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        基于TMR非侵入式電力負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)研究

        2022-03-18 01:18:04國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司張延輝山東國(guó)信電力科技有限公司郝慶水
        電力設(shè)備管理 2022年3期
        關(guān)鍵詞:暫態(tài)特征值用電

        國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司 鄭 琰 張延輝 朱 莉 山東國(guó)信電力科技有限公司 郝慶水

        為減少不必要的能源消耗和保證電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定,需及時(shí)監(jiān)測(cè)用電用戶的用電數(shù)據(jù),具體方法有侵入型與非侵入型。侵入型監(jiān)測(cè)方法面臨著操作難以及花費(fèi)高等問(wèn)題,很難大量普及使用,而非侵入型電力負(fù)荷預(yù)測(cè)方法可很好地解決這些問(wèn)題[1]。非侵入式監(jiān)測(cè)技術(shù)于20世紀(jì)80年代初次被美國(guó)教授Hart提出,基于電力系統(tǒng)理論和通訊系統(tǒng)理論開(kāi)發(fā)出了基礎(chǔ)的非侵入型的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),只能監(jiān)測(cè)幾種簡(jiǎn)單負(fù)荷的變化。發(fā)展到使用智能電表收集數(shù)據(jù),將電力用戶的負(fù)荷使用情況輸送到云端,再到基于BP神經(jīng)網(wǎng)路分析的非侵入型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2];非侵入型電力負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)方法利用了TMR傳感器來(lái)測(cè)量電流電壓數(shù)據(jù)。TMR傳感器具備體積小、靈敏度高等特點(diǎn),十分適合用來(lái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

        1 負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        非侵入式負(fù)荷分解為穩(wěn)態(tài)過(guò)程和暫態(tài)過(guò)程。在穩(wěn)態(tài)過(guò)程提取穩(wěn)態(tài)特征量,其包括幅值,相角,有功功率和無(wú)功功率等。在暫態(tài)過(guò)程中提取暫態(tài)特征量,其包括投切標(biāo)志,峰值,持續(xù)時(shí)間等。

        由于非侵入式負(fù)荷分解技術(shù)初期受條件約束,大部分只能進(jìn)行基于穩(wěn)態(tài)特征進(jìn)行分析。穩(wěn)態(tài)分析主要是監(jiān)測(cè)用電用戶的總功率變化來(lái)完成,根據(jù)功率變化大小來(lái)進(jìn)行負(fù)荷辨別。對(duì)穩(wěn)態(tài)過(guò)程的分析相對(duì)于暫態(tài)過(guò)程來(lái)說(shuō),雖然可以通過(guò)分析穩(wěn)態(tài)過(guò)程中電流和電壓來(lái)得到有功功率。但是僅僅依靠穩(wěn)態(tài)特征量來(lái)進(jìn)行分析存在誤差,例如在兩個(gè)功率大小相差很大的負(fù)荷設(shè)備同時(shí)運(yùn)行時(shí),很難監(jiān)測(cè)過(guò)小的有功功率[3],具有相同大小的有功功率負(fù)荷無(wú)法分辨其類型,通過(guò)對(duì)暫態(tài)電流的分析可以判斷出統(tǒng)一時(shí)間具有相同有功功率的用電負(fù)荷[1]。為了這種問(wèn)題,需要引入暫態(tài)特征量的分析。由于不同種類的負(fù)荷的投入和切除過(guò)程是不同的,基于這種特性可以清晰分辨負(fù)荷類型[4]。

        基于TMR傳感器的非侵入型電力負(fù)荷預(yù)測(cè)系統(tǒng)由用電數(shù)據(jù)采集裝置、數(shù)據(jù)處理裝置和特征值數(shù)據(jù)主站組成:用電數(shù)據(jù)采集裝置。外殼采用磁屏蔽涂層防止外界的電磁信號(hào)干擾,提升監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。內(nèi)部由TMR傳感器、濾波器、MCU、AD轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器和無(wú)線天線構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集裝置安放在電表的上口處,測(cè)量進(jìn)戶線上的電壓電流數(shù)據(jù)。利用TMR傳感器收集電流電壓數(shù)據(jù),再將收集后的數(shù)據(jù)通過(guò)濾波器進(jìn)行濾波處理,將處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)放大后發(fā)往數(shù)據(jù)處理裝置。

