基于電力線載波的低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)模型

赫嘉楠，牛健，栗磊，劉海濤，梁亞波 ,贠飛然

（1.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏銀川750011）2.北京新亞盛創(chuàng)電氣技術(shù)有限公司，北京10000）

0 引言

低壓配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的主要組成部分，由于其處于電力系統(tǒng)末端，與用戶直接相連，承擔(dān)著較為重要的供電任務(wù)[1-2]，而其中的低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯(cuò)是保障低壓配電網(wǎng)正常運(yùn)行的主要環(huán)節(jié)[3]，傳統(tǒng)的檢錯(cuò)方法主要有信號(hào)特征分析方法、粒子群檢錯(cuò)和尋優(yōu)方法、自適應(yīng)參數(shù)融合方法和等效電路分析方法等，建立低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效電路分析模型，結(jié)合低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)輸出特征進(jìn)行檢錯(cuò)處理，提高低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性。

文獻(xiàn)[4]中提出基于Logistic回歸的低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)分析方法，采用時(shí)間序列分析方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的損耗特征分解和信息融合，結(jié)合模糊度尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的拓?fù)浞纸夂蜋z錯(cuò)處理，但該方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)的可靠性不高，時(shí)間開(kāi)銷較大。文獻(xiàn)[5]中提出基于參數(shù)融合分析的配電網(wǎng)檢錯(cuò)模型，分析低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的磁鏈與轉(zhuǎn)矩的解耦參數(shù)模型，結(jié)合參數(shù)耦合辨識(shí)，實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)，但該方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)的抗干擾性不好。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出基于電力線載波信號(hào)特征分析的低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)模型。構(gòu)建低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線載波信號(hào)模型，通過(guò)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征分析進(jìn)行檢錯(cuò)處理，結(jié)合電力線載波的差異性特征量進(jìn)行電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障診斷分析，通過(guò)諧振電感和諧振電容的輸出特征分布實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯(cuò)分析。

1 低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和載波信號(hào)模型

1.1 低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征分析

為了實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)分析，需要首先構(gòu)建低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線載波信號(hào)模型，通過(guò)信號(hào)檢波分析方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力線載波特征分析[6]，得到等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖1可以看出，RST表示復(fù)位、初始化,在開(kāi)機(jī)時(shí)要用RST信號(hào)使電路初始化，電路工作狀態(tài)出現(xiàn)異常死機(jī)時(shí)，也要用RST信號(hào)使之重新啟動(dòng)。PSEN表示外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。ALE表示“任意的拉格朗日－歐拉自適應(yīng)網(wǎng)格”，不改變?cè)芯W(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（單元和節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和連接關(guān)系不會(huì)變化），而是在單分析步的求解過(guò)程中逐步改善網(wǎng)格的質(zhì)量。

根據(jù)圖1的低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行三移相控制和載波特征分析[7]，引入低壓配電網(wǎng)載波的磁鏈密度參數(shù)：

式中:Fm—載波特征量;

r—磁鏈密度指數(shù)。

在能量輸入側(cè)，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型的N個(gè)低壓配電網(wǎng)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的狀態(tài)特征量，得到低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)功率密度可以表示為

式中:i—低壓配電網(wǎng)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的狀態(tài)特征量；

j—低壓配電網(wǎng)系統(tǒng)功率。

當(dāng)?shù)蛪号潆娋W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的載波分量滿足電力輸出穩(wěn)定性時(shí)，為隨機(jī)擾動(dòng)項(xiàng)，得到三移相控制函數(shù)為

分析輸入輸出側(cè)H 橋開(kāi)關(guān)管的參數(shù)特征量Hm，結(jié)合級(jí)聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最優(yōu)值u分析，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的雙端信號(hào)特征輸出為

根據(jù)諧振回路檢測(cè)和融合濾波分析的方法，進(jìn)行串補(bǔ)反饋補(bǔ)償，提高低壓配電網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)融合和檢錯(cuò)能力[8-10]。

1.2 電力載波信號(hào)特征分析

結(jié)合信號(hào)增強(qiáng)算法進(jìn)行載波信號(hào)濾波U的增強(qiáng)處理，分析低壓配電網(wǎng)拓?fù)渥顑?yōu)結(jié)構(gòu)值e的電導(dǎo)頻率分布特征量fi，結(jié)合頻譜分量檢測(cè)方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)[11]，g(t)代表低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)指數(shù)，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)涞哪芰块_(kāi)銷：

