CN110531155B - 一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成方法及系统。本发明的投切电阻信号生成方法包括：步骤一，分析在低压配电网中以电阻投切方式产生电流信号的特点；步骤二，根据低压台区用电情况确定采样频率和投切频点；步骤三，电阻投切信号的生成及占空比确定；步骤四，电阻投切信号编码；步骤五，通过去负荷的方式进行噪声处理和信号增强；步骤六，通过检测变压器二次侧电流，进行频域分析，确定户变关系。采用本发明生成的电流信号不仅能有效滤除电网噪声，还能通过去负荷处理增强本身特征信号强度，且投切电流小、信号稳定，具有操作简单、电网友好、识别效果好的优点。

Description

一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成方法及系统

技术领域

本发明属于配电网自动化领域，涉及利用电阻周期性通断规律在低压电网中产生特定频率的谐波电流信号，配合频域分析方法有效实现户变关系识别，具体地说是一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成方法及系统。

背景技术

户变关系是台区内各个用电客户与台区供电变压器的供电归属关系，台区作为智能电网发展建设的末端层级，涉及营销、运检等多个专业，是电网管理工作的重点和难点，也是服务“最后一公里”落地实施的关键所在，直接关系到线损治理、故障定位、三相不平衡治理等业务。由于用户信息变化、表计故障更换、台区升级改造等原因，当前系统户变关系经常发生变化，加之现有低压电力线载波、微功率无线等通信方式在“共零”和耦合情况下，均具备跨台区通信和抄读的能力，给户变关系梳理工作的开展带来极大挑战。

目前户变关系识别方法主要包括以下几类：(1)人工巡线法，仅适用于布线简单可视的架空线路台区；(2)停电识别法，需要用户侧暂时停电，影响用户用电；(3)基于载波通信的方法，无法保证识别成功率和准确率，且无法解决串台区问题；(4)基于数据相关性的方法，数据通信量大，受时钟同步误差、采样误差等因素影响大；(5)工频畸变法，识别成功率高，但是会造成电网电压、电流短时剧烈波动，易对电网造成危害。

因此，需要一种识别准确、效果稳定、不对电网造成不良影响的户变关系识别方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成方法及系统，其在充分分析电网电流谐波分布的基础上，以开关控制电阻通断的形式投切谐波电流信号，通过频域分析实现户变关系识别。

为实现上述发明目的，本发明采取如下的技术方案：一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成方法，包括以下步骤：

步骤一，分析在低压配电网中以电阻投切方式产生电流信号的特点；

步骤二，根据低压台区用电情况确定采样频率和投切频点；

步骤三，电阻投切信号的生成及占空比确定；

步骤四，电阻投切信号编码；

步骤五，通过去负荷的方式进行噪声处理和信号增强；

步骤六，通过检测变压器二次侧电流，进行频域分析，根据三相电流确定户变关系。

本发明的方法实现简单、功耗小，只需产生很小的电流即可在频域中产生十分稳定的特征信号，不会引入电网电压、电流畸变，安全、可靠，具有很好的工程适用性。

进一步地，步骤一中，在工频50Hz电压网中，通过开关控制固定阻值电阻以开关频率f_c周期性通断，会在电网中产生五个电流信号，包括50Hz电流信号，在f_c两侧各50Hz处产生两个频率为f₁、f₂的谐波电流，满足f₂-f_c＝f_c-f₁＝50Hz，A₁＝A₂，在2f_c两侧各50Hz处产生两个频率为f₃、f₄的谐波电流，满足f₃-2f_c＝2f_c-f₄＝50Hz，A₃＝A₄，其中，A₁、A₂、A₃、A₄分别表示f₁、f₂、f₃、f₄处的信号强度。

进一步地，步骤二中，设置采样频率为5000Hz，投切开关频率为f_c＝833.3Hz，在电网中投切产生的电流信号频率分别为f₀＝50Hz、f₁＝783.3Hz、f₂＝883.3Hz、f₃＝1616.6Hz、f₄＝1716.6Hz，选取f₁和f₂用于户变关系识别，f₀表示基波频率。

