CN113109664A - 一种基于小波奇异熵的电压暂降源定位方法 - Google Patents

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黄杰
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Abstract

本发明涉及一种基于小波奇异熵的电压暂降源定位方法，包括以下步骤：对应电网上下游节点间隔设置监测装置，电压暂降事件发生后，读取各监测装置上的电路数据；通过各节点电压暂降时和暂降后的电路数据，获取各节点各时刻的加权瞬时功率；由各节点各时刻的加权瞬时功率组成各节点的加权瞬时功率信号；对各节点的加权瞬时功率信号分别依次进行小波变换、奇异值分解和信息熵处理，得到得到各节点加权瞬时功率信号的小波奇异熵；寻找各节点最优小波奇异熵；根据各节点最优小波奇异熵判断电压暂降源位置。本发明采用信息熵的思想，熵值越大，则不确定度越大，根据电网中各节点熵值的变化能够确定电压暂降源的位置。

Description

一种基于小波奇异熵的电压暂降源定位方法
技术领域
本发明涉及一种基于小波奇异熵的电压暂降源定位方法，属于电网故障分析技术领域。
背景技术
电压暂降主要由故障引起的，故障包括短路故障(三相对称短路、单相短路接地故障、两相短路、两相短路接地)、变压器空载激磁、大电机的启动等。电压暂降事件可能发生在输电线路上、配电系统、微电网，其发生频率可达每年几千次。这种现象是电能质量最重要的扰动之一，对工业行业造成了巨大的经济损失。在发达国家中，电压暂降问题投诉量占总体电能质量问题投诉数量的大部分，而由谐波、开关操作过电压等其他原因所引起的电能质量问题投诉数量所占比例不足20％。因此，对于电压暂降源诊断、定位，可界定供电用户双方的责任，也为制定缓和策越提供参考和依据。
但是，现有的电压暂降源定位方法，有许多的限制和不足：大多在辐射型电网中有效的定位方法，无法应用于环形电网中，以及当电压暂降跨电压等级传播时，定位方法的准确性将大大降低；需要特定的监测装置，仅采取电压电流的录波数据不能满足要求；除此之外造成电压暂降的类型也与定位有很大的关系。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种基于小波奇异熵的电压暂降源定位方法，该定位方法采用信息熵的思想，熵值越大，则不确定度越大，根据电网中各节点熵值的变化能够确定电压暂降源的位置。
本发明的技术方案如下：
一种基于小波奇异熵的电压暂降源定位方法，包括以下步骤：
对应电网上下游节点间隔设置监测装置，电压暂降事件发生后，读取各监测装置上的电路数据；所述监测装置监测并记录每一时刻所连节点的电路数据；所述读取电压暂降发生后各装置的电路数据，包括读取电压暂降时各装置上的电路数据和电压暂降后各装置的电路数据；
通过各节点电压暂降时的电路数据，获取各节点电压暂降时的各时刻瞬时功率；通过各节点电压暂降后的电路数据，获取各节点电压暂降后各时刻的瞬时功率；根据各节点电压暂降时和电压暂降后各时刻的瞬时功率，获取各节点各时刻的加权瞬时功率；由各节点各时刻的加权瞬时功率组成各节点的加权瞬时功率信号；
对各节点的加权瞬时功率信号分别进行小波变换，得到若干小波系数矩阵；对各小波系数矩阵进行奇异值分解，得到若干组与各节点对应的奇异值；对各组奇异值分别进行信息熵处理，得到各节点加权瞬时功率信号的小波奇异熵；
寻找各节点最优小波奇异熵；根据各节点最优小波奇异熵判断电压暂降源位置。
进一步的，所述电路数据包括三相瞬时电压、三相瞬时电流和正序电流。
进一步的，所述电压暂降时的瞬时功率包括电压暂降时的三相瞬时有功功率p(t)和电压暂降时的三相瞬时无功功率q(t)，其中t为对应时刻，公式如下：
p(t)＝va(t)ia(t)+vb(t)ib(t)+vc(t)ic(t)；
q(t)＝v(t)iq(t)；
其中，va(t)、vb(t)和vc(t)为电压暂降时的三相瞬时电压；ia(t)、ib(t)和ic(t)为电压暂降时的三相瞬时电流；iq(t)为电压暂降时的正序电流；
所述电压暂降后的瞬时功率包括电压暂降后的三相瞬时有功功率pf(t)和三相瞬时无功功率qf(t)，公式如下：
pf(t)＝vfa(t)ifa(t)+vfb(t)ifb(t)+vfc(t)ifc(t)；
