CN108270239A - 一种含分布式电源的配电网电能质量扰动源方向判定方法 - Google Patents

一种含分布式电源的配电网电能质量扰动源方向判定方法 Download PDF

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陈东
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Abstract

本发明涉及一种含分布式电源的配电网电能质量扰动源方向判定方法，包含以下几个步骤：采集扰动发生后监测点处的电流和电压，利用离散小波变换对电流和电压进行分解和重构，得到能够反映原始信号的低频分量和高频分量；再对电流和电压的高频分量部分进行功率运算，得到高频扰动下的功率；最后，对该功率进行积分，得到扰动能量，并根据扰动能量的正负来判定扰动源相对于监测点的位置，确定扰动方向。本发明的方法减少了扰动信号的其他干扰，提高了扰动方向判断的准确性。

Description

一种含分布式电源的配电网电能质量扰动源方向判定方法
技术领域
本发明涉及一种含分布式电源的配电网电能质量扰动源方向判定方法。
背景技术
电力系统作为现代工业社会的主要支柱行业，其主要目的是安全、高效和可靠地满足用户对电力的要求。随着科学技术的创新，电力电子设备的应用越来越广泛，特别是各类冲击性负荷、非线性负荷的容量不断发展，严重影响了电力系统的电能质量。
电能本质上是一种商品，提供高质量产品是电力系统的天然责任。无论是发电方、供电方，还是用电方都对电能质量问题极为关注。电能质量问题严重危害着电网和国民经济的安全、高效运行，并且影响产品质量以及用户日常的生活质量。一方面，劣质电能将使供电方不能顺利完成对用电方的供电，并且会对供电方造成一定的经济损失，影响电网安全和供电方信誉；另一方面，劣质电能将对一些用电方造成巨大的经济损失。高质量的电能对保证电网和电气设备的安全、经济有效运行，对于提高产品质量和保障人民群众正常生活水平，具有非常重要的意义。
电能质量扰动源定位，主要包括两大内容：(1)扰动源方向判定，即扰动源相对于监测点的方向，通常用上游和下游来表示，而上游和下游，是以稳态下的功率流向为准的。扰动源方向判定较为关键，因为它的正确与否，密切关系到扰动源的定位是否准确。
(2)扰动源定位，扰动源定位基于扰动源方向判定，利用扰动源方向判定的结果对扰动源进行定位。如果扰动方向判断绝对准确，扰动源定位并非难事。然而，当配电网发生电能质量扰动时，有很多因素可对扰动方向正确判别产生干扰，如网络结构、高斯噪声、监测误差，尤其是越来越多分布式能源的接入。
近年来，分布式电源在中国得到了迅速发展，分布式电源(DG)接入配电网以后，相当于配电网不再是单个电源，其接入也给配电网的故障定位带来一定影响，主要有：①传统配电网的故障电流只由主变电源提供，为单向流动，DG接入使得故障电流变为双向流动；②传统配电网发生故障时，只有主变电源到故障点的路径存在故障电流，多个DG接入后，每个DG都会向故障点提供故障电流，使得存在故障电流的线路数目大为增多。DG的存在，对扰动源定位造成很大的干扰。
发明内容
本发明的目的是提供一种含分布式电源的配电网电能质量扰动源方向判定方法，本发明通过离散小波变换，对收集到的扰动信号进行分解和重构，对高频分量进行功率能量计算，并进一步计算高频扰动能量，并根据高频扰动能量的正负判断扰动源相对于监测点的方向，减少了扰动信号的其他干扰，提高了扰动方向判断的准确性。用以解决目前扰动源扰动方向判断时，受干扰信号多、判断不准确的问题。
为实现上述目的，本发明的方案是：一种含分布式电源的配电网电能质量扰动源方向判定方法，所述的判定方法步骤如下：
步骤1，采集扰动信号，并根据扰动处的电压变化判定扰动源的扰动类型，其中，扰动信号包括监测点处的电流和电压信号。扰动信号是通过扰动源监测系统来采集的，一般在电网的重要支路上都安装有扰动源监测系统，用来采集电压、电流、频率等参数。
步骤2，利用离散小波变换对采集到的电流和电压信号进行分解、重构，提取所述监测点处的电压和电流信号的高频分量。采用功率能量法判定扰动方向时，扰动功率包括高频扰动功率、低频扰动功率和混合扰动功率三部分，其中混合扰动功率和低频扰动功率是由系统电源和扰动叠加源共同产生，其中的高频扰动功率是由扰动叠加源产生。由于这三部分功率的流向并不一致，因此用三部分功率的和作为扰动方向判别的依据是非常不准确的。
本发明采用离散小波变换，主要有两个关键用途：一个是用来对扰动信号进行分解和重构，小波重构完毕后，分别得到电流和电压的高频分量；一个是用来判断扰动发生的时刻，这一点，对扰动源定位的准确性，也起着至关重要的作用。