进一步地，步骤三中，电阻投切方式设置为开关周期性通400微秒断800微秒，占空比为1/3。

进一步地，步骤四中，电阻投切信号编码设置脉宽时间为a秒，开关周期性通断a秒表示码位1，开关持续断开a秒表示码位0，当a＝0.3秒，编码码段为8位[1 0 1 0 0 1 1 1]时，投切一次耗时2.4秒。

进一步地，步骤五中，去负荷操作采用相邻周波相减的方式，针对步骤二和步骤三中的投切信号，由于其信号本身的通断特性和占空比设置，相邻周波相减的方式不仅能减弱电网背景噪声干扰，还能够增强投切信号的强度，更有利于准确识别。

本发明采取的另一种技术方案如下：一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成系统，其包括：

投切信号特征分析单元：分析在低压配电网中以电阻投切方式产生电流信号的特点；

采样频率和投切频点确定单元：根据低压台区用电情况确定采样频率和投切频点；

信号生成及占空比确定单元：用于电阻投切信号的生成及占空比确定；

编码单元：用于电阻投切信号的编码；

噪声处理和信号增强单元：通过去负荷的方式进行噪声处理和信号增强；

户变关系确定单元：通过检测变压器二次侧电流，进行频域分析，根据三相电流确定户变关系。

进一步地，所述的信号生成及占空比确定单元中，电阻投切方式设置为开关周期性通400微秒断800微秒，占空比为1/3。

进一步地，所述的编码单元中，电阻投切信号编码设置脉宽时间为a秒，开关周期性通断a秒表示码位1，开关持续断开a秒表示码位0，当a＝0.3秒，编码码段为8位[1 0 1 11 0 0 1]时，投切一次耗时2.4秒。

进一步地，所述的噪声处理和信号增强单元中，去负荷操作采用相邻周波相减的方式。

本发明将开关和固定阻值的电阻串联接入电网零火线中，通过控制开关周期性通断在电网中产生特定频点的谐波信号，配合频域分析方法，能有效识别户变关系。

采用本发明生成的电流信号不仅能有效滤除电网噪声，还能通过去负荷处理增强本身特征信号强度，且投切电流小、信号稳定，具有操作简单、电网友好、识别效果好的优点。

附图说明

图1为本发明一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成方法的流程图；

图2为本发明投切电阻在电网中产生的电流信号波形图；

图3为本发明生成信号的频谱图；

图4为本发明信号编码方式图。

图5为本发明产生信号去负荷后电流信号波形图；

图6为本发明产生信号去负荷后信号频谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述，以下内容仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

参照图1，本发明一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成方法，包括以下步骤：

(1)分析在低压配电网中以电阻投切方式产生电流信号的特点，在工频50Hz电压网中，通过开关控制固定阻值电阻以开关频率f_c周期性通断，会在电网中产生五个电流信号，包括50Hz电流信号，在f_c两侧各50Hz处产生两个频率为f₁、f₂的谐波电流，满足f₂-f_c＝f_c-f₁＝50Hz，A₁＝A₂，在2f_c两侧各50Hz处产生两个频率为f₃、f₄的谐波电流，满足f₃-2f_c＝2f_c-f₄＝50Hz，A₃＝A₄，其中A表示信号强度。若选取阻值为311Ω电阻进行投切，则实际在电网中产生的电流信号峰值约为1A，相应的投切电流信号波形图和频谱图分别如图2和图3所示。

(2)根据低压台区用电情况确定采样频率和投切频点，为了增加方法的适用性和推广性，本发明在确定采样率和投切频点选取做如下考虑：

a)由于电网谐波成分复杂，负荷变化带有随机性，基本绝大多数设备产生的谐波均在奇、偶次谐波上，因此，投切电流信号的频率需要避开奇、偶次谐波；

b)低压线路中，变压器二次侧的I型集中器、配变终端等设备均依靠交采进行电流采样，且采样频率一般为5000Hz，因此，这里选用采样频率F_s＝5000Hz；

c)投切频率越大，投切到电网中电流频率越高，线路的衰减和分流越大，因此在频率选择时要选择适当大的频率，既能减弱基波和3、5、7次谐波的干扰，又能尽可能保留信号特征，又因为投切会产生5个频点的谐波电流，除基波频点外，只有在开关频率附近的频点强度最大，因此选用开关频率附近的两个频点进行户变关系识别。

