CN110609165B

CN110609165B - 电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法

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Publication number: CN110609165B
Application number: CN201910884496.6A
Authority: CN
Inventors: 刘亚丽; 吕金炳; 李国栋; 杨维; 刘创华; 满玉岩; 于光耀; 李树鹏; 胡晓辉; 张野; 汪颖; 肖先勇; 刘云; 陈培育; 王峥
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2021-06-22
Anticipated expiration: 2039-09-19
Also published as: CN110609165A

Abstract

本发明涉及一种电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法，其主要技术特点是：通过电能质量在线监测装置获取电压输入回路和电流输入回路的电压电流数据，根据电压电流数据判断判断A相电压是否正常，电压接线错误检测、判断得到电压误接线类型，电流接线错误检测、判断得到电流误接线类型，根据电压误接线类型对电压数据进行校正，根据电流误接线类型对电流数据进行校正，将检测或校正结果传给电能质量监测系统。本发明安装在线电能质量监测数据处理平台上，通过远端实现电能质量在线监测装置的接线错误的智能识别与数据校正功能，减少了由误接线带来的异常数据，降低人工排查误接线的成本与提高了误接线排查的效率。

Description

电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法

技术领域

本发明属于电能质量监测技术领域，尤其是一种电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法。

背景技术

我国逐渐由制造大国向制造强国迈进，优质的电力是高精度、高科技产业生产的根本保证，因而电能质量问题也是大家日前越来越关注的问题。电能质量不仅影响电网企业的安全性与经济性，同时也会影响用户产品的产品质量与设备安全。

电能质量(Power Quality,PQ)指标包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量，具体内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、电压中断、电压暂升以及供电连续性等。电能质量水平监测的主要目的是评估电能质量、描述电力系统整体性能、干扰源诊断与设备维护以及描述某类电能质量问题。电能质量监测点通常会设置在变电站、用户用电入口处等关键位置。具体考察指标包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等，这些指标的准确计算与电能质量分析依赖于电压、电流的采样数据正确性。

现有电能质量在线监测装置通常采用基于CORBA的架构方案、基于MAS的架构方案、开放式监测系统架构方案和基于调度系统模式的架构方案，其通用外端子如图1所示。图中由虚线框部分表示电流、电压采样回路。电能质量在线监测装置在安装时接线错误将会对采集到的数据产生显著影响，在未检测到误接线的情况下对数据进行后续分析，将会对电能质量分析产生误导性的结果。电能质量在线监测装置误接线可以分为电流回路误接线与电压回路误接线两类，故误接线类型可简单分类为电压回路误接线、电流回路误接线和混合误接线。

下面分别进行说明：

1、电压回路误接线：电压回路指电能质量在线监测装置电压通道口与监测点母线连接部分，输入电压根据接线方式不同可能为相电压也可能为线电压，电能质量监测装置将电压转化为相电电压。安装过程中可能出现三类错误：

(1)电压进出线接反与电压互感器接反现象(同名端反接)导致电压极性发生反转。

(2)电压互感器之间、各相进线端之间出现接错位置，导致出现相序错误。

(3)第(1)和(2)两种情况的混叠。

2、电流回路误接线：电流回路指电能质量在线监测装置电流通道口与监测点母线连接部分。输入电流根据接线方式不同可能为相电流也可能为线电流，电能质量监测装置将电流转化为相电流。与电压回路出现的误接线原因类似，安装过程中可能出现三类错误：

(1)电流进出线接反与电流互感器接反现象，同名端导致电流极性发生反转。

(2)电流互感器之间、各相进线端之间出现接错位置，导致出现相序错误。

(3)第(1)和(2)两种情况的混叠。

3、包含第1和第2两类误接线情况的混合误接线。

由于接线错误导致电能质量监测装置原始数据的错误，一般情况下很难被发现，特别是已经大规模实现安装电能质量在线监测装置的网络。后续处理电能质量原始数据时往往会将异常数据或者看似错误的数据直接去除，往往会错过很多有用的信息；对于大部分电能质量监测装置而言，没有有效误接线检测办法，对每台装置进行人工检测或者在装置中预置检测算法的方法，对于已经大规模安装的在监测设备而言显然会增大成本，并且检测到接线错误再通过人员纠正，仍需要花费精力。故借助电能质量监测系统对原始数据进行远端动态检测，判断是否存在某台电能质量在线监测装置出现误接线是行之有效的解决手段。