        數(shù)據(jù)處理裝置。內(nèi)部含有MCU、無(wú)線天線、信號(hào)放大器、AD轉(zhuǎn)換器,通過(guò)無(wú)線天線接收到濾波后的信號(hào)后,利用邊沿檢測(cè)算法中的CUSUM算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,由于每個(gè)設(shè)備的暫態(tài)特征值不相似,所以選擇分析用電設(shè)備的暫態(tài)數(shù)據(jù),邊沿檢測(cè)算法識(shí)別出發(fā)生變化的暫態(tài)特征值,將該點(diǎn)的特征值發(fā)送到特征值數(shù)據(jù)主站中;特征值數(shù)據(jù)主站。接收到特征值信號(hào)后,與收集在特征庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)特征值進(jìn)行比較,分析后的數(shù)據(jù)可得出用電用戶使用了哪些負(fù)荷、何時(shí)改變了負(fù)荷的工作狀態(tài)。電網(wǎng)公司和用電用戶可根據(jù)這些數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整用電行為,節(jié)約電能。

        在現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中,為獲得電流、電壓、方向等一些物理參數(shù),大量使用磁傳感器來(lái)獲取這些數(shù)據(jù)。因?yàn)榇艂鞲衅飨啾扔诓蓸与娮璧膬?yōu)勢(shì)在于磁傳感器的發(fā)熱更低,可以測(cè)量大電流;對(duì)于電流互感器的優(yōu)勢(shì)在于磁傳感器減少了保護(hù)電路,無(wú)論是成本還是精準(zhǔn)度都具有更大的優(yōu)勢(shì);相對(duì)于光學(xué)互感器的優(yōu)勢(shì)在于磁傳感器不存在溫漂大的問(wèn)題;相對(duì)于羅氏線圈的優(yōu)勢(shì)在于磁傳感器的制造精度更低[5]。磁傳感器是一種能測(cè)量和磁場(chǎng)有關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的裝置,并可將這些物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。面對(duì)一些復(fù)雜的情況,需穩(wěn)定性更好、靈敏度更高、占用空間更小的磁傳感器。

        磁傳感器是一種依賴于磁阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)和電磁感應(yīng)等原理的裝置。目前的磁傳感器主要有霍爾傳感器、TMR傳感器、AMR傳感器和GMR傳感器[6]?;魻杺鞲衅饔苫魻栐c其他電路組成,霍爾傳感器需要環(huán)形葉輪結(jié)構(gòu)增大磁場(chǎng),進(jìn)而提升靈敏度,這導(dǎo)致霍爾傳感器的體積增大,使用的場(chǎng)景受到限制,且霍爾元件具有信號(hào)隨溫度變化和互換性差的缺陷;AMR元件的優(yōu)點(diǎn)是體積小、精度高以及制造簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是線性范圍窄;GMR磁傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高和響應(yīng)時(shí)間快,缺點(diǎn)是其線性范圍偏低。相比于AMR傳感器和GMR傳感器具有高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)點(diǎn),更具優(yōu)勢(shì)。

        2 用電數(shù)據(jù)采集裝置

        本文所述數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)的磁隧道傳感器用來(lái)測(cè)量進(jìn)戶線的數(shù)據(jù),如圖1所示,把進(jìn)戶線從磁隧道傳感器開(kāi)口處放到限位機(jī)構(gòu)上,傳感器連接裝置的內(nèi)部是一根導(dǎo)線,導(dǎo)線從兩側(cè)伸出,伸出側(cè)為彎鉤狀,磁隧道傳感器的開(kāi)口處的導(dǎo)線也為彎鉤狀,便于連接。再把傳感器連接裝置安裝到磁隧道傳感器上,將磁隧道傳感器內(nèi)的惠斯通電橋電路連接上。此時(shí)磁隧道傳感器可利用進(jìn)戶線中電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行電壓電流的數(shù)據(jù)測(cè)量,測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器進(jìn)行放大,經(jīng)過(guò)濾波器后經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將變成數(shù)字信號(hào)發(fā)送到MCU中,MCU將數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)高斯濾波去噪再將數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置上,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置收集完數(shù)據(jù)后按照MCU的指令輸送到信號(hào)放大裝置中,信號(hào)放大裝置中再利用無(wú)線天線將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)裝置中。