对于5000Hz的采样率，一个工频周波能采100个点，为分析确定投切频率，分别计算投切信号不同周期下对应的投切电流特征，具体如表一所示。

表一不同投切周期馈线电流分析

表一中，投切周期点数表示5000Hz采样率下开关一次通断对应的采样点数，总周期表示投切周期和工频周期的最小周期，可以发现，当总周期为一个周波和两个周波时，投切电流谐波均在奇、偶次谐波和575Hz、675Hz之类的间谐波上，电网背景噪声较大，干扰严重，不适合作投切频点；投切信号周期点数越多，相同时间内包含的谐波周期越少，频域提取的精度相应越低(考虑噪声干扰)，为保证相同精度需要投切的时间越长，会降低识别效率；投切的点数越少，馈线谐波电流频率越高，线路分流和衰减越大，且每个投切周期内采样信息越少，引入的采样误差会越大，因此，本发明选取投切开关频率f_c＝833.3Hz，用于户变识别的投切电流f₁＝783.3Hz和f₂＝883.3Hz。

(3)投切信号的生成及占空比确定，假设投切电阻的阻值为R，则电网中电压和投切电流大小为：

U(t)＝311×sin(2πf₀t+θ)，

I(t)＝311/Rsin(2πf₀t+θ)，

其中，t表示时间，θ为初始相位，f₀＝50Hz，R表示接入电网中的电阻阻值。

根据采样率转化为离散域，可得第k个采样点的时间t＝kdt，其中dt＝1/F_s。由于电阻在投切过程中本身发热消耗有功，在采样频率F_s和投切频率f_c下，一个投切周期可采样6个点，为了尽量降低投切电阻的功率，减少发热，从而保证安全延长设备寿命，可通过调整一个投切周期内占空比，这里采用通2个点(400微秒)断4个点(800微秒)，占空比为1/3，既能一定程度上降低功率，又能保证每次采样至少采到一个开关通状态点。此时，投切电流为：

其中，mod(k,6)表示k对6取余，k＝0,1,2,...，具体大小与采样点数目有关；R表示接入电网中的电阻阻值，f₀＝50Hz。

(4)投切信号编码，电阻投切信号编码设置脉宽时间为a秒，开关周期性通断a秒表示码位1，开关持续断开a秒表示码位0，当a＝0.3秒，编码码段为8位[10100111]时，投切一次耗时2.4秒。具体编码方式如图4所示，前四位[1010]为帧同步，用于整体对时，后四位识别码，用于判断户变关系。

(5)通过去负荷的方式进行噪声处理和信号增强，电网背景电流十分复杂，噪声和设备波动的影响，导致直接用频域分析方法提取时很容易存在频谱泄漏、提取不准的现象，从而干扰投切信号的提取效果，由于电网设备的负荷电流基本都是工频周波的整数倍，这里通过相邻周波相减，去负荷，进行初步去噪。投切信号在去负荷后时域波形图和频谱图分别如图5和图6所示。通过对比图3和图6可以发现，去负荷后，投切信号的基波分量被消掉，待提取信号f₁和f₂的频域强度反而增大了。这是由于本发明投切开关频率f_c＝833.3Hz，与工频的最小公共周期为3个工频周波，投切信号占空比为1/3，相邻周波的对应点投切信号刚好有和无交替，因此在相邻周波相减的处理后，将原来的断开部分按照通路部分补齐，可见，去负荷不仅可以减弱负荷噪声干扰，还能增强投切信号强度。

(6)采用5000Hz采样频率对变压器二次侧电流进行检测，进行频域分析，根据投切发送的编码进行识别，确定户变关系。

实施例2

本实施例提供一种用于户变关系识别的投切电阻信号生成系统，其包括：

投切信号特征分析单元：分析在低压配电网中以电阻投切方式产生电流信号的特点；

采样频率和投切频点确定单元：根据低压台区用电情况确定采样频率和投切频点；

信号生成及占空比确定单元：用于电阻投切信号的生成及占空比确定；

编码单元：用于电阻投切信号的编码；

噪声处理和信号增强单元：通过去负荷的方式进行噪声处理和信号增强；

户变关系确定单元：通过检测变压器二次侧电流，进行频域分析，根据三相电流确定户变关系。

所述的信号生成及占空比确定单元中，电阻投切方式设置为开关周期性通400微秒断800微秒，占空比为1/3。

所述的编码单元中，电阻投切信号编码设置脉宽时间为a秒，开关周期性通断a秒表示码位1，开关持续断开a秒表示码位0，当a＝0.3秒，编码码段为8位[1 0 1 1 1 0 0 1]时，投切一次耗时2.4秒。