基于上述分析可以看出，在电能质量在线监测装置安装过程中，由于接线数目过多，则可能出现监测装置的接线错误，这就导致电能质量数据的原始数据出现误差，直接造成电能质量指标计算的误差，间接对电能质量治理造成影响。现有技术通常通过人工表计排查或者在表计内部设置检测算法，对于前者而言效率较低且成本高，对后者而言在表计生产时加入自动识别与校准技术不失为一个好的方法，然而对已经大规模安装的电能质量监测装置来说，更换设备与嵌入算法成本与效率都大为增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法，其能够自动识别电能质量在线监测装置的接线错误类型，并能够根据错误类型校正错误的电压、电流采样数据。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法，包括以下步骤：

步骤1、通过电能质量在线监测装置获取电压输入回路和电流输入回路的电压电流数据，进入步骤2；

步骤2、根据电压电流数据判断判断A相电压是否正常，如果正常进入下一步，否则执行步骤7；

步骤3、电压接线错误检测、判断，得到电压误接线类型，进入步骤5；

步骤4、电流接线错误检测、判断，得到电流误接线类型，进入步骤6；

步骤5、根据步骤3检测得到的电压误接线类型，对电压数据进行校正，进入步骤7；

步骤6、根据步骤4检测得到的电流误接线类型，对电流数据进行校正，进入步骤7；

步骤7、将检测或校正结果传给电能质量监测系统；

所述步骤4的具体实现方法为：取与电压同时刻电能质量监测装置A、B、C三相电流的十个周波波形，然后执行以下步骤：

⑴对三相电流波形数据进行离散傅里叶变换得到电流的频域信号，取出基波向量

与

利用对称分量变换矩阵求取A相正序、负序与零序分量：当负序电流分量

的标幺值大于0.5时，认为电流存在误接线情况，进入下一步

⑵求解电压基波向量

为标准，通过

加减120°求得

与

以基波电压向量作为电流求解的参考，求取电流基波向量

和

分别与

和

的向量夹角；

⑶得到步骤⑵的向量夹角关系，对比电流误接线类型表与范围判定表，得到电流误接线类型。

进一步，所述步骤2的具体检测方法为：按照顺序选择一个电能质量监测装置，通过计算该监测装置与相邻监测装置的A相电压相位差，确认该监测装置A相电压回路未发生误接线情况；当A相电压与相邻装置A相相位相差绝对值在170°～180°之间时，则判断该装置A相电压反接；当A相电压与相邻装置A相相位相差绝对值在120±10°时判断为与B、C相发生误接线情况；当该装置A相电压接线无误后进行下一步骤，否则记录该装置编号并反馈给电能质量监测系统。

进一步，所述步骤3的具体实现方法为：取同一时刻电能质量监测装置A、B、C三相电压十个周波数据，检测是否存在漏相或故障情况，若存在则反馈给电能质量监测系统，若无漏相或故障情况，则对电压信号进行对称分量法分解，得到正序、负序与零序电压，然后利用电压回路误接线类型判定表进行判断：当出现误接线情况时，记录该监测装置标号与电压回路误接线类型。

进一步，所述步骤5的具体实现方法为：当A相电压确定为正确时，若检测出B、C两相电压出现极性相反与相序问题时则利用该类错误的数据校正方式对数据进行校正，校正方式为对数据进行相位变换，当出现反极性则对向量旋转180°对应于数据采样点操作为反转变换，当相序错误时则对向量进行正向或反向旋转120°对应于数据采样点为平移变换，平移采样点个数为n₁₂₀,n₁₂₀，其计算公式如下：

其中f_s为该装置采样频率，f为工频。

进一步，所述步骤6的具体实施方法为：根据电流误接线类型，利用电流回路误接线相序校正表、电流回路误接线极性校正表及上述两个校正表的组合进行电流数据校正。

本发明的优点和积极效果是：

本发明安装在线电能质量监测数据处理平台上，通过远端实现电能质量在线监测装置的接线错误的智能识别与数据校正功能，其采用纯算法技术，不涉及硬件的增设，将在线电能质量监测数据处理平台接收到的数据进行误接线监测与识别，并按照接线错误类型校正电能质量监测数据，减少了由误接线带来的异常数据，降低人工排查误接线的成本与提高了误接线排查的效率，较为完善的降低了电能质量在线监测装置接线错误对原始数据与后续电能质量分析工作的影响，为减少电能监测数据的原始误差提供一个方面的新思路。

