CN110658397B - 一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法及系统 - Google Patents

一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法及系统。本发明户变关系识别方法采用的技术方案包括：步骤一，以电阻投切的方式，通过开关管周期通断，在电网中产生特定频率的电流信号；步骤二，实时检测变压器二次侧的电流信号；步骤三，采用滑动DFT算法，提取特定频率的电流信号；步骤四，解码，通过比较解码码段与投切发送码段确定户变关系，通过比较三相投切谐波电流大小确定相位。本发明以电阻投切的方式在电网中产生一定规律的电流信号，通过在变压器二次侧检测该规律信号有无确定户变关系；本发明实现简单、识别准确、电网友好，只需要投切很小的电流就能通过频域识别确定户变关系，不影响用户设备。

Description

一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法及系统
技术领域
本发明属于配电网自动化领域，涉及利用电网设备工作产生的电流频域特性识别电能表和变压器的归属关系，具体地说是一种基于电阻投切和频域分析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用电客户与台区供电变压器的供电归属关系。户变关系不明确，会造成台区及分相线损分析数据误差大，业扩新增负荷安排不合理、影响负载均衡，降低远程费控及远程充值成功率等问题，影响这些基础业务的开展实施，也进一步制约了深化应用业务的开展。当户变关系掌握不准确台区发生事故需要抢修时，因负荷隶属关系数据错误，会影响抢修策略的合理性、安全性以及抢修项目的及时性。因此，户变关系识别对于低压台区的业务管理和深化应用具有重要作用。
实际户变识别场景主要包括两类：1)架空线台区，多见于农网台区，由于架空线线路清晰可见，可通过人力巡线方式理清户变关系；2)地缆台区，多见于经济发达、人口密集的城网台区，往往通过用电信息采集系统记录户变对应关系，台区施工改造过程中易发生档案更新不及时或更新错误导致的户变关系混乱。由于电缆长埋地下，无法进行人工巡线，可采用停电方法进行识别，该方法虽然识别效果好，却严重影响用户用电，无法广泛采用。近年来，由于载波技术的迅猛发展和营配一体化的深化建设，为户变识别提供了海量数据资源，涌现了许多新方法：一类是基于数据相关性的方法，如基于工频过零序列相关性、停电记录相关性、整点电压线相关性等，这些方法受时钟同步性、采样误差、台区串扰等因素影响，无法保证100％准确；另一类是工频电压、电流畸变的方法，该类方法需要造成瞬间短路在电压、电流上产生巨大脉冲，才能实现识别，会引起电网电压、电流的巨大波动，控制不好会危害用户设备，且推广成本高。
因此，需要寻找一种识别精度高、电网友好、易于推广使用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，提供一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法及系统，首先采用电阻投切的方式在电网中产生特定频率的电流信号，其次对变压器二次侧电流进行采样，通过滑动DFT算法提取投切频点电流分量，最后进行解码分析，通过比较解码码段与投切发送码段确定户变关系，通过比较三相投切谐波电流大小确定相位。
为实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法，其包括：
步骤一，以电阻投切的方式，通过开关管周期通断，在电网中产生特定频率的电流信号；
步骤二，实时检测变压器二次侧的电流信号；
步骤三，采用滑动DFT算法，提取特定频率的电流信号；
步骤四，解码，通过比较解码码段与投切发送码段确定户变关系，通过比较三相投切谐波电流大小确定相位。
本发明通过电阻投切的方式在电网中产生特定规律电流信号，通过频域分析方法确定户变关系。
进一步地，步骤一中，将开关管与电阻串联接入电网零火线之间，通过控制开关管周期性通断在电网中产生幅值相等的两个频率的谐波电流信号，所述的两个频率f1、f2分别位于开关频率fc的两侧间隔50Hz处，即f2-fc＝fc-f1＝50Hz，A1＝A2，其中A1、A2分别表示f1、f2处的信号幅值。
进一步地，步骤三中，根据滑动DFT算法提取检测电流信号中投切信号的频域分量，其中滑动DFT算法提取频率为fn的频域分量计算公式为：
Figure BDA0002198106440000021
Figure BDA0002198106440000022
其中，an,bn,cn分别表示频率为fn的谐波的实部、虚部和模值，
