一種基于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換的諧波污染計(jì)算裝置

黃子龍

（福建億興電力設(shè)計(jì)院有限公司 福建省泉州市 362000）

1 計(jì)算裝置的算法概述

1.1 指標(biāo)數(shù)據(jù)集合

利用電網(wǎng)中個(gè)探測(cè)點(diǎn)中的信息收集裝置，頻率偏差、電壓幅值、電壓平衡、電壓波形和信號(hào)電壓等信號(hào)，分別用Ai、Bi、Ci、Di和Ei代表，通過(guò)微分漸進(jìn)算法研究各點(diǎn)的數(shù)值變化。假設(shè)探測(cè)點(diǎn)鐘的電能質(zhì)量分為兩種狀態(tài)，正常狀態(tài)和異常狀態(tài)，并將其設(shè)置為1 和0，各指標(biāo)的狀態(tài)表示分別為和，或者和E0，各個(gè)指標(biāo)所處的線路為L(zhǎng)i。其中，i 屬于{1,L,n}。那么各個(gè)線路電能質(zhì)量的變化計(jì)算公式為：

其中，λ 為各個(gè)指標(biāo)的變化綜合系數(shù)，0＜λ＜1。λ=0，各個(gè)指標(biāo)并未出現(xiàn)變化，原有線路的綜合指標(biāo)并未出現(xiàn)變化；λ ≠0，說(shuō)明各個(gè)線路的綜合指標(biāo)存在異常，要對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行判斷與分析[1,2]。λ 設(shè)置的意義是為了對(duì)線路進(jìn)行綜合評(píng)估，降低人為因素、自然因素的干擾，即事件的錯(cuò)誤判斷[2]。

1.2 約束條件

1.2.1 諧波變化的約束

由于諧波變化與電能質(zhì)量變化存在相關(guān)性，而存在諧波變化的線路與整個(gè)電網(wǎng)電能質(zhì)量之間為非線性關(guān)系，所以要對(duì)諧波變化進(jìn)行約束。假設(shè)電能質(zhì)量采集裝置為x，其總數(shù)為o，在第i 個(gè)線路下的變化為，其約束條件為：

其中，C(·)為線路的諧波綜合變化分布函數(shù)，V(·)為諧波變化的約束函數(shù)，ε 為諧波變化的最大值，保證諧波計(jì)算方法所取得的最小值為全局最小值，即提高諧波計(jì)算的準(zhǔn)確性。

1.2.2 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)約束

ψ 為電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的綜合結(jié)果，分為ψ增加和ψ減少，分別代表電能質(zhì)量變化，ψ增加代表電能質(zhì)量是由于智能設(shè)備的增加而降低，ψ減少代表電能質(zhì)量是由于用電企業(yè)過(guò)多而降低。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)約束公式：

其中，Ti為計(jì)算裝置檢測(cè)出電能質(zhì)量異常的時(shí)間，即對(duì)電能質(zhì)量線路進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查，為后續(xù)的電能質(zhì)量降低點(diǎn)分析提供支持。

1.2.3 時(shí)間約束

時(shí)間約束范圍的選擇，是約束條件的關(guān)鍵。約束范圍過(guò)大，會(huì)降低計(jì)算的準(zhǔn)確性，約束范圍過(guò)小，會(huì)增加計(jì)算的頻率，影響計(jì)算的效率。為了更加合理的進(jìn)行時(shí)間約束，要依據(jù)電能質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，確定時(shí)間約束范圍，具體計(jì)算公式如下[3]：

其中，Ti為諧波變化時(shí)間，ti為電能數(shù)據(jù)交換時(shí)間。

1.3 電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換與諧波變化閥值

圖1：諧波污染降噪結(jié)果

圖2：仿真結(jié)果

假設(shè)電能數(shù)據(jù)交換與諧波變化閥值為λ，其值與電能質(zhì)量變換之間密切相關(guān)。如果λ 閥值過(guò)高，會(huì)降低整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量，造成電網(wǎng)用戶中的設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行；閥值過(guò)低會(huì)增加電能質(zhì)量預(yù)警頻率，增加維修人員的維修成本。所以，電能數(shù)據(jù)交換與諧波變化閥值可以采用最短路徑方法，計(jì)算電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換與諧波污染之間的變化時(shí)間，以及兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間的最短路徑dij。假設(shè)U 代表出現(xiàn)諧波變化集合，C 代表電能質(zhì)量數(shù)據(jù)集合，L 代表電能質(zhì)量異常點(diǎn)到諧波變化點(diǎn)之間的距離，那么λ 的計(jì)算過(guò)程如下：

第1 步，構(gòu)建電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、諧波變化的矩陣Mij；

第2 步，計(jì)算每個(gè)Mij的特征矩陣M，求的最小值min（xi）和最大值max（xi），；

2 基于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換的諧波污染微分進(jìn)化算法

依據(jù)之前的數(shù)學(xué)描述，對(duì)諧波污染進(jìn)行微分進(jìn)化計(jì)算，以提高電能質(zhì)量變化的判斷效率和準(zhǔn)確性。