        圖1 數(shù)據(jù)采集裝置測(cè)量數(shù)據(jù)部分

        一個(gè)TMR傳感器中包含4個(gè)TMR電阻,這4個(gè)TMR電阻連接成一個(gè)惠斯通電橋,連接成的惠斯通電橋又分為屏蔽式與非屏蔽式,根據(jù)屏蔽式的靈敏度是非屏蔽式的靈敏度的一半,本文選用靈敏度較好的非屏蔽式結(jié)構(gòu)[7]。將這4個(gè)TMR電阻分成兩組,每?jī)蓚€(gè)位置相對(duì)的TMR電阻分為一組,并且磁電阻特性一致,不同組的TMR電阻方向相反。在相同的磁場(chǎng)條件下,一組TMR電阻的阻值上升,另一組的阻值下降。在TMR傳感器的監(jiān)測(cè)出口處可以生成跟隨磁場(chǎng)變化的監(jiān)測(cè)電壓,根據(jù)監(jiān)測(cè)電壓在后級(jí)處理電路中生成對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)電流[8]。

        高斯算法。由于在測(cè)量數(shù)據(jù)的過(guò)程中會(huì)受到很多噪聲的干擾,其大小頻率不一,這些噪聲的干擾會(huì)影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為能得到較準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理[9]。濾波又叫做去噪,系統(tǒng)內(nèi)的濾波器往往不能將噪聲全部去除,需濾波函數(shù)來(lái)加強(qiáng)濾波。白噪聲是電力領(lǐng)域中常見(jiàn)噪聲,由于在實(shí)際中的功率譜密度寬度是有限的,無(wú)法預(yù)算其平均功率,所以實(shí)際中不存在嚴(yán)格意義服從均勻分布的白噪聲。而高斯白噪聲是普遍存在的,且其一維概率密度也是便于運(yùn)算的。去除掉這些噪聲是有利于提取出負(fù)荷特征。將高斯函數(shù)與原始信號(hào)進(jìn)行卷積是高斯算法的關(guān)鍵。高斯算法與傳統(tǒng)算法相比具有濾波窗口和相位移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。不僅會(huì)保留突變信號(hào)、不會(huì)使突變的信號(hào)削弱和消除,還能對(duì)突變的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。這是高斯算法的優(yōu)點(diǎn),很好的保留了所需要的負(fù)荷暫態(tài)信息。

        高斯濾波公式:Qk+1(a)=1/RkQk(a+x)bk(a+x),其中,Qk+1(x)為負(fù)荷原始信號(hào)經(jīng)過(guò)第k+1次迭代后的輸出值;Qk(a+x)為負(fù)荷原始信號(hào)經(jīng)過(guò)第k+1時(shí)迭代的輸入值;Rk=bk(a+x)為在第k次迭代時(shí)濾波器的加權(quán)系數(shù)總和;bk(a+x)為在第k次迭代時(shí)點(diǎn)a+x處的加權(quán)系數(shù)。設(shè)定初始迭代數(shù)k為0,設(shè)置迭代的次數(shù)。將收集到的初始電流電壓數(shù)據(jù)帶入公式迭代到設(shè)定的迭代數(shù),輸出迭代結(jié)果,該結(jié)果為濾波后的值。

        3 數(shù)據(jù)處理裝置

        數(shù)據(jù)處理裝置從無(wú)線天線收到電壓和電流數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器放大后輸送到AD轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)再輸送給MCU。在MCU中經(jīng)過(guò)CUSUM算法分析數(shù)據(jù),將分析后的數(shù)據(jù)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器發(fā)送到信號(hào)放大器,進(jìn)過(guò)無(wú)線天線發(fā)送系統(tǒng)數(shù)據(jù)主站,在特征值系統(tǒng)數(shù)據(jù)主站中進(jìn)行特征值匹配,顯示用戶負(fù)荷情況。