附图说明

图1为现有电能质量监测装置的通用外端子示意图；

图2a为现有电能质量在线监测装置三类典型接线图(三相三线星型接线方式)；

图2b为现有电能质量在线监测装置三类典型接线图(三相三线三角形接线方式)；

图2c为现有电能质量在线监测装置三类典型接线图(三相四线星型接线方式)；

图3为本发明的电能质量误接线自动检测与校正算法流程图；

图4为电压回路误接线出现的向量关系(已知A相电压正确)；

图5为三相电压与电流关系示意图；

图6为电压误接线的48种类型图(6×8)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

本发明能够检测出电能质量在线监测装置的三种接线方式的误接线类型，三种接线方式包括三相三线星型、三相三线三角形、三相四线星型接线方式，分别如图2a、图2b及图2c所示。本发明针对接线过程中的各类接线错误(主要是电压电流的进出线与互感器二次回路接线错误)，能够进行快速的查表判断，识别接线错误类型，按照表计接线方式反馈误接线类型，并对采集到的数据进行相应的校正，最大程度还原电能质量真实监测数据。

本发明在实际应用中，嵌入在线电能质量监测数据处理平台中，远端检测全网存在误接线的电能质量在线监测装置、判断误接线类型以及实现错误数据进行校正，减小由于误接线对后续电能质量评估与分析工作的影响。如图1所示，该电能质量在线监测装置的对外连接包括电压输入回路(1)、电流输入回路(2)、网络接口(3)、装置工作电源(4)、开关量输入接口(5)、通信/对时/接地/调试/屏蔽等端口(6、7)，所述通用在线电能质量监测装置正视界面包括信号指示灯、操作按键、液晶显示屏，内部硬件包括数字信号处理器DSP、RAM、存储器、信号采集变送模块、I/O控制模块、数据总线，通用电能质量监测系统架构包括终端监测单元、通信服务系统、数据库服务系统、在线电能质量监测数据处理平台。

本发明的电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法，安装在在线电能质量监测数据处理平台上。本发明包括以下步骤：

步骤1、通过电能质量在线监测装置获取电压输入回路和电流输入回路的电压电流数据。

在本步骤中，电能质量在线监测装置通过接入在电压输入回路和电流输入回路中的互感器端采集相应的电压电流数据。

步骤2、判断判断A相电压是否正常，具体方法为：

如图3所示，首先判断某一选中电能质量监测装置通过电压互感器得到的A相电压有效值是否在该电压等级下属于正常范围，排除A相断线或者跨相接线的可能。按照顺序选择某一电能质量监测装置，并选取该电能质量监测电气相邻的电能质量监测装置，取同一时刻起该装置与其相邻装置A相电压的十个周波采样数据(相电压)，已知电压工频f＝50±0.5Hz，假设该装置电压采样频率为f_s，忽略电压高频部分，则采样间隔为

从采样波形起始，找到各表计数据第一个电压正周期过零点(由负变正)，记录该装置与相邻电能质量装置电压正半周期过零点之间的数据间隔n_i，其中i代表相邻装置，再计算出相位差大小，即：

考虑电力系统功率传输纵分量δV与求解误差，认为A相电压回路未出现误接线状况时，∠θ_i大小在±5°之内；若出现超过±5°时则可认为A相电压出现接线错误，通过计算该装置与相邻装置的A相电压相位差，确认该装置A相电压回路未发生误接线情况。当A相电压与相邻装置A相相位相差绝对值在170°～180°之间时，则判断该装置A相电压反接；当A相电压与相邻装置A相相位相差绝对值在120±10°时判断为与B、C相发生误接线情况。当该装置A相电压接线无误后进行下一步骤，否则记录该装置编号并反馈给电能质量监测系统，不再进行下一步分析，减少分析误接线的种类，以提高算法效率。

当选取的电能质量监测装置的A相电压判断无误后，以A相电压为参考依据，对该装置的B、C相电压与A、B、C相电流进行电压误解线与电流误解线判断与数据校正，两类误解线判断与数据校正过程相互独立，可并行计算，分别利用第3、4步骤与等5、6步骤实现。

步骤3、电压接线错误检测、判断

取同一时刻该装置A、B、C三相电压十个周波数据(相电压)，检测是否存在漏相、故障等情况，电压误接线类型根据图4向量关系所示。若存在则反馈监测与分析平台，若无漏相、故障等情况，则对电压信号进行对称分量法分解，得到正序、负序与零序电压，具体步骤为：

1)对三相电压波形数据进行离散傅里叶变换(具体利用FFT)得到电压信号的频域信号。变换出的每个数据为该点对应频率下电压向量(复数形式:a+jb)，取出电压基波向量