所述的噪声处理和信号增强单元中，去负荷操作采用相邻周波相减的方式。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于电容投切的户变关系识别方法，其特征在于，包括：

步骤一，分析实际电网中电容投切方式产生电流信号的特点；

步骤二，根据电网负荷电流特征确定采样频率和投切频点；

步骤三，投切信号的生成及占空比确定；

步骤四，投切信号编码，确定发送特征码；

步骤五，通过去负荷的方式进行噪声处理和信号增强；

步骤六，对变压器二次侧电流实时采样分析，通过对投切频点信号进行傅里叶分析匹配特征码，确定户变关系；根据三相电流大小，确定所属相位；

步骤一中，在工频50Hz电压网中，通过开关控制固定容值电容以开关频率f_c周期性通断，在电网中产生谐波电流信号，包括50Hz电流信号，在f_c的整数倍两侧各50Hz处产生两个幅值相等、频率为f_i1、f_i2的谐波电流，i＝1,2,...,M，其中M是自然数，满足f_i2-if_c＝if_c-f_i1＝50Hz；

步骤二中，设置采样频率为5kHz，投切开关频率为f_c＝833.3Hz，在电网中投切产生的所有电流信号中，频率为f₁₁＝783.3Hz和f₁₂＝883.3Hz的信号强度最强，选取用作户变关系识别；

步骤三中，占空比为1/3；

步骤四中，电容投切信号每一位编码宽度为a秒，开关周期性通断a秒表示码位1，开关持续断开a秒表示码位0，当a＝0.3秒，特征码为8位[1 0 1 1 1 0 0 1]时，投切一次耗时2.4秒。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容投切的户变关系识别方法，其特征在于：步骤五中，采用相邻周波相减的方式进行去负荷处理。

3.一种基于电容投切的户变关系识别系统，其特征在于，包括：

投切电容特征分析单元：用于分析实际电网中电容投切方式产生电流信号的特点；

采样频率和投切频点确定单元：根据电网负荷电流特征确定采样频率和投切频点；

信号生成及占空比确定单元：用于投切信号的生成及占空比确定；

信号编码单元：投切信号编码，确定发送特征码；

噪声处理和信号增强单元：通过去负荷的方式进行噪声处理和信号增强；

户变关系确定单元：对变压器二次侧电流实时采样分析，通过对投切频点信号进行傅里叶分析匹配特征码，确定户变关系；

相位确定单元：根据三相电流大小，确定所属相位；

所述的投切电容特征分析单元中，在工频50Hz电压网中，通过开关控制固定容值电容以开关频率f_c周期性通断，在电网中产生谐波电流信号，包括50Hz电流信号，在f_c的整数倍两侧各50Hz处产生两个幅值相等、频率为f_i1、f_i2的谐波电流，i＝1,2,...,M，其中M是自然数，满足f_i2-if_c＝if_c-f_i1＝50Hz；

所述的采样频率和投切频点确定单元中，设置采样频率为5kHz，投切开关频率为f_c＝833.3Hz，在电网中投切产生的所有电流信号中，频率为f₁₁＝783.3Hz和f₁₂＝883.3Hz的信号强度最强，选取用作户变关系识别；

所述的信号生成及占空比确定单元中，占空比为1/3；

所述的信号编码单元中，电容投切信号每一位编码宽度为a秒，开关周期性通断a秒表示码位1，开关持续断开a秒表示码位0，当a＝0.3秒，特征码为8位[1 0 1 1 1 0 0 1]时，投切一次耗时2.4秒。

4.根据权利要求3所述的一种基于电容投切的户变关系识别系统，其特征在于：所述的噪声处理和信号增强单元中，采用相邻周波相减的方式进行去负荷处理。

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