步骤3，对所述监测点处的电流和电压信号的高频分量进行功率运算，得到高频扰动功率，并对高频扰动功率进行积分，得到高频扰动能量。当系统中发生各类暂态电能质量扰动时，会产生很多频率高于工频的高频分量。这些高频分量包含丰富的扰动信息，为电能质量扰动相关问题的分析提供了广阔的研究空间。
步骤4，根据高频扰动能量的正负判定扰动源相对于监测点的位置，并根据扰动类型确定扰动源方向。
本发明通过离散小波变换，对收集到的扰动信号进行分解和重构，对高频分量进行功率能量计算，并进一步计算高频扰动能量，并根据高频扰动能量的正负判断扰动源相对于监测点的方向，减少了扰动信号的其他干扰，提高了扰动方向判断的准确性。
进一步地，根据本发明所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，所述步骤(1)中，扰动类型包括吸取能量的扰动类型和注入能量的扰动类型。
进一步地，根据本发明所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，若扰动发生时，扰动处的电压比稳态时的电压低，则判定为吸取能量的扰动类型；若扰动发生时，扰动处的电压比稳态时的电压高，则判定为注入能量的扰动类型。
进一步地，根据本发明所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，所述步骤(4)中，对于吸取能量的扰动类型，若扰动发生后的瞬时功率小于稳态功率，则说明扰动能量在减弱，扰动能量为负，扰动源位于监测点的上游，判定扰动方向为后向扰动；若扰动发生后的瞬时功率大于稳态功率，则说明扰动能量在增强，扰动能量为正，扰动源位于监测点的下游，判定扰动方向为前向扰动；
对于注入能量的扰动类型，若扰动发生后的瞬时功率小于稳态功率，则说明扰动能量在减弱，扰动能量为负，扰动源位于监测点的下游，判定扰动方向为前向扰动；若扰动发生后的瞬时功率大于稳态功率，则说明扰动能量在增强，扰动能量为正，扰动源位于监测点的上游，判定扰动方向为后向扰动。
进一步地，根据本发明所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，所述步骤(3)中，高频扰动功率的计算如下：
pd＝uAdiAd+uBdiBd+uCdiCd
其中，pd为高频扰动功率；
uAd、uBd、uCd为扰动发生时三相电压的高频分量；
iAd、iBd、iCd为扰动发生时三相电流的高频分量。
进一步地，根据本发明所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，高频扰动能量的计算如下：
对高频扰动功率进行积分，即获得高频扰动能量，即：
Ed＝∫pddt
其中，Ed为高频扰动能量。
本发明达到的有益效果：本发明通过离散小波变换，对收集到的扰动信号进行分解和重构，对高频分量进行功率能量计算，并进一步计算高频扰动能量，并根据高频扰动能量的正负判断扰动源相对于监测点的方向，减少了扰动信号的其他干扰，提高了扰动方向判断的准确性。
离散小波变换具有良好的时频特性，可以从信号当中提取有用的信息，通过对小波基的平移和伸缩可以实现对信号的多尺度分解，解决了本领域的很多技术难题。
附图说明
图1是扰动源监测原理图；
图2是本发明的方法流程图；
图3是本发明高频扰动能量的流动方向示意图；
图4是本发明实施例的仿真原理图；
图5是本发明实施例的监测点M1的仿真结果图；
图6是本发明实施例的监测点M2的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，在电网的重要支路上一般都安装有电能质量监测仪，用来采集电压、电流、频率等参数，根据监测到的电压、电流数据，可得到流经监测点(即电能质量监测仪的安装位置)的三相瞬时功率，当系统处于稳定状态时，三相瞬时功率为一定值；当扰动发生时，三相瞬时功率会发生变化。
扰动方向，也就是扰动源相对于监测点的位置，发生在监测点上游的扰动为后向扰动，发生在监测点下游的扰动为前向扰动。如图1所示，箭头方向表示稳态功率的实际流动方向，当图中F处发生扰动时，对于监测点M1来说扰动发生在下游，属于前向扰动；对于监测点M2来说发生在上游，属于后向扰动。
如图2所示，本发明扰动方向的判定过程如下：
步骤1，采集扰动信号，并根据扰动处的电压判定扰动源的扰动类型，其中，采集的扰动信号主要是扰动发生前后，监测点处的电流和电压信号。