与

定义相位关系运算子α：

利用对称分量变换矩阵求取A相正序、负序与零序分量，即：

若负序、零序电压过大时，排除电力系统故障可能后，则进行步骤2)，若均正常范围之内，则认为电压回路接线正常，进入电流误接线判断。理论上，正常情况时电力系统三相对称，负序与零序分量很小。

2)以

为基准，求出

分别与

的夹角大小，考虑误差区间，生成电压回路误接线类型判定表。利用判定表快速判断，判定表如下：

表1 B、C相电压误接线判定表

利用相位差查表判断，当出现误接线情况时，记录该装置标号与电压回路误接线类型，并根据该装置的接线方式，按照接线错误类型并结合实际经验，推断出该接线方式下可能出现误接线的具体原因。

步骤4、电流接线错误检测、判断

取与电压同时刻三相电流的十个周波波形，同样进行FFT变换，取基波电流向量，进行对称分量法分解，具体步骤如下：

1)对三相电流波形数据进行离散傅里叶变换(具体利用FFT)得到电流的频域信号。取出基波向量

与

利用对称分量变换矩阵求取A相正序、负序与零序分量，即：

当负序电流分量

的标幺值大于0.5时(额定电流为1)，认为电流存在误接线情况，进行步骤2)。

2)以步骤3中1)中求得的电压基波向量

为标准(

与

可能出现误接线情况导致向量错误)，通过

加减120°求得

与

以基波电压向量作为电流求解的参考。为保证电网运行的安全可靠，电力系统对用户的功率因数提出了相应的要求，《电力客户执行功率因数标准》中最低功率因数要求为0.8，对应相角约为36.87°，故电流向量在电压向量的±36.87°(滞后或超前)之内，故全系统的电能质量监测点的功率因数应大于0.8，这里为了避免误差取范围±40°，电压与电流关系示意如图5所示。对于电流而言可能出现极性与相序错误两类情况，其中极性相反有6种(±Ia,±Ib,±Ic，共2×2×2＝8种)，而相序共有6种可能(如ABC、ACB、BCA等)，两类接线错误组合起来共有48种情况(包括正常情况一种)，所有可能的组合情况见图6(星号标注的为正常情况，第一行为6类电流相序，第一列为8类电流正负极性，其余为组合情况)。求取电流基波向量

和

分别与

和

的向量夹角。

3)得到步骤2)的夹角关系，对比电流误接线类型表(表2)与范围判定表(表3)，表格如下：

表2电流误接线类型

注：第一行为不同电流相序(6种)，第一列为电流正负极性(8种)。-A表示极性反转。

表3电流误接线类型的相位判断范围

注：θ_A、θ_B与θ_C分别表示电流基波分量与对应电压基波分量之间的角度差。

经过步骤3)完成对电流误接线的判断，并将结果反馈。

上述判断方法适合用于以下系统：

a.实际潮流始终是单向的，即在一个或两个阶段没有明显的分布式电源连接。

b.功率因数大于大约0.8(36.87°)超前或滞后。

c.三相功率因数相似。

步骤5、电压数据校正

当A相电压确定为正确时，若检测出B、C两相电压出现极性相反与相序问题时则利用该类错误的数据校正方式对数据进行校正。经过步骤3，判断出电压误接线类型，继而进行电压校正。校正方式为对数据进行相位变换，当出现反极性则对向量旋转180°对应于数据采样点操作为反转变换，当相序错误时则对向量进行正向或反向旋转120°对应于数据采样点为平移变换，平移采样点个数为n₁₂₀,n₁₂₀计算如下：

其中f_s为该装置采样频率，f为工频。各类电压误接线的数据校正列表如下：

表4电压回路误接线校正表

注：极少出现单相电压相序出现误接线情况，故不给予考虑。左右平移以A相电压为参考依据，A相数据从左至右按时间先后顺序排列。

步骤6、电流数据校正

经过步骤4，判断出电流误接线的类型，利用与电压相似的校正方法进行电流数据校正，校正表如表5，6所示，直列出极性反转与相序错误两大类，混合情况则是两类校正方法的叠加，叠加时默认以极性反转第一步，相序校正为第二步。

表5电流回路误接线校正表(相序校正)

注：反转操作为I，向左平移

个点操作为II，向右平移

个点操作为III，不进行操作为IV。

表6电流回路误接线校正表(极性校正)

