率分量;依据谐波阻抗、背景谐波电压等模型,建立电能质量责任评价指标。
电能质量责任评价指标可以表示为:
式中,
μ pcc,i 为电能质量责任比重;
U pcc,i 为扰动源在公共节点产生的谐波电压;
U pcc 为公共节点电压;
Z pcc,i 为扰动源对公共节点产生的等效谐波阻抗;
I i 为负荷电流;
α i 为扰动源与公共节点电压相角差。
根据上述公式计算的μ pcc,i 值越大,则表明电能质量责任越高。
S5、将线性相关系数、动态负荷及静态负荷辨别评价指标、电能质量责任评价指标特征值进行归一化,归一化的方法为:
式中,
为经过归一化后的数据;
x为各评价指标原始数据;
x max 为各评价指标的上限值;
x min 为各评价指标的下限值。
S6、建立分析支持向量机函数模型,设定期望值,设定参数值,电能质量扰动源的判断方法,可理解为多维定位特征空间的分类,此步骤通过构造SVM模型训练及检验样本,设定惩罚因子C和核函数参数g的搜寻范围,给定n组监测点采集数据构成训练集。
SVM算法参数优化目标(适应度)函数为:
式中,
C为惩罚因子,C min 、C max 分别为惩罚因子的最小值、最大值;
g为核函数参数,g min 、g max 分别为核函数参数的最小值、最大值;
ε为不敏感损失系数,ε min 、ε max 分别为不敏感损失系数的最小值、最大值;
y i 为第i个样本的实际值;
S7、通过鸟群算法,输出最佳空间位置即(C、g、ε)值,具体包括以下步骤:
②根据步骤S6参数优化目标(适应度)函数计算个体适应度函数值,找到并保留当前鸟个体最好空间位置。判断算法终止条件是否满足,若满足则输出最佳空间位置(C、g、ε)值,否则执行步骤③。
③基于觅食行为规则的随机策略在(0,1)内产生随机数,如果该随机数小于觅食概率,则进行觅食行为,并更新位置;否则保持警戒行为,并更新位置。
④将群体分为2部分,生产者和索取者。如果第i只鸟为生产者,则更新位置;否则作为索取者,更新位置。
⑤根据步骤S6参数优化目标(适应度)函数计算鸟个体适应度函数值,如果当前位置位于前次保留位置,则保留当前鸟个***置为最佳位置。
⑥判断算法迭代终止条件是否满足,若满足则输出最佳空间位置即(C、g、ε)值并将其作为最佳学习参数对样本进行评价和检验。否则令t=t+1,并重复执行③-⑥。
S8、求解最优函数,根据该最优函数求解最优解y,即可根据皮尔逊相关系数、功率增量平均值、电能质量责任评价指标综合判断是否存在电能质量扰动源;
式中,
x 1,x 2,x 3分别为皮尔逊相关系数、功率增量平均值、电能质量责任评价经归一化后的数据;
α 1、α2、α3为对应判据的权重系数;
α、b为经过SVM智能训练后得到的结果;α为多重判据权重向量;b为偏差量;根据步骤S7输出的最佳空间位置(C、g、ε)值即可得出α、b;
最优解y与所在负荷是否存在扰动源的关系如表3所示:
表3 最优解y的符号与扰动源的关系
因此,通过步骤S2、S3即可判断扰动源类型,即线性或非线性相关、静态负荷或闪变负荷;通过步骤S4即可判断电能质量责任;最后,根据线性相关系数、动态负荷及静态负荷辨别评价指标、电能质量责任评价这3个指标,经SVM、鸟群算法以及最优函数,即可综合判断是否存在电能质量扰动源。
以上实施例仅表达了本发明的具体实施方式,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,还可以做出若干变形和改进,这些都是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。
Claims (10)
1.一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、采集初始数据,包括各负荷电流、公共节点电压数据;
S2、依据皮尔逊相关系数,建立线性、非线性负荷辨别评价指标;根据建立的线性、非线性负荷辨别评价指标,计算各负荷电流和公共节点电压波形的相关系数,确定各负荷电流与公共节点电压的相似程度,确定扰动源类别;
依据功率增量模型,建立动态负荷及静态负荷辨别评价指标;根据建立的动态负荷及静态负荷辨别评价指标,计算公共节点电压和各负荷电流的增量序列及功率增量平均值,确定扰动源类别;
利用快速傅里叶变换对采集到的负荷电流和公共节点电压信号进行分解、重构,提取公共节点电压、负荷电流信号的各次谐波频率分量;依据谐波阻抗、背景谐波电压模型,建立电能质量责任评价指标,确定电能质量责任;
S3、建立分析支持向量机函数模型,设定期望值,设定参数值;
S4、初始化鸟群算法参数,将步骤S3中的函数通过鸟群算法,输出最佳空间位置;
S5、根据步骤S2中的皮尔逊相关系数、功率增量平均值、电能质量责任评价指标以及步骤S4输出的最佳空间位置求解最优函数,根据最优函数值确定不同谐波频率下配电网中是否存在电能质量扰动源。
2.根据权利要求1所述的一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法,其特征在于,所述步骤S1中,分别采集不同负荷电流数据、公共节点电压数据,得到不同负荷支路电流波形图及公共节点电压波形图。
3.根据权利要求1所述的一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法,其特征在于,所述步骤S2中,皮尔逊相关系数模型表示为:
式中,
n为变量的样本值;
皮尔逊相关系数的绝对值大小和线性相关程度之间的关系为:
0.95<∣r XY ∣≤1,线性相关为极强相关;
0.8<∣r XY ∣≤0.95,线性相关为强相关;
0.6<∣r XY ∣≤0.8,线性相关为中等程度相关;
0.2<∣r XY ∣≤0.6,线性相关为弱相关;
0.0<∣r XY ∣≤0.2,线性相关为极弱相关或无相关。
7.根据权利要求1所述的一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法,其特征在于,所述步骤S4具体包括以下步骤:
②根据步骤S3参数优化目标适应度函数计算个体适应度函数值,找到并保留当前鸟个体最好空间位置;判断算法终止条件是否满足,若满足则输出最佳空间位置,否则执行步骤③;
③基于觅食行为规则的随机策略在(0,1)内产生随机数,如果该随机数小于觅食概率,则进行觅食行为,并更新位置;否则保持警戒行为,并更新位置;
④将群体分为两个部分,即生产者和索取者;如果第i只鸟为生产者,则更新位置;否则作为索取者,更新位置;
⑤根据步骤S3参数优化目标适应度函数计算鸟个体适应度函数值,如果当前位置位于前次保留位置,则保留当前鸟个***置为最佳位置;
⑥判断算法迭代终止条件是否满足,若满足则输出最佳空间位置即(C、g、ε)值,并将其作为最佳学习参数对样本进行评价和检验;否则令t=t+1,并重复执行步骤③-⑥。
10.根据权利要求9所述的一种基于鸟群算法与SVM的电能质量扰动源判断方法,其特征在于,所述步骤S5中,当最优解y大于零时,则表明其所在负荷存在扰动源;当最优解y小于零时,则表明其所在负荷不存在扰动源。
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