扰动发生的过程从能量守恒定律来说，就是能量的流动，可从两方面来考虑，其一，扰动源为吸取能量的扰动类型，例如短路；其二，扰动源为注入能量的扰动类型，例如雷击。对于吸取能量的扰动类型，系统从扰动处向外释放能量，一般扰动处的电压会比稳态时的电压低；对于注入能量的扰动类型，外界向系统注入能量，扰动处的电压会比稳态电压高。根据此原则，通过判断扰动时电压的高低来决定扰动类型是吸取能量还是注入能量。
步骤2，利用离散小波变换对采集到的监测点处的电流和电压信号进行分解、重构，提取监测点处的电压和电流信号的高频分量。
当系统中发生各类暂态电能质量扰动时，会产生很多频率高于工频的高频分量，这些高频分量包含丰富的扰动信息。如图3所示，高频分量由扰动源位置发出，并向线路两端传播，这就相当于在扰动源位置叠加了一个电源，该扰动叠加源沿线路向两端输送高频能量。
步骤3，计算高频扰动功率和高频扰动能量。
系统发生扰动时，监测点处的瞬时功率与系统稳定时的瞬时功率之差为扰动功率，扰动功率的积分为扰动能量。系统稳定时，瞬时功率近似为常数，因此，扰动功率值总接近0；当系统发生扰动时，瞬时功率发生变化，扰动功率与扰动能量不再为0。
扰动时三相瞬时功率可表示为稳态的三相瞬时功率和扰动的三相瞬时功率的叠加。系统的三相瞬时电压分别为UA、UB、UC，三相瞬时电流分别为iA、iB、iC、则三相瞬时功率p可表示为：
p＝uAiA+uBiB+uCiC
当扰动发生时，各相电压和电流，都可表示为以工频为主的低频分量(用下标a表示)和高频分量(用下标d表示)之和，所以，三相瞬时功率p可进一步表示为：
p＝(uAa+uAd)(iAa+iAd)+(uBa+uBd)(iBa+iBd)+(uCa+uCd)(iCa+iCd)
＝(uAaiAa+uBaiBa+uCaiCa)
+(uAdiAd+uBdiBd+uCdiCd)
+(upAaiAd+uBaiBd+uCaiCd+uAdiAa+uBdiBa+uCdiCa)
＝pa+pd+pm
其中，pa称为三相稳态瞬时功率，pd称为高频扰动功率，pm称为混合扰动功率。对高频扰动功率pd进行积分，即可获得高频扰动能量Ed，即：
Ed＝∫pddt
当高频扰动能量Ed为正时，说明扰动源在监测点的上游(靠近系统电源一侧)；反之，则说明扰动源在监测点的下游(远离系统电源一侧)。
步骤4，确定扰动源相对于监测点的位置，判定扰动方向。
发生扰动瞬间，可将系统看成是线性网络，由叠加原理可知，系统各部分电压和电流是由系统电源和扰动叠加源共同作用产生。电压和电流的高频分量是除去系统电源时由扰动叠加源单独作用产生的分量，因此，高频扰动能量相当于是由扰动叠加源向系统注入的能量，并沿线路向两端传播。
如图3所示，当F点发生扰动时，高频扰动能量的流向。根据高频能量的流向，即可以判定扰动源相对于监测点的位置：
对于吸取能量的扰动类型，若扰动发生后的瞬时功率小于稳态功率，则说明扰动能量在减弱，扰动能量为负，扰动源位于监测点的上游，判定扰动方向为后向扰动；若扰动发生后的瞬时功率大于稳态功率，则说明扰动能量在增强，扰动能量为正，扰动源位于监测点的下游，判定扰动方向为前向扰动；
对于注入能量的扰动类型，若扰动发生后的瞬时功率小于稳态功率，则说明扰动能量在减弱，扰动能量为负，扰动源位于监测点的下游，判定扰动方向为前向扰动；若扰动发生后的瞬时功率大于稳态功率，则说明扰动能量在增强，扰动能量为正，扰动源位于监测点的上游，判定扰动方向为后向扰动。
下面以吸取能量的扰动类型为例，对发明的方法进行说明：
步骤1：
在MATLAB/SIMULINK平台搭建需要研究的电力系统。如图4所示。M1和M2为监测点，电流、电压信息，即从M1和M2采集得到。
步骤2：
设置扰动源类型和扰动位置。图4中，扰动类型选择三相短路，位置位于L1和L2之间。仿真时长共0.3s，故障时间为0.1s-0.2s。按照前述假设，所设置的故障对于M1而言，在下游，得到的扰动期间高频扰动能量应该是负的；所设置的故障对于M2而言，在上游，得到的扰动期间高频扰动能量应该是正的。
按照本发明的方法，对M1和M2收集到的电流和电压数据进行小波变换，计算得到高频下的扰动能量。由图5可见，监测点M1在故障期间，高频扰动能量为负数，证明故障在监测点M1的下游；由图6可见，监测点M2在故障期间，高频扰动能量为正数，证明故障在监测点M2的上游。仿真结果与事实一致，验证了本发明方法的准确性。
本发明通过对采集到的监测点的电流和电压信号进行离散小波变换，将其分解为低频分量和高频分量，对高频分量部分进行扰动能量计算，通过扰动能量的正负来判断扰动源相对于监测点的方向，提高了扰动方向判断的准确性，为电能质量扰动源具体准确定位提供了重要的参考。