qf(t)＝vf(t)ifq(t)；
其中，vfa(t)、vfb(t)和vfc(t)为电压暂降后的三相瞬时电压；ifa(t)、ifb(t)和ifc(t)为电压暂降后的三相瞬时电流；ifq(t)为Δp(t)电压暂降后的正序电流。
进一步的，加权瞬时功率包括加权瞬时有功功率pM(t)和加权瞬时无功功率qM(t)，公式如下：
pM(t)＝αΔp(t)+p(t)；
qM(t)＝βΔq(t)+q(t)；
其中，α和β分别为有功功率扰动量权重和无功功率扰动量权重；Δp(t)和Δq(t)分别为有功功率扰动量和无功功率扰动量，公式如下：
Δp(t)＝pf(t)-p(t)；
Δq(t)＝qf(t)-q(t)。
进一步的，所述寻找各节点最优小波奇异熵以及加权瞬时功率各部分权重；根据各节点最优小波奇异熵判断电压暂降源位置的具体步骤为：
计算小波奇异熵方差σ(α,β)，公式如下：
Figure BDA0003001838320000031
其中WSEi为第i个节点的小波奇异熵值，
Figure BDA0003001838320000032
为所有节点的小波奇异熵的均值；所述小波奇异熵方差包括有功功率小波奇异熵方差和无功功率小波奇异熵方差；
设定区间Ω、精度θ和初始值τ；以θ为精度，α＝β＝τ为初始状态，遍历区间α,β∈Ω，输出方差取极大值时对应的各节点最优小波奇异熵和最优权重α、β的值；
对比相邻节点之间的最优小波奇异熵，判断电压暂降源与各节点的位置关系；若该节点的最优小波奇异熵大于上游节点的最优小波奇异熵，则电压暂降源位于该节点上游否则位于该节点下游。
本发明具有如下有益效果：
1、该电压暂降源定位方法将各节点的波形转换为无量纲的小波奇异熵值，对电压暂降源进行判断，准确性更高。
2、该电压暂降源定位方法融合了小波变换、奇异值分解和信息熵三种均能反应电压暂降源位置的方法，形成小波奇异熵，能够快速提取出故障信息。
3、该电压暂降源定位方法通过改变扰动功率与正常功率对小波奇异熵的贡献权重，来寻找小波奇异熵方差较大的情况，使小波奇异熵具有良好的辨识度，避免出现上下游的小波奇异熵相差不大，造成定位不准确的情况。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为本发明的小波奇异熵的取值流程图。
图3为本发明一实施例的流程图。
图4为本发明一实施例的反射式电网结构拓扑图。
图5为本发明一实施例的方差与权重的函数图。
图6为本发明一实施例的各节点小波奇异熵值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
参见图1-6，一种基于小波奇异熵的电压暂降源定位方法，包括以下步骤：
对应电网上下游节点间隔设置监测装置，电压暂降事件发生后，读取各监测装置上的电路数据；所述监测装置监测并记录每一时刻所连节点的电路数据；所述读取电压暂降发生后各装置的电路数据，包括读取电压暂降时各装置上的电路数据和电压暂降后各装置的电路数据；
通过各节点电压暂降时的电路数据，获取各节点电压暂降时的各时刻瞬时功率；通过各节点电压暂降后的电路数据，获取各节点电压暂降后各时刻的瞬时功率；根据各节点电压暂降时和电压暂降后各时刻的瞬时功率，获取各节点各时刻的加权瞬时功率；由各节点各时刻的加权瞬时功率组成各节点的加权瞬时功率信号；
对各节点的加权瞬时功率信号分别进行小波变换，得到若干小波系数矩阵；对各小波系数矩阵进行奇异值分解，得到若干组与各节点对应的奇异值；对各组奇异值分别进行信息熵处理，得到各节点加权瞬时功率信号的小波奇异熵；
寻找各节点最优小波奇异熵；根据各节点最优小波奇异熵判断电压暂降源位置。
所述电路数据包括三相瞬时电压、三相瞬时电流和正序电流。
所述电压暂降时的瞬时功率包括电压暂降时的三相瞬时有功功率p(t)和电压暂降时的三相瞬时无功功率q(t)，其中t为对应时刻，公式如下：
p(t)＝va(t)ia(t)+vb(t)ib(t)+vc(t)ic(t)；
q(t)＝v(t)iq(t)；
其中，va(t)、vb(t)和vc(t)为电压暂降时的三相瞬时电压；ia(t)、ib(t)和ic(t)为电压暂降时的三相瞬时电流；iq(t)为电压暂降时的正序电流；
所述电压暂降后的瞬时功率包括电压暂降后的三相瞬时有功功率pf(t)和三相瞬时无功功率qf(t)，公式如下：