計(jì)算低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效導(dǎo)納，通過(guò)相位差進(jìn)行功率傳輸參數(shù)分析[12]，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)傳輸模型△w，則不同的工作模式配電網(wǎng)的傳輸時(shí)滯窗口為

式中:b(t)—功率傳輸參數(shù)。

當(dāng)?shù)蛪号潆娋W(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力載波能量特征量Etotal=0 時(shí)，低壓配電網(wǎng)的承受電壓y(t)有最小值，此時(shí)，低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振回路承受電壓為

式中：Q—諧振回路承受電壓的穩(wěn)態(tài)特征量；

x(t)—功率譜密度；

r—串聯(lián)諧振回路的時(shí)滯參數(shù)，由此構(gòu)建低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的功率譜密度分布集Sj（j=1，2，…，n）。

提取低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力載波信號(hào)的關(guān)聯(lián)規(guī)則特征量[13]，通過(guò)各種損耗參數(shù)估計(jì)，得到回流功率大小為Pi=（Pi1，Pi2，……，PiD），采用局部濾波放大分析的方法，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)每個(gè)模態(tài)的換流參數(shù)為

式中:xk—低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力載波采樣時(shí)間序列;

m—低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的載波嵌入維數(shù)；

uk—低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)損耗的反饋特征量。

根據(jù)上述分析，構(gòu)建低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線載波信號(hào)模型，通過(guò)信號(hào)檢波分析方法進(jìn)行輸出電力載波信號(hào)增強(qiáng)處理[14]。

2 低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)優(yōu)化

2.1 電力線載波的檢錯(cuò)特征分析

結(jié)合頻譜分量檢測(cè)方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力線載波信息融合和有功功率調(diào)制，通過(guò)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征分析進(jìn)行檢錯(cuò)處理，回流功率為

式中:q—配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征量指數(shù);

a(t)—低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)分析數(shù)據(jù)點(diǎn)xi和xj之間的相異度;

θ(t)—電力載波模態(tài)拓?fù)涮卣鲄?shù)。

在H 橋電流被強(qiáng)迫換流至D5電路中，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)錯(cuò)誤特征分布的概率密度參數(shù)為

式中:B={b1,b2,…,bn}，bn—拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第n個(gè)錯(cuò)誤特征；

Hλ—概率密度指數(shù)。

根據(jù)電流ip和電壓vC的波形分布差異性特征，結(jié)合諧振回路參數(shù)分析的方法[15]，得到電流自然換流的預(yù)測(cè)函數(shù)為

綜上分析，結(jié)合低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力載波的輸出差異性進(jìn)行信息融合，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力載波信號(hào)的增強(qiáng)輸出：

式中:ak—低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比例系數(shù);

br—局部收斂權(quán)重。

引入輸出電壓與輸入電壓比，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)損耗串補(bǔ)度為

式中：a(t)—導(dǎo)納參數(shù)；

c(t)—干擾分量。

定義電力線載波的檢錯(cuò)特征為

式中：ci(t)—電力線載波錯(cuò)誤信息分布的幅值；

wi(t)—自適應(yīng)加權(quán)。

2.2 電力載波檢錯(cuò)輸出

建立低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯(cuò)分析和故障診斷模型，通過(guò)諧振電感和諧振電容的輸出特征分布實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯(cuò)分析，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振電容電壓為

式中：cn—諧振電容。

在低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力線載波檢測(cè)過(guò)程中，分析副邊H 橋的S6和S7管承載特征，結(jié)合諧振電容電壓檢測(cè)分析方法，得到檢錯(cuò)輸出為

式中:a′與c′—低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力線載波信號(hào)采樣的帶寬和頻譜。

電壓增益的增量函數(shù)為{x1,x2,…,xn}，特征分布的子空間為

式中：ai—常數(shù)。

低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力線載波信號(hào)統(tǒng)計(jì)特征量為V，結(jié)合輸出功率穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，根據(jù)電流表達(dá)式：

結(jié)合電力線載波的差異性特征量，診斷電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障，建立低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯(cuò)分析和故障診斷模型，通過(guò)諧振電感和諧振電容的輸出特征分布，實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯(cuò)分析。

3 仿真測(cè)試分析

選擇PG&E 的69 節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)進(jìn)行分析，其主接線和量測(cè)配置如圖2所示。功率基準(zhǔn)值和線電壓基準(zhǔn)值分別為1 000 kVA 和10 kV。