Claims (6)

1.一种含分布式电源的配电网电能质量扰动源方向判定方法，其特征在于：所述的判定方法步骤如下：
(1)采集扰动信号，并根据扰动处的电压变化判定扰动源的扰动类型，所述扰动信号包括监测点处的电流和电压信号；
(2)利用离散小波变换对采集到的电流和电压信号进行分解、重构，提取所述监测点处的电压和电流信号的高频分量；
(3)对所述监测点处的电流和电压信号的高频分量进行功率运算，得到高频扰动功率，并对高频扰动功率进行积分，得到高频扰动能量；
(4)根据高频扰动能量的正负判定扰动源相对于监测点的位置，并根据扰动类型确定扰动源方向。
2.根据权利要求1所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，其特征在于，所述步骤(1)中，扰动类型包括吸取能量的扰动类型和注入能量的扰动类型。
3.根据权利要求2所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，其特征在于，若扰动发生时，扰动处的电压比稳态时的电压低，则判定为吸取能量的扰动类型；若扰动发生时，扰动处的电压比稳态时的电压高，则判定为注入能量的扰动类型。
4.根据权利要求3所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，其特征在于，所述步骤(4)中，对于吸取能量的扰动类型，若扰动发生后的瞬时功率小于稳态功率，则说明扰动能量在减弱，扰动能量为负，扰动源位于监测点的上游，判定扰动方向为后向扰动；若扰动发生后的瞬时功率大于稳态功率，则说明扰动能量在增强，扰动能量为正，扰动源位于监测点的下游，判定扰动方向为前向扰动；
对于注入能量的扰动类型，若扰动发生后的瞬时功率小于稳态功率，则说明扰动能量在减弱，扰动能量为负，扰动源位于监测点的下游，判定扰动方向为前向扰动；若扰动发生后的瞬时功率大于稳态功率，则说明扰动能量在增强，扰动能量为正，扰动源位于监测点的上游，判定扰动方向为后向扰动。
5.根据权利要求1所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，其特征在于，所述步骤(3)中，高频扰动功率的计算如下：
pd＝uAdiAd+uBdiBd+uCdiCd
其中，pd为高频扰动功率；
uAd、uBd、uCd为扰动发生时三相电压的高频分量；
iAd、iBd、iCd为扰动发生时三相电流的高频分量。
6.根据权利要求5所述的配电网电能质量扰动源方向判定方法，其特征在于，高频扰动能量的计算如下：
对高频扰动功率进行积分，即获得高频扰动能量，即：
Ed＝∫pddt
其中，Ed为高频扰动能量。
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