Figure BDA0002198106440000023
θ表示当前相角，T表示一个周期的数据点数，t0为表示起始数据点，k表示采样点序号，dt表示采样时间间隔，
Figure BDA0002198106440000024
表示电流采样值，将投切产生的两个频点的频域特征的和作为投切信号的总特征，即
Figure BDA0002198106440000025
f1、f2分别表示投切产生的两个频点，
Figure BDA0002198106440000026
表示相应的频域特征，cf为投切信号总特征。
进一步地，步骤四中，对变压器二次侧母线三相电流进行采样分析，通过解码码段与投切发送码段进行比较，确定被识别点与变压器的归属关系，实时计算解码码段整体电流均值，通过比较识别结束时三相解码码段电流均值确定所在相位。
本发明采用的另一种技术方案如下：一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别系统，其包括：
电流信号产生单元：以电阻投切的方式，通过开关管周期通断，在电网中产生特定频率的电流信号；
电流信号检测单元：实时检测变压器二次侧的电流信号；
电流信号提取单元：采用滑动DFT算法，提取特定频率的电流信号；
相位确定单元：解码，通过比较解码码段与投切发送码段确定户变关系，通过比较三相投切谐波电流大小确定相位。
进一步地，所述的电流信号提取单元中，根据滑动DFT算法提取检测电流信号中投切信号的频域分量，其中滑动DFT算法提取频率为fn的频域分量计算公式为：
Figure BDA0002198106440000031
Figure BDA0002198106440000032
其中，an,bn,cn分别表示频率为fn的谐波的实部、虚部和模值，
Figure BDA0002198106440000033
θ表示当前相角，T表示一个周期的数据点数，t0为表示起始数据点，k表示采样点序号，dt表示采样时间间隔，
Figure BDA0002198106440000034
表示电流采样值，将投切产生的两个频点的频域特征的和作为投切信号的总特征，即
Figure BDA0002198106440000035
f1、f2分别表示投切产生的两个频点，
Figure BDA0002198106440000036
表示相应的频域特征，cf为投切信号总特征。
进一步地，所述的相位确定单元中，对变压器二次侧母线三相电流进行采样分析，通过解码码段与投切发送码段进行比较，确定被识别点与变压器的归属关系，实时计算解码码段整体电流均值，通过比较识别结束时三相解码码段电流均值确定所在相位。
进一步地，所述的电流信号产生单元中，将开关管与电阻串联接入电网零火线之间，通过控制开关管周期性通断在电网中产生幅值相等的两个频率的谐波电流信号，所述的两个频率f1、f2分别位于开关频率fc的两侧间隔50Hz处，即f2-fc＝fc-f1＝50Hz，A1＝A2，其中A1、A2分别表示f1、f2处的信号幅值。
本发明为一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法及系统，以电阻投切的方式在电网中产生特定规律的电流信号，通过在变压器二次侧检测该规律信号有无确定户变关系。此方法实现简单、识别准确、电网友好，只需要投切很小的电流就能通过频域识别确定户变关系，不影响用户设备；同时，可以对数据进行边缘计算，仅将结果上传到主站。
附图说明
图1为本发明一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法的流程图；
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为本发明投切电阻产生电流信号的频谱图；
图4为本发明滑动DFT算法解码示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述，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，本发明一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法，包括以下步骤：
(1)选用311Ω电阻与MOS管串联接入低压电网零火线之间，通过芯片输出PWM波控制MOS以通400μs，断800μs，周期为1.2ms，开关频率为fc＝833.3Hz的方式进行电阻投切。在电网中产生电流波形如图2所示，相应的频谱如图3所示，可以发现，电阻投切会在电网中产生幅值相等的两个频率的谐波电流，谐波频率f1、f2分别位于开关频率fc的两侧间隔50Hz处，这里f1＝783.3Hz、f2＝883.3Hz，A1＝A2＝0.2887。为了方便后续识别确定户变关系，需对投切电流信号进行编码，若电阻满足上述投切规律，则认为该码位表示1，若电阻不进行投切(即MOS管常断)，则认为该码位为0。为了减少电网背景噪声的干扰，可设置投切码位为8位编码，如[1 0 1 1 1 0 0 1]，每一位的长度应选为投切信号和工频周波的整周期倍，如在投切周期为1.2ms，工频周期为20ms时，滑动窗应选为60ms的整数倍。