pf(t)＝vfa(t)ifa(t)+vfb(t)ifb(t)+vfc(t)ifc(t)；
qf(t)＝vf(t)ifq(t)；
其中，vfa(t)、vfb(t)和vfc(t)为电压暂降后的三相瞬时电压；ifa(t)、ifb(t)和ifc(t)为电压暂降后的三相瞬时电流；ifq(t)为Δp(t)电压暂降后的正序电流。
加权瞬时功率包括加权瞬时有功功率pM(t)和加权瞬时无功功率qM(t)，公式如下：
pM(t)＝αΔp(t)+p(t)；
qM(t)＝βΔq(t)+q(t)；
其中，α和β分别为有功功率扰动量权重和无功功率扰动量权重；Δp(t)和Δq(t)分别为有功功率扰动量和无功功率扰动量，公式如下：
Δp(t)＝pf(t)-p(t)；
Δq(t)＝qf(t)-q(t)。
所述寻找各节点最优小波奇异熵以及加权瞬时功率各部分权重；根据各节点最优小波奇异熵判断电压暂降源位置的具体步骤为：
计算小波奇异熵方差σ(α,β)，公式如下：
Figure BDA0003001838320000051
其中WSEi为第i个节点的小波奇异熵值，
Figure BDA0003001838320000052
为所有节点的小波奇异熵的均值；所述小波奇异熵方差包括有功功率小波奇异熵方差和无功功率小波奇异熵方差；
设定区间Ω、精度θ和初始值τ；以θ为精度，α＝β＝τ为初始状态，遍历区间α,β∈Ω，输出方差取极大值时对应的各节点最优小波奇异熵和最优权重α、β的值；
对比相邻节点之间的最优小波奇异熵，判断电压暂降源与各节点的位置关系；若该节点的最优小波奇异熵大于上游节点的最优小波奇异熵，则电压暂降源位于该节点上游否则位于该节点下游。
参见图1-6，本发明的工作原理如下：
在本发明的一实施例中，参见图3-6，采用IEEE14标准节点，在MATLAB中的simulink进行仿真验算。共设置单相接地、相间接地和三相接地共三种故障；其中电能质量检测器(PQM)安装在1、3、6和8共四个节点上；测量电流为节点1-2、1-5、3-2、3-4、6-11和6-13所连支路电流；故障F1设置在支路6-12上，故障F2设置在支路1-2上，其余故障F3、F4和F5位置参见图4，其中，每个故障点包含三种故障类型，因此共有3*5＝15种情况；PQM的采样频率为20KHz，故障持续时间为0.1～0.15s。
PQM采集电路数据后，对电路数据进行处理，得到节点1、3、6和8的加权瞬时功率，由各节点各时刻的加权瞬时功率组成个节点的加权瞬时功率信号。
将各节点的加权瞬时功率信号分别采用db4，分解层数为8层的小波进行变换，得到各节点的系数矩阵A，其中，母小波为：
Figure BDA0003001838320000061
再将各小波系数矩阵分别进行奇异值分解，得到若干组奇异值，分解如下：
AM×N＝UM×MΛVN×N T；
将各组奇异值分别采用信息熵处理，处理如下：
Figure BDA0003001838320000062
其中WSE(pM(t),qM(t))为pM(t)、qM(t)的熵。
计算小波奇异熵方差σ(α,β)，公式如下：
Figure BDA0003001838320000063
以α＝β＝0为初始状态，精度0.1搜寻最优小波奇异熵，输出小波奇异熵方差取极大值时，对应的各节点小波奇异熵及α、β的值。在本实施例中，参见图5，有功功率小波奇异熵方差在α＝1.7时取极大值，无功功率小波奇异熵方差在β＝0.2时取极大值；
输出各节点在不同故障情况下的有功功率小波奇异熵和无功功率小波奇异熵，参见图6，根据相邻节点小波奇异熵判断电压暂降源位置。
对比相邻节点的小波奇异熵，判断电压暂降源位置，由图6可知，通过有功功率和无功功率小波奇异熵值判定，故障F2(单相接地短路、两相接地短路、三相接地短路)位于PQM1的上游，在PQM2、3、4的下游。除故障F1在PQM3的上下游判断错误外，但故障离监测装置PQM3最近判断正确，其余故障在结合WSE的有功功率和无功功率下，均判定准确，上下游判断准确率为90％。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于小波奇异熵的电压暂降源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