圖2 69 節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)接線及量測(cè)配置

設(shè)定低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出功率為1.2 MW，量化電壓增益M=12 dB，回流功率為50 kW，在60%、40%、20%負(fù)載下進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浜碗娏€載波信號(hào)檢測(cè)，故障持續(xù)時(shí)間為0.2 s。根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線載波信號(hào)檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力載波信號(hào)檢測(cè)

以圖2 的信號(hào)為研究對(duì)象，進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)分析，得到差錯(cuò)信號(hào)的特征分布根軌跡，如圖4所示。

圖4 低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差錯(cuò)根軌跡

分析圖4 得知：在功率變化上，Tw和KP2基本一致，特征根變化穩(wěn)定；在電壓方面，BP和KP1保持一致，浮動(dòng)非常小，在負(fù)值內(nèi)的特征根虛部變化范圍在±0.3；0～120×10-3之間時(shí)，BP和KP1軌跡基本一致。由此，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯(cuò)分析，對(duì)差錯(cuò)信息的根軌跡跟蹤能力較好，主要原因在于本文方法融合電力線載波信息，通過(guò)配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征分析進(jìn)行檢錯(cuò)處理，結(jié)合電力線載波的差異性特征量，診斷電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障，提高軌跡跟蹤能力。

測(cè)試低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯(cuò)偏差，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 檢錯(cuò)偏差分析

分析圖5得知，本文方法隨著圖像數(shù)據(jù)集的增加而增高，在50個(gè)數(shù)據(jù)集時(shí)，數(shù)據(jù)標(biāo)幺值上升較快，70個(gè)數(shù)據(jù)集后趨于平穩(wěn)，收斂性能更強(qiáng)。本文方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)分析的偏差較小，標(biāo)幺值的收斂性較好。主要原因在于本文方法通過(guò)諧振電感和諧振電容的輸出特征分布，實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯(cuò)分析，降低檢錯(cuò)分析的偏差。

由于變電站內(nèi)的主變低壓側(cè)的遙測(cè)數(shù)據(jù)既有采樣周期為15 min 的功率數(shù)據(jù)，又有采樣周期為1 h的電度量數(shù)據(jù)，以這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。由于有功功率和無(wú)功功率的數(shù)據(jù)特性相似，以有功功率的數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 功率均值相似度分析擬合曲線

從圖6 可以看出，各種均值的結(jié)果差別較小，其中在采樣周期為29 min 時(shí)候，功率上升速度增加，隨之出現(xiàn)誤差，在采樣周期為90 min 時(shí)候，誤差最大，其不同均值的最大差值換算成引用誤差僅為0.8 %，該誤差可以忽略不計(jì)，此外，各均值與曲線的偏差基本一致，在采樣周期為70 min 的時(shí)候，開(kāi)始出現(xiàn)較小的偏差，在采樣周期90 min時(shí)產(chǎn)生最大偏差，偏差為0.9%。從各種均值比較分析中可知，中位數(shù)優(yōu)于幾何平均數(shù)，幾何平均數(shù)優(yōu)于算數(shù)平均數(shù)，算數(shù)平均數(shù)優(yōu)于平方平均數(shù)，但是各平均值的相似度的優(yōu)劣所產(chǎn)生的誤差對(duì)最后的計(jì)算結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計(jì)。

4 結(jié) 論

低電壓配電網(wǎng)的檢錯(cuò)穩(wěn)定性以及可靠性較低，針對(duì)此問(wèn)題，本文進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的故障特征分析和運(yùn)維調(diào)度，提高低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸出穩(wěn)定性和安全性，提出基于電力線載波信號(hào)特征分析的低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯(cuò)模型。通過(guò)信號(hào)檢波分析方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電力線載波特征分析，得到等效電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)諧振回路檢測(cè)和融合濾波分析的方法，進(jìn)行串補(bǔ)反饋補(bǔ)償，提高低壓配電網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)融合和檢錯(cuò)能力。結(jié)合電力線載波的檢錯(cuò)特征分析結(jié)果，進(jìn)行檢錯(cuò)模型設(shè)計(jì)。本文方法有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性低等問(wèn)題，提高了低壓配電網(wǎng)拓?fù)錂z錯(cuò)的輸出穩(wěn)定性和收斂性，同時(shí)降低了偏差，提升跟蹤性能，為電力領(lǐng)域提供有價(jià)值的參考依據(jù)。