        現(xiàn)在主流的邊沿檢測(cè)方法有擬合法、閾值檢測(cè)算法、暫態(tài)能量啟動(dòng)算法和微分算子法[10]?;谧凕c(diǎn)檢測(cè)的CUSUM算法是一種新型的邊沿檢測(cè)算法,CUSUM算法其最初由英國(guó)人Page提出,用于工業(yè)行業(yè)中找出因不當(dāng)操作和原料問(wèn)題而出現(xiàn)異常產(chǎn)品,是對(duì)在工業(yè)行業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行判斷的一種監(jiān)控算法。其主要核心內(nèi)容是對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象過(guò)程中所產(chǎn)生的小波動(dòng)進(jìn)行累加記錄求和,通過(guò)累加的方法使被分析出數(shù)據(jù)放大,增加系統(tǒng)識(shí)別對(duì)象的靈敏度。當(dāng)被監(jiān)測(cè)量運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生大于穩(wěn)定狀態(tài)下的數(shù)據(jù)時(shí),即可判定負(fù)荷發(fā)生變化,并且這種算法擁有便于操作和算法簡(jiǎn)單[11]以及魯棒性高[12]的優(yōu)點(diǎn)。

        CUSUM算法公式:

        其中,Un為統(tǒng)計(jì)功率變化值;hn-1為突變發(fā)生時(shí)負(fù)荷值;h-n-1為突變發(fā)生前的負(fù)荷平均值,假設(shè)前一個(gè)一邊的檢測(cè)點(diǎn)ht則有公式(3);n為當(dāng)前突變點(diǎn)的點(diǎn)數(shù);t為上一次突變點(diǎn)的點(diǎn)數(shù);當(dāng)Un>N時(shí)則可認(rèn)定檢測(cè)序列發(fā)生了突變,N為負(fù)荷時(shí)間突變閾值。CUSUM算法的邊沿檢測(cè)步驟,設(shè)置功率變化初始值Un為0,當(dāng)負(fù)荷處于正常運(yùn)行時(shí),負(fù)荷處于穩(wěn)定狀態(tài),負(fù)荷的功率處于輕微波動(dòng)狀態(tài),功率變化值Un在0上下波動(dòng)。當(dāng)負(fù)荷增大將負(fù)荷時(shí)帶入到式(1)中進(jìn)行累加,若負(fù)荷減小時(shí)則帶入式(2)中進(jìn)行累加。當(dāng)累加值超過(guò)N突變閾值時(shí),記錄下該點(diǎn)為功率突變點(diǎn),將該點(diǎn)特征值信息輸送到特征庫(kù)進(jìn)行匹配。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文提出一種基于TMR傳感器的非侵入式電力負(fù)荷預(yù)測(cè)技術(shù)。首先,設(shè)計(jì)了基于高斯濾波的去噪算法,不僅能突出負(fù)荷變化點(diǎn)的數(shù)值還能平滑整條曲線且不平滑掉負(fù)荷變化點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流數(shù)據(jù)更好的平滑處理。利用CUSUM算法提取用電設(shè)備的暫態(tài)數(shù)據(jù),減少了數(shù)據(jù)的漏檢和誤檢的機(jī)率,增加了暫態(tài)數(shù)據(jù)提取的準(zhǔn)確性。

        然后,基于CUSUM算法提取出的暫態(tài)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)主站內(nèi)的特征值數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征值進(jìn)行比較,得到電力負(fù)荷信息。整個(gè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)用電負(fù)荷的分析處理,數(shù)據(jù)匹配,具有比較高的效率。通過(guò)智能電表大量普及,利于收集用電用戶的負(fù)荷信息[13],以及這種非侵入式監(jiān)測(cè)技術(shù)可讓電網(wǎng)公司更好的調(diào)峰調(diào)谷,對(duì)用電用戶的用電行為有著跟進(jìn)一步的了解[14],可讓用電用戶更好的了解自己的用電行為,對(duì)節(jié)約電力資源有很大的幫助。

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