2.1 計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)的集合

先對(duì)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的集合進(jìn)行計(jì)算，即得到C=(Ai+Bi+Ci+Di+Ei)，然后得到各個(gè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置的集合x。其中，線路L={L1,L,Ln}。C 中的電能質(zhì)量變化的相鄰線路為L(zhǎng)i，對(duì)應(yīng)的采集裝置為和。其中，任何采集裝置要符合約束條件諧波綜合變化函數(shù)C(Ai+Bi+Ci+Di+ Ei)，就可以得到整個(gè)電網(wǎng)的諧波變化約束函數(shù)，如下所示：

表1：基于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換的諧波污染仿真結(jié)果[Popsize（n=8）]

依據(jù)上述約束函數(shù)，可以進(jìn)行基于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換的諧波污染計(jì)算。

2.2 求得電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換與諧波污染的閥值

依據(jù)諧波變化結(jié)果，如果電能質(zhì)量下降點(diǎn)＞2 個(gè)，那么不同的諧波變化之間的閥值計(jì)算如下：

（1）多個(gè)諧波變化點(diǎn)相鄰，線路交叉L 集合相同，那么電能質(zhì)量變化點(diǎn)可以看成同一點(diǎn)，無(wú)需進(jìn)行分別計(jì)算。

（2）多個(gè)諧波變化點(diǎn)相互獨(dú)立，中間無(wú)任何的交叉，且諧波變化方向，就要對(duì)相應(yīng)的電能質(zhì)量變化點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)算，主要依據(jù)各個(gè)諧波變化點(diǎn)的獨(dú)立線路Li、Li+1，以及諧波檢測(cè)裝置xi、xi+1，并獨(dú)立計(jì)算相應(yīng)的閥值。

（3）多個(gè)諧波變化點(diǎn)部分相關(guān)，其線路介于相關(guān)與獨(dú)立之間就要對(duì)多個(gè)諧波變化點(diǎn)、電能質(zhì)量數(shù)據(jù)、檢測(cè)裝置的位置進(jìn)行搜索，得到其IDxi

o。上述不同情況下的閥值計(jì)算公式，如下所示：

λi為現(xiàn)有諧波檢測(cè)數(shù)據(jù)與上一諧波檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，λi-1為現(xiàn)有諧波檢測(cè)與下一些不檢測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性，k 代表不同學(xué)科數(shù)據(jù)的關(guān)系，1=相關(guān)，2=完全不相關(guān)，3=部分相關(guān)。

2.3 電網(wǎng)中電能質(zhì)量變化點(diǎn)的定位

（1）先對(duì)電網(wǎng)中的檢測(cè)裝置進(jìn)行初始化，構(gòu)建檢測(cè)裝置的遍歷路徑，{電能質(zhì)量數(shù)據(jù)序號(hào)、上一探測(cè)裝置ID、諧波變化所在線路、遍歷探測(cè)裝置數(shù)}；

（3）再進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)計(jì)算時(shí)，要符合必要的約束條件。如果遍歷探測(cè)裝置總數(shù)等于0，要停止相關(guān)遍歷，否則進(jìn)行第2 步運(yùn)算。

3 案例故障分析

以10kV 電網(wǎng)為例，采用有源濾波器（ACTIVE POWER FLITER，APF）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，濾波器總數(shù)為8 個(gè)，探測(cè)電能質(zhì)量的線路為15 條，諧波變化點(diǎn)與電能質(zhì)量變化點(diǎn)之間的距離為50～200m 之間，一致性（1 代表不一致，0 代表一致），諧波變化范圍為5Hz～10Hz 之間，具體分析如下：

3.1 電能質(zhì)量異常判斷的時(shí)間

由表1 可知，L3線路與其探測(cè)裝置的不一致，其他線路均一致。在此一致條件下，諧波頻率、檢測(cè)時(shí)間均在預(yù)前要求的范圍內(nèi)，且檢測(cè)時(shí)間＜20s，符合實(shí)際要求。同時(shí)，其諧波污染與電能質(zhì)量之間的波形圖如圖1所示。

通過(guò)上述分析可知，處理后的諧波污染降噪效果比較理想，進(jìn)一步說(shuō)明基于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換的諧波污染計(jì)算裝置的有效。

3.2 故障定位的準(zhǔn)確性

對(duì)基于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換的諧波污染計(jì)算裝置進(jìn)行200 次的迭代計(jì)算，結(jié)果顯示：隨著計(jì)算迭代次數(shù)的增加，計(jì)算結(jié)果并未出現(xiàn)顯著性的變化，且計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性95%以，計(jì)算準(zhǔn)確性相對(duì)較高。如圖2所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出一種基于電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換的諧波污染計(jì)算裝置，該裝置通過(guò)對(duì)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)、諧波變化數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并構(gòu)建相應(yīng)的約束條件、閥值，計(jì)算電能質(zhì)量數(shù)據(jù)變化與諧波污染之間的關(guān)系，通過(guò)這條路徑的方法確定電能質(zhì)量變化點(diǎn)，旨在促進(jìn)電能質(zhì)量變化的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。