賈正建,楊 光,田錦華,姜曉菲,王曉軍
(1.內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司,呼和浩特 010010;2.南方電網(wǎng)深圳數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司,廣東 深圳 518000)
重要電力客戶是在供電企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中需要被重點(diǎn)保障的客戶群體。為保證重要電力客戶的正常供用電,通常供電企業(yè)都是按照雙電源標(biāo)準(zhǔn)為其提供穩(wěn)定可靠的電力供應(yīng)。雙電源客戶的供電電源信息在管理信息系統(tǒng)中有完整的登記,然而,由于客戶自行切換電源而未及時(shí)備案,系統(tǒng)記錄的客戶供電電源與實(shí)際情況往往存在差異,給供電企業(yè)的服務(wù)工作帶來重大安全風(fēng)險(xiǎn)。一旦發(fā)生故障停電,可能由于信息失真而提供錯(cuò)誤服務(wù),甚至貽誤采取應(yīng)急措施的時(shí)機(jī)而導(dǎo)致重大后果。
小波分析是電力系統(tǒng)常用的方法,學(xué)術(shù)界對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[1]提出基于改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)小波變換的電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)新方法。文獻(xiàn)[2]提出基于小波分析的電力系統(tǒng)故障時(shí)空檢測(cè)與診斷方法,利用小波分析的時(shí)頻特征,通過對(duì)暫態(tài)信號(hào)的多尺度一維小波分解,基于模極大值進(jìn)行奇異性檢測(cè),實(shí)現(xiàn)故障時(shí)刻分析和故障點(diǎn)定位。文獻(xiàn)[3]提出一種新的利用改進(jìn)消失矩的高斯復(fù)小波處理故障信號(hào)的方法。文獻(xiàn)[4]提出小波檢測(cè)雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電壓凹陷策略,通過選取合適的小波函數(shù)及分辨層數(shù),提取小波系數(shù)的模極大值作為判斷電源電壓跌落的依據(jù),以進(jìn)行更高效的電源投切。上述方法均在系統(tǒng)故障檢測(cè)與定位、電力裝置穩(wěn)定性方面應(yīng)用了小波分析技術(shù)。本文提出一種采用小波分析對(duì)雙電源用戶的實(shí)際供電電源進(jìn)行在線識(shí)別的方法,并對(duì)該方法的應(yīng)用效果進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)分析。
小波是小的波形,在有限的時(shí)間周期內(nèi)產(chǎn)生和消亡。小波變換是對(duì)傅立葉變換的優(yōu)化,對(duì)時(shí)間或空間頻率進(jìn)行局部化分析,通過伸縮平移運(yùn)算對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化,以達(dá)到高頻處時(shí)間細(xì)分、低頻處頻率細(xì)分的效果。小波變換能自動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求,可聚焦到信號(hào)的任何細(xì)節(jié)。因此,小波分析具有發(fā)現(xiàn)其他信號(hào)分析方法不能識(shí)別的、隱藏于數(shù)據(jù)之中的表現(xiàn)結(jié)構(gòu)特征的信息[5-7]。
定義L2(R)為定義在整個(gè)實(shí)數(shù)集R上滿足下述條件的全體可測(cè)函數(shù)f(t)及其相應(yīng)的函數(shù)運(yùn)算和內(nèi)積所組成的集合。
小波是函數(shù)空間L2(R)中滿足下述條件的一個(gè)函數(shù)或者信號(hào)Ψ(f):
式中,Ψ(f)為母小波或小波母函數(shù)。
對(duì)于任意實(shí)數(shù)對(duì)(a,b),其中參數(shù)a必須為非零實(shí)數(shù),稱下述函數(shù)為由小波母函數(shù)Ψ(f)生成的依賴于參數(shù)(a,b)的連續(xù)小波函數(shù)。
式中,a為伸縮尺度參數(shù);b為平移尺度參數(shù)。
對(duì)于任意函數(shù)f(t)∈L2(R),其連續(xù)小波變換可定義[6]為:
式中,Wf(a,b)為小波系數(shù)。
如果小波函數(shù)Ψ(t)滿足穩(wěn)定性條件:
任何函數(shù)f(t)都可以表示為如下形式的二進(jìn)展開式[8-9]:
f(t)可以表示為:
式中,SJ為一維小波低頻系數(shù);D1,…,DJ-1,DJ為尺度系數(shù)。
信號(hào)f(t)的多分辨率分解為:
以三層多分辨分析為例,其小波分解樹如圖1所示。
圖1 三層多分辨分析樹結(jié)構(gòu)
將小波分析應(yīng)用于雙電源客戶實(shí)際供電電源檢測(cè)時(shí),需從計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)中獲取連續(xù)周期內(nèi)電源負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),選擇合適的小波函數(shù)和分辨層數(shù),對(duì)電源負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲取小波系數(shù),對(duì)各層級(jí)高頻系數(shù)進(jìn)行分析,設(shè)置合適的閾值,從而判定當(dāng)前電源中是否存在雙電源客戶的負(fù)荷成分。小波分析識(shí)別供電電源方案如圖2所示。
圖2 小波分析識(shí)別供電電源方案