(2)对变压器二次侧电流信号进行检测，信号采样率应满足奈奎斯特采样定理。
(3)采用滑动DFT算法对检测电流信号进行频域分析，提取频率为f1和f2的频域特征
Figure BDA0002198106440000041
和
Figure BDA0002198106440000042
滑动窗大小需与投切发送一位码位的长度保持一致。计算投切信号的总特征，
Figure BDA0002198106440000043
其中滑动DFT算法提取频率为fn的频域特征的计算公式如下：
Figure BDA0002198106440000044
Figure BDA0002198106440000051
其中，an,bn,cn分别表示频率为fn的谐波的实部、虚部和模值，
Figure BDA0002198106440000052
T表示一个周期的数据点数，t0为表示起始数据点，k表示采样点序号，dt表示采样时间间隔，
Figure BDA0002198106440000053
表示电流采样值。
(4)信号解码。设置解码窗，大小需与投切发送码段一致，对滑动DFT提取的投切特征进行滑动解码窗解码，解码阈值
Figure BDA0002198106440000054
通过解码窗内投切信号特征的整体均值计算获得，通过比较解码窗内相应投切特征值cf与阈值的大小确定解码结果，若
Figure BDA0002198106440000055
则认为该码位为1，否则该码位为0，从而确定解码码段，将解码码段与投切发送码段比较，若二者一致，则认为被识别点属于该变压器，否则认为被识别点不属于该变压器。通过检测到投切发送码位和时间超时控制检测过程，滑动窗随着时间推移对变压器二次侧电流进行动态采样提取，若在超时时间内检测到投切发送码位，则马上结束识别过程，被识别点属于该变压器；若达到超时时间仍未识别到投切发送码位，则结束识别过程，被识别点不属于该变压器。
另外，对三相电流同时进行步骤(2)～步骤(4)的操作，由于电流信号在变压器中性点处会发生分流，若在A相与零线之间进行投切，则在B相和C相上也可能会检测投切发送码段，但是分流对应的电流值很小，现场试验表明，投切分流大小约为母线侧投切电流的1/50～1/10。因此，对三相电流同时采样解码，对解码码段与投切发送码段一致识别结束时，解码码段平均电流大小进行比较，电流最大的那一相，即为被识别点所在相。
实施例2
本实施例提供一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别系统，其包括：
电流信号产生单元：以电阻投切的方式，通过开关管周期通断，在电网中产生特定频率的电流信号；
电流信号检测单元：实时检测变压器二次侧的电流信号；
电流信号提取单元：采用滑动DFT算法，提取特定频率的电流信号；
相位确定单元：解码，通过比较解码码段与投切发送码段确定户变关系，通过比较三相投切谐波电流大小确定相位。
所述的电流信号产生单元中，将开关管与电阻串联接入电网零火线之间，通过控制开关管周期性通断在电网中产生幅值相等的两个频率的谐波电流信号，所述的两个频率f1、f2分别位于开关频率fc的两侧间隔50Hz处，即f2-fc＝fc-f1＝50Hz，A1＝A2，其中A1、A2分别表示f1、f2处的信号幅值。
所述的电流信号提取单元中，根据滑动DFT算法提取检测电流信号中投切信号的频域分量，其中滑动DFT算法提取频率为fn的频域分量计算公式为：
Figure BDA0002198106440000061
Figure BDA0002198106440000062
其中，an,bn,cn分别表示频率为fn的谐波的实部、虚部和模值，
Figure BDA0002198106440000063
θ表示当前相角，T表示一个周期的数据点数，t0为表示起始数据点，k表示采样点序号，dt表示采样时间间隔，
Figure BDA0002198106440000064
表示电流采样值，将投切产生的两个频点的频域特征的和作为投切信号的总特征，即
Figure BDA0002198106440000065
f1、f2分别表示投切产生的两个频点，
Figure BDA0002198106440000066
表示相应的频域特征，cf为投切信号总特征。