对应电网上下游节点间隔设置监测装置，电压暂降事件发生后，读取各监测装置上的电路数据；所述监测装置监测并记录每一时刻所连节点的电路数据；所述读取电压暂降发生后各装置的电路数据，包括读取电压暂降时各装置上的电路数据和电压暂降后各装置的电路数据；
通过各节点电压暂降时的电路数据，获取各节点电压暂降时的各时刻瞬时功率；通过各节点电压暂降后的电路数据，获取各节点电压暂降后各时刻的瞬时功率；根据各节点电压暂降时和电压暂降后各时刻的瞬时功率，获取各节点各时刻的加权瞬时功率；由各节点各时刻的加权瞬时功率组成各节点的加权瞬时功率信号；
对各节点的加权瞬时功率信号分别进行小波变换，得到若干小波系数矩阵；对各小波系数矩阵进行奇异值分解，得到若干组与各节点对应的奇异值；对各组奇异值分别进行信息熵处理，得到各节点加权瞬时功率信号的小波奇异熵；
寻找各节点最优小波奇异熵；根据各节点最优小波奇异熵判断电压暂降源位置。
2.根据权利要求1所述基于小波奇异熵扰动功率电压暂降源定位方法，其特征在于，所述电路数据包括三相瞬时电压、三相瞬时电流和正序电流。
3.根据权利要求2所述基于小波奇异熵扰动功率电压暂降源定位方法，其特征在于，所述电压暂降时的瞬时功率包括电压暂降时的三相瞬时有功功率p(t)和电压暂降时的三相瞬时无功功率q(t)，其中t为对应时刻，公式如下：
p(t)＝va(t)ia(t)+vb(t)ib(t)+vc(t)ic(t)；
q(t)＝v(t)iq(t)；
其中，va(t)、vb(t)和vc(t)为电压暂降时的三相瞬时电压；ia(t)、ib(t)和ic(t)为电压暂降时的三相瞬时电流；iq(t)为电压暂降时的正序电流；
所述电压暂降后的瞬时功率包括电压暂降后的三相瞬时有功功率pf(t)和三相瞬时无功功率qf(t)，公式如下：
pf(t)＝vfa(t)ifa(t)+vfb(t)ifb(t)+vfc(t)ifc(t)；
qf(t)＝vf(t)ifq(t)；
其中，vfa(t)、vfb(t)和vfc(t)为电压暂降后的三相瞬时电压；ifa(t)、ifb(t)和ifc(t)为电压暂降后的三相瞬时电流；ifq(t)为Δp(t)电压暂降后的正序电流。
4.根据权利要求3所述基于小波奇异熵扰动功率电压暂降源定位方法，其特征在于，加权瞬时功率包括加权瞬时有功功率pM(t)和加权瞬时无功功率qM(t)，公式如下：
pM(t)＝αΔp(t)+p(t)；
qM(t)＝βΔq(t)+q(t)；
其中，α和β分别为有功功率扰动量权重和无功功率扰动量权重；Δp(t)和Δq(t)分别为有功功率扰动量和无功功率扰动量，公式如下：
Δp(t)＝pf(t)-p(t)；
Δq(t)＝qf(t)-q(t)。
5.根据权利要求4所述基于小波奇异熵扰动功率电压暂降源定位方法，其特征在于，所述寻找各节点最优小波奇异熵以及加权瞬时功率各部分权重；根据各节点最优小波奇异熵判断电压暂降源位置的具体步骤为：
计算小波奇异熵方差σ(α,β)，公式如下：
Figure FDA0003001838310000021
其中WSEi为第i个节点的小波奇异熵值，
Figure FDA0003001838310000022
为所有节点的小波奇异熵的均值；所述小波奇异熵方差包括有功功率小波奇异熵方差和无功功率小波奇异熵方差；
设定区间Ω、精度θ和初始值τ；以θ为精度，α＝β＝τ为初始状态，遍历区间α,β∈Ω，输出方差取极大值时对应的各节点最优小波奇异熵和最优权重α、β的值；
对比相邻节点之间的最优小波奇异熵，判断电压暂降源与各节点的位置关系；若该节点的最优小波奇异熵大于上游节点的最优小波奇异熵，则电压暂降源位于该节点上游否则位于该节点下游。
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王艳松 等: "基于小波奇异熵和支持向量机的配电网故障类型识别", 《电力系统保护与控制》, vol. 39, no. 23, pages 16 - 20 *
郭倩: "基于扰动测度与证据理论的电能质量扰动源定位算法研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》, no. 11, pages 042 - 136 *

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