赫嘉楠，牛健，栗磊，劉海濤，梁亞波 ,贠飛然

（1.國網(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)的檢錯是保障低壓配電網(wǎng)正常運行的主要環(huán)節(jié)[3]，傳統(tǒng)的檢錯方法主要有信號特征分析方法、粒子群檢錯和尋優(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)檢錯分析方法，采用時間序列分析方法進(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)，實現(xiàn)配電網(wǎng)的拓?fù)浞纸夂蜋z錯處理，但該方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯的可靠性不高，時間開銷較大。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，實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯，但該方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯的抗干擾性不好。

針對上述問題，本文提出基于電力線載波信號特征分析的低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯模型。構(gòu)建低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線載波信號模型，通過配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征分析進(jìn)行檢錯處理，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，通過諧振電感和諧振電容的輸出特征分布實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯分析。

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

1.1 低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征分析

為了實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯分析，需要首先構(gòu)建低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線載波信號模型，通過信號檢波分析方法進(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,在開機時要用RST信號使電路初始化，電路工作狀態(tài)出現(xiàn)異常死機時，也要用RST信號使之重新啟動。PSEN表示外部程序存儲器讀選通信號，實現(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”，不改變原有網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（單元和節(jié)點的數(shù)目和連接關(guān)系不會變化），而是在單分析步的求解過程中逐步改善網(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個低壓配電網(wǎng)拓?fù)涔?jié)點的狀態(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，為隨機擾動項，得到三移相控制函數(shù)為

分析輸入輸出側(cè)H 橋開關(guān)管的參數(shù)特征量Hm，結(jié)合級聯(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)的雙端信號特征輸出為

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

1.2 電力載波信號特征分析

結(jié)合信號增強算法進(jìn)行載波信號濾波U的增強處理，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_銷：

計算低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的等效導(dǎo)納，通過相位差進(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，低壓配電網(wǎng)的承受電壓y(t)有最小值，此時，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)電力載波信號的關(guān)聯(lián)規(guī)則特征量[13]，通過各種損耗參數(shù)估計，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)的電力線載波信號模型，通過信號檢波分析方法進(jìn)行輸出電力載波信號增強處理[14]。

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

2.1 電力線載波的檢錯特征分析

結(jié)合頻譜分量檢測方法進(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，通過配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征分析進(jìn)行檢錯處理，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)檢錯分析數(shù)據(jù)點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 橋電流被強迫換流至D5電路中，得到低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)錯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個錯誤特征；

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)電力載波信號的增強輸出：

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特征為

式中：ci(t)—電力線載波錯誤信息分布的幅值；

wi(t)—自適應(yīng)加權(quán)。

2.2 電力載波檢錯輸出

建立低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯分析和故障診斷模型，通過諧振電感和諧振電容的輸出特征分布實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯分析，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)電力線載波檢測過程中，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分析方法，得到檢錯輸出為

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)電力線載波信號統(tǒng)計特征量為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)的檢錯分析和故障診斷模型，通過諧振電感和諧振電容的輸出特征分布，實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯分析。

3 仿真測試分析

選擇PG&E 的69 節(jié)點配電系統(tǒng)進(jìn)行分析，其主接線和量測配置如圖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)點配電網(wǎng)接線及量測配置

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€載波信號檢測，故障持續(xù)時間為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)的電力線載波信號檢測，如圖3所示。

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

以圖2 的信號為研究對象，進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯分析，得到差錯信號的特征分布根軌跡，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，BP和KP1軌跡基本一致。由此，本文方法能有效實現(xiàn)對低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯分析，對差錯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，通過配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征分析進(jìn)行檢錯處理，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。

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

圖5 檢錯偏差分析

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個數(shù)據(jù)集時，數(shù)據(jù)標(biāo)幺值上升較快，70個數(shù)據(jù)集后趨于平穩(wěn)，收斂性能更強。本文方法進(jìn)行低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯分析的偏差較小，標(biāo)幺值的收斂性較好。主要原因在于本文方法通過諧振電感和諧振電容的輸出特征分布，實現(xiàn)低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的檢錯分析，降低檢錯分析的偏差。

由于變電站內(nèi)的主變低壓側(cè)的遙測數(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，此外，各均值與曲線的偏差基本一致，在采樣周期為70 min 的時候，開始出現(xiàn)較小的偏差，在采樣周期90 min時產(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)生的誤差對最后的計算結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計。

4 結(jié) 論

低電壓配電網(wǎng)的檢錯穩(wěn)定性以及可靠性較低，針對此問題，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特征分析的低壓配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢錯模型。通過信號檢波分析方法進(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)諧振回路檢測和融合濾波分析的方法，進(jìn)行串補反饋補償，提高低壓配電網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)融合和檢錯能力。結(jié)合電力線載波的檢錯特征分析結(jié)果，進(jìn)行檢錯模型設(shè)計。本文方法有效解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的穩(wěn)定性低等問題，提高了低壓配電網(wǎng)拓?fù)錂z錯的輸出穩(wěn)定性和收斂性，同時降低了偏差，提升跟蹤性能，為電力領(lǐng)域提供有價值的參考依據(jù)。