所述的相位确定单元中，对变压器二次侧母线三相电流进行采样分析，通过解码码段与投切发送码段进行比较，确定被识别点与变压器的归属关系，实时计算解码码段整体电流均值，通过比较识别结束时三相解码码段电流均值确定所在相位。
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)

1.一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法，其特征在于，包括：
步骤一，以电阻投切的方式，通过开关管周期通断，在电网中产生特定频率的电流信号；
步骤二，实时检测变压器二次侧的电流信号；
步骤三，采用滑动DFT算法，提取特定频率的电流信号；
步骤四，解码，通过比较解码码段与投切发送码段确定户变关系，通过比较三相投切谐波电流大小确定相位；
步骤一中，将开关管与电阻串联接入电网零火线之间，通过控制开关管周期性通断在电网中产生幅值相等的两个频率的谐波电流信号，所述的两个频率f1、f2分别位于开关频率fc的两侧间隔50Hz处，即f2-fc＝fc-f1＝50Hz，A1＝A2，其中A1、A2分别表示f1、f2处的信号幅值；
步骤三中，根据滑动DFT算法提取检测电流信号中投切信号的频域分量，其中滑动DFT算法提取频率为fn的频域分量计算公式为：
Figure FDA0003383401010000011
Figure FDA0003383401010000012
其中，an,bn,cn分别表示频率为fn的谐波的实部、虚部和模值，
Figure FDA0003383401010000013
θ表示当前相角，T表示一个周期的数据点数，t0为表示起始数据点，k表示采样点序号，dt表示采样时间间隔，
Figure FDA0003383401010000014
表示电流采样值，将投切产生的两个频点的频域特征的和作为投切信号的总特征，即
Figure FDA0003383401010000015
f1、f2分别表示投切产生的两个频点，
Figure FDA0003383401010000016
表示相应的频域特征，cf为投切信号总特征。
2.根据权利要求1所述的一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别方法，其特征在于，步骤四中，对变压器二次侧母线三相电流进行采样分析，通过解码码段与投切发送码段进行比较，确定被识别点与变压器的归属关系，实时计算解码码段整体电流均值，通过比较识别结束时三相解码码段电流均值确定所在相位。
3.一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别系统，其特征在于，包括：
电流信号产生单元：以电阻投切的方式，通过开关管周期通断，在电网中产生特定频率的电流信号；
电流信号检测单元：实时检测变压器二次侧的电流信号；
电流信号提取单元：采用滑动DFT算法，提取特定频率的电流信号；
相位确定单元：解码，通过比较解码码段与投切发送码段确定户变关系，通过比较三相投切谐波电流大小确定相位；
所述的电流信号产生单元中，将开关管与电阻串联接入电网零火线之间，通过控制开关管周期性通断在电网中产生幅值相等的两个频率的谐波电流信号，所述的两个频率f1、f2分别位于开关频率fc的两侧间隔50Hz处，即f2-fc＝fc-f1＝50Hz，A1＝A2，其中A1、A2分别表示f1、f2处的信号幅值；
所述的电流信号提取单元中，根据滑动DFT算法提取检测电流信号中投切信号的频域分量，其中滑动DFT算法提取频率为fn的频域分量计算公式为：
Figure FDA0003383401010000021
Figure FDA0003383401010000022
其中，an,bn,cn分别表示频率为fn的谐波的实部、虚部和模值，
Figure FDA0003383401010000023
θ表示当前相角，T表示一个周期的数据点数，t0为表示起始数据点，k表示采样点序号，dt表示采样时间间隔，
Figure FDA0003383401010000024
表示电流采样值，将投切产生的两个频点的频域特征的和作为投切信号的总特征，即
Figure FDA0003383401010000025
f1、f2分别表示投切产生的两个频点，
Figure FDA0003383401010000026
表示相应的频域特征，cf为投切信号总特征。
4.根据权利要求3所述的一种基于电阻投切和频域分析的户变关系识别系统，其特征在于，所述的相位确定单元中，对变压器二次侧母线三相电流进行采样分析，通过解码码段与投切发送码段进行比较，确定被识别点与变压器的归属关系，实时计算解码码段整体电流均值，通过比较识别结束时三相解码码段电流均值确定所在相位。
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