注：反转操作为I，向左平移

个点操作为II，向右平移

个点操作为III，不进行操作为IV。

步骤7、完成校正后，将电压与电流误接线类型与设备编号反馈给电能质量监测系统，对下一电能质量在线监测装置进行误接线检测，重新执行上述步骤，数据校正若数据量过大则取一段波形校正后，计算相关电能质量指标，与当前所求指标进行比对，求出两个指标间的比例系数，利用比例系数校正电能质量指标。整体的算法流程如图6所示，当A相电压确认接线正确后，电压误接线与电流误接线的判断并列计算。

本发明安装在嵌入在线电能质量监测数据处理平台中，其软件处理流程如图3所示，包括电压采集回路误接线判断、电流回路误接线判断与数据校正：

电压回路接线判断算法：电压回路误接线检测作为电流校准的参考因而尤为重要，A相的接线是否正确是关键点，故通过信息处理分析平台与相邻的监测装置进行比较则可确定A相电压信号是否接线正确，否则无法作为其他相的参考依据。若A相通过与其他监测点的对比判断出A相误接线，则通过其他监测装置A相电压的位置，对该装置的A相进行校准，再进行下一步；若A相准确，则开始对B、C相电压进行判断(电压回路误接线类型参考图4；错误检测流程见图3；电压回路误接线类型判断依据见表1)。若第一步A相电压监测过程中发现相邻装置存在A相接线错误，则在此次检测算法实现后对该装置进行误接线检查与数据校准，接着对B、C相电压采集信号进行判断。

电流回路检测算法流程与典型错误相位图请参阅图6，以A相电压为参考相位，根据B、C电压采样数据建立向量，通过向量的相位关系判断B、C相之间是否存在误接线情况，若B、C两相电压向量与由A相确定的正确相序位置角度相差超过15°，则可判断某相出现接线错误，预先设置各类误接线出现的位置以及误差范围，通过快速查询，确定其误接线错误类型；电流向量则仍以A相电压作为参考，利用向量的相位与预置接线错误相位模板进行快速比较，确定接线错误类型。

数据校正技术请参阅典型误接线校正概念见表4、表5与表6，通过判断具体的误接线类型，利用误接线导致原始数据的作用，进行逆向还原，考虑一定误差因素，通过移相与反转等时间序列数据处理手段进行数据校正，最后将存在误接线装置的信息与数据还原情况进行记录，并反馈给监测中心与厂家。

本发明未述及之处适用于现有技术。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤7、将检测或校正结果传给电能质量监测系统；

与

的标幺值大于0.5时，认为电流存在误接线情况，进入下一步

⑵求解电压基波向量

为标准，通过

加减120°求得

与

以基波电压向量作为电流求解的参考，求取电流基波向量

和

分别与

和

的向量夹角；

2.根据权利要求1所述的电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法，其特征在于：所述步骤2的具体检测方法为：按照顺序选择一个电能质量监测装置，通过计算该监测装置与相邻监测装置的A相电压相位差，确认该监测装置A相电压回路未发生误接线情况；当A相电压与相邻装置A相相位相差绝对值在170°～180°之间时，则判断该装置A相电压反接；当A相电压与相邻装置A相相位相差绝对值在120±10°时判断为与B、C相发生误接线情况；当该装置A相电压接线无误后进行下一步骤，否则记录该装置编号并反馈给电能质量监测系统。

3.根据权利要求1所述的电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：取同一时刻电能质量监测装置A、B、C三相电压十个周波数据，检测是否存在漏相或故障情况，若存在则反馈给电能质量监测系统，若无漏相或故障情况，则对电压信号进行对称分量法分解，得到正序、负序与零序电压，然后利用电压回路误接线类型判定表进行判断：当出现误接线情况时，记录该监测装置标号与电压回路误接线类型。

4.根据权利要求1所述的电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法，其特征在于：所述步骤5的具体实现方法为：当A相电压确定为正确时，若检测出B、C两相电压出现极性相反与相序问题时则利用该类错误的数据校正方式对数据进行校正，校正方式为对数据进行相位变换，当出现反极性则对向量旋转180°对应于数据采样点操作为反转变换，当相序错误时则对向量进行正向或反向旋转120°对应于数据采样点为平移变换，平移采样点个数为n₁₂₀，其计算公式如下：

其中f_s为该装置采样频率，f为工频。

5.根据权利要求1所述的电能质量在线监测装置接线错误自动检测与数据校正方法，其特征在于：所述步骤6的具体实施方法为：根据电流误接线类型，利用电流回路误接线相序校正表、电流回路误接线极性校正表及上述两个校正表的组合进行电流数据校正。