CN110658386B - 一种基于电容投切的户变关系识别方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电容投切的户变关系识别方法及系统。本发明的方法包括以下步骤：步骤一，分析实际电网中投切电容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。采用本发明进行户变识别，通过去负荷处理能有效较弱噪声干扰、增强特征频点强度，具有识别效果好、投切电流小、操作简单、发热少、体积小、易于小型化实现的优点。
Description
技术领域
本发明属于配电网自动化领域，涉及通过控制电容周期性投切在电网中特定频点产生满足特征码的电流信号，通过对变压器二次侧电流实时进行傅里叶分析和特征码匹配确定户变关系，具体地说是一种基于电容投切的户变关系识别方法及系统。
背景技术
户变关系是台区内各个计量电能表与台区供电变压器的归属关系。户变关系的准确性在电力营销业务运行中非常重要，是台区配电服务的基础，是配电方案规划的依据，是台区线损计算的依据，是台区用电质量优化的参考。但由于台区地形复杂、供电方式多样、负荷切换调整等原因，随着低压配电网建设与维护的开展，最初的户变关系逐步发生错误，错误越来越大，为后期电力营配业务的开展带来了不便。
传统的户变识别方法主要依靠人工巡线和停电识别，前者需要工作人员沿着线路逐条核对，该方法费时、费力，且仅适用于架空线路，后者需要造成用户侧短时停电，虽然识别效果好，但是影响了用户用电。近年来，随着载波通讯和大数据技术的发展，涌现了许多智能方法，主要包括介入式和非介入式两种：非介入式方法利用电网现有设备和采集数据，通过数据相关性分析，确定户变关系，如利用过零相关性识别、整点电压曲线相关性识别、停电记录相关性识别等，此类方法无法保证识别准确性和可靠性；介入式方法通过外加设备使得电网中产生特定特征，通过对特征的识别确定户变关系，如工频电压、电流畸变识别，此类方法识别成功率高，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，提供一种基于电容投切的户变关系识别方法及系统，其通过对低压用电网谐波电流的分析，选取谐波成分少，分流、衰减相对较弱的频点，以开关周期性控制电容通断的形式投切特征码谐波电流信号，通过傅里叶分析和特征码匹配实现户变关系识别。
为实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：一种基于电容投切的户变关系识别方法，其包括：
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。
本发明通过控制电容投切在电网中特定频点产生满足特征码的电流信号，通过对变压器二次侧电流实时进行频域分析确定户变关系。本发明通过电容投切的方式在电网中产生特定规律的电流信号，通过无功电流进行识别，发热少、体积小，成本低、易于设备小型化实现。
进一步地，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fc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fc的整数倍两侧各50Hz处产生两个幅值相等、频率为fi1、fi2的谐波电流，i＝1,2,...,M，其中M为自然数，满足fi2-ifc＝ifc-fi1＝50Hz。
进一步地，步骤二中，设置采样频率为5kHz，投切开关频率为fc＝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。
进一步地，步骤三中，占空比为1/3。
进一步地，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。
进一步地，步骤五中，采用相邻周波相减的方式进行去负荷处理，针对步骤三和步骤四中的投切信号，由于信号本身的通断特性，该去负荷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。
本发明采用的另一种技术方案为：一种基于电容投切的户变关系识别系统，其包括：
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。
进一步地，所述的信号生成及占空比确定单元中，占空比为1/3。
进一步地，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 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，采用相邻周波相减的方式进行去负荷处理。
本发明为一种基于电容投切的户变关系识别方法及系统，将开关和固定容值的电容串联接入低压用电网零火线中，通过控制开关周期性通断在电网中特定频点产生满足特征码的谐波信号，通过傅里叶分析和特征码匹配确定户变关系。采用本发明进行户变识别，通过去负荷处理能有效较弱噪声干扰、增强特征频点强度，具有识别效果好、投切电流小、操作简单、发热少、体积小、易于小型化实现的优点，具有很好的工程适用性和推广价值。
附图说明
图1为本发明一种基于电容投切的户变关系识别方法的流程图；
图2为本发明投切电容在电网中产生的电流信号波形；
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，本发明一种基于电容投切的户变关系识别方法，包括以下步骤：
(1)分析实际电网中电容投切方式产生电流信号的特点，在工频50Hz电压网中，通过开关控制固定容值电容以开关频率fc周期性通断，会在电网中产生谐波电流信号，主要成分包括50Hz电流信号，在fc的整数倍两侧各50Hz处产生两个幅值相等、频率为fi1、fi2(i＝1,2,...M)的谐波电流，满足fi2-ifc＝ifc-fi1＝50Hz。若选取容值为8.8μF电容进行投切，占空比设置为1/3，则实际在电网中产生的电流信波形图和频谱图分别如图2和图3所示。
(2)根据电网负荷电流特征确定采样频率和投切频点，为了增加本发明在低压台区应用推广的适用性，本发明在确定采样率和投切频点方面做如下考虑：
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5kHz，因此，这里选用采样频率Fs＝5kHz；
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，对于投切电容方式产生的所有谐波电流，如图3所示，由于谐波成分过于复杂，这里只对主要成分进行分析。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5kHz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 不同投切周期馈线主要谐波电流分析
表一中，投切周期点数表示5kHz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fc＝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，根据电容电流计算公式可知，
在容值一定的前提下，通过电容的电流与电容两端电压的变化率有关，投切电容的过程就是电容器随着电压的正弦变化在开关接通过程中进行正向充电和反向放电的过程，根据电容的充放电特性可知，对于fc＝833.3Hz的开关频率，一个投切周期为1.2ms，若占空比过小，则开关接通的时间短，断开的时间长，相邻两次接通对应的电压变压率大，接通瞬间产生的脉冲电流较大，更有利于识别，但是电流大相对会对电网引入干扰；若占空比过小，则接通瞬间产生的电流减小，不利于识别，本发明中取占空比为1/3。
(4)投切信号编码，确定发送特征码，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 11 0 0 1]时，投切一次耗时2.4秒。具体编码方式如图4所示，前四位[1 0 1 0]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，导致直接用傅里叶分析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，噪声干扰被减弱，待提取信号f1和f2的强度反而增大了。这是由于本发明投切开关频率fc＝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5kHz采样率对变压器二次侧电流进行实时采样分析，采用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。
实施例2
本实施例提供一种基于电容投切的户变关系识别系统，其包括：
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。
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。
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 (6)
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fc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fc的整数倍两侧各50Hz处产生两个幅值相等、频率为fi1、fi2的谐波电流，i＝1，2，...，M，其中M是自然数，满足fi2-ifc＝ifc-fi1＝50Hz；
步骤二中，设置采样频率为5kHz，投切开关频率为fc＝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。
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。
3.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。
4.一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fc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fc的整数倍两侧各50Hz处产生两个幅值相等、频率为fi1、fi2的谐波电流，i＝1，2，...，M，其中M是自然数，满足fi2-ifc＝ifc-fi1＝50Hz；
所述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fc＝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。
5.根据权利要求4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。
6.根据权利要求4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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