供電企業(yè)計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)一般按照每天96個(gè)采樣點(diǎn)頻率從廠站側(cè)計(jì)量裝置和配電變壓器終端采集相關(guān)負(fù)荷數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)是電源分析的重要基礎(chǔ)。雙電源客戶進(jìn)行電源改切后,負(fù)荷以一種特有的模式疊加到新的電源上,電源負(fù)荷數(shù)據(jù)分析能夠準(zhǔn)確提取這種疊加因素。為了更加清晰地呈現(xiàn)疊加效應(yīng),避免周末等特殊情況給負(fù)荷帶來的不規(guī)律因素影響分析結(jié)果,選取最近連續(xù)5 d的負(fù)荷數(shù)據(jù)作為小波分析的數(shù)據(jù)源。
常 用 的 小 波 函 數(shù) 有Haar、Daubechies(db)、Morlet、Meryer、Symlet、Coiflet、Biorthogonal等,如何選擇小波基函數(shù)目前尚無理論標(biāo)準(zhǔn),可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或試驗(yàn)來確定。Daubechies小波常用于分解和重構(gòu)信號(hào),作為濾波器使用。根據(jù)本文的適應(yīng)場(chǎng)景,在試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行多次比較驗(yàn)證,從多種小波函數(shù)中選取Daubechies作為應(yīng)用的小波函數(shù),在對(duì)計(jì)算資源消耗、用時(shí)、計(jì)算精度進(jìn)行綜合評(píng)估后,采用db4作為分析小波對(duì)電源負(fù)荷進(jìn)行多尺度分解,提取小波系數(shù)的模極大值聚集區(qū)域及其對(duì)應(yīng)時(shí)刻作為判定供電電源的依據(jù)。
為提取重要供電電源客戶的負(fù)荷特征,必須合理確定小波分辨層數(shù),劃分的原則是:盡量使信號(hào)的基頻f0位于最低子頻帶的中心,從而限制基頻分量對(duì)其他子頻帶的影響。設(shè)采樣頻率為fs,則頻帶的劃分層數(shù)為[1]:
式中,p為分辨層數(shù);f0為基波頻率,本文取值f0=5。
小波判據(jù)是一種小形判據(jù),采樣頻率過低有可能導(dǎo)致丟失故障突發(fā)時(shí)的特征信號(hào)奇異性,采樣頻率過高則對(duì)系統(tǒng)資源需求較大。結(jié)合采樣特性和實(shí)際業(yè)務(wù)需要,本文采樣頻率設(shè)定為480個(gè)(每5 d),計(jì)算得到小波分辨層數(shù)為p=5。
為驗(yàn)證小波分析方法檢測(cè)雙電源客戶實(shí)際供電電源的準(zhǔn)確性,采用Matlab構(gòu)造雙電源仿真模型(見圖3)。試驗(yàn)中假定雙電源負(fù)載的常用電源為電源2,后改切由備用電源(即電源1)供電,采用小波分析電源1的負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。
圖3 雙電源仿真模型
使用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的某饋線連續(xù)5 d的負(fù)荷數(shù)據(jù),每天96個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)值,共480個(gè)樣本值,其負(fù)荷波形如圖4所示。由圖4波形可以看出,該饋線的負(fù)荷呈明顯規(guī)律性周期特征,由于周末因素使得第4個(gè)周期總體負(fù)荷出現(xiàn)明顯下降。采用db4小波對(duì)該序列進(jìn)行分析可知,周末因素在高頻系數(shù)d1中有所體現(xiàn),但這種躍變延續(xù)的周期較短,很快恢復(fù)常態(tài)。
圖4 正常模式小波分析結(jié)果
在第5天00:00將雙電源客戶負(fù)荷改切至電源1供電,從計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)中獲取該客戶第5天96個(gè)負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)值疊加到電源1的總體負(fù)荷曲線,疊加后的負(fù)荷波形如圖5所示。同樣采用db4小波對(duì)新的序列進(jìn)行分析,從分析結(jié)果來看,疊加雙電源客戶負(fù)載后,高頻系數(shù)d1出現(xiàn)明顯長(zhǎng)周期大幅度波動(dòng),而高頻系數(shù)d2、d3則振幅明顯變大。
圖5 疊加模式小波分析結(jié)果
圖6、圖7顯示了5層小波系數(shù)的詳細(xì)情況。通過設(shè)置合適的閾值,從每層系數(shù)的最大值逐步向下探索,確保至少能夠在兩層不同的系數(shù)中同時(shí)檢測(cè)到相同模式的濾通結(jié)果(見圖8),從高頻系數(shù)d2、d3的躍變中成功檢測(cè)到雙電源客戶的負(fù)荷因素,并以此作為電源1向雙電源客戶供電的判據(jù)。
圖6 小波系數(shù)圖譜
圖7 小波系數(shù)閾值設(shè)定
圖8 小波系數(shù)濾通結(jié)果
使用上述方法對(duì)某供電企業(yè)近1年來雙電源客戶電源切換前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果證實(shí)小波分析方法能夠有效檢測(cè)雙電源客戶供電電源的改變。
在雙電源客戶實(shí)際供電電源檢測(cè)中,使用計(jì)量自動(dòng)化系統(tǒng)提供的負(fù)荷監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用小波分析方法,其小波變換的極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)負(fù)荷突變點(diǎn)。當(dāng)電源負(fù)荷發(fā)生突變,可將小波高頻系數(shù)的極大值點(diǎn)作為雙電源客戶實(shí)際供電電源發(fā)生改變的判據(jù)。
在供電企業(yè)客戶服務(wù)領(lǐng)域,使用小波分析方法對(duì)計(jì)量量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘,從中提取對(duì)客戶服務(wù)有重大價(jià)值的用電行為模式信息,具有廣泛的應(yīng)用空間。本文提出的方法在這一領(lǐng)域進(jìn)行了初步探索,后續(xù)可以通過引入周期性特征來進(jìn)一步提升雙電源客戶供電電源檢測(cè)的準(zhǔn)確性。