一种非侵入式的稳态负荷监测方法技术

本发明专利技术公开了一种非侵入式的稳态负荷监测方法，所述非侵入式的稳态负荷监测方法实现仅在电力系统的总端安装监测装置，通过采集总端的电气参数，分析得到系统内各类负荷的含量和状态，稳态负荷分解方法的流程可分为两部分：训练和实测分解，所述训练方法是求解特征参数矩阵中的幅值α和谐波位置角Δθ，所述实测分解方法是对测量得到的多负荷电流波形进行分解。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统负荷监测的
，特别是涉及非侵入式的稳态负荷监测方法。
技术介绍
负荷监测是指通过实时采集负荷的电气参数，监测其运行状态。负荷监测不仅能监测单个负荷，还可以从整个系统的全局角度出发，了解各类负荷的状态参数、用电量和用电时间，从而帮助决策者合理地分配电能，使整个电力系统始终处于高效的运行状态，这在强调节能减排的今天具有重要的意义。目前的负荷监测手段大都是侵入式的，即针对系统内的每类负荷都安装传感器，单独监测其运行状态。侵入式负荷监测需要大量的硬件设备，在采购、安装、维护时都会耗费大量成本，又因为每个检测设备都是一个数据源，因此在负荷较多时，数据处理和分析都将变得比较困难。因此希望有一种非侵入式的稳态负荷监测方法可以克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种非侵入式的稳态负荷监测方法来实现仅在电力系统的总端安装监测装置，通过采集总端的电气参数，分析得到系统内各类负荷的含量和状态。这样可以省去大量的监测设备，减少数据处理与分析工作，同时变相实现对系统内每类负荷的状态监测为实现上述目的，本专利技术提供一种非侵入式的稳态负荷监测方法，所述非侵入式的稳态负荷监测方法建立稳态过程的非侵入式负荷分解模型，供电电压采用的是50HZ的工频周期电压，因此电流波形也必定是50HZ的周期量，则依据傅里叶分析理论，单个负荷在某次测量中的电流可分解为：it＝α1·sin(ωt+θ1)+α2·sin(2·ωt+θ2)+…+αk·sin(k·ωt+θk)(1)公式(1)中第一项为基波，其余项为各次谐波,其中α为基波或各次谐波的幅值，ω为基波角频率，工频时为2π·50，θ为基波或各次谐波在此次测量中的初相角,构成了周期量的三要素幅值、频率和相位角；同一个负荷，对其电流进行多次测量，基波和各次谐波的幅值是恒定的，频率由谐波次数反映也是恒定的，由于测量开始记录的波形位置不恒定，因此相位角不恒定，对于一个包含数量大于1次的谐波的稳态电流来说，其能有固定的波形，是因为基波和各次谐波有恒定的幅值，且基波和各次谐波间有固定的相对位置，这种相对位置的信息就在每次测量的相位角中，找到基波与各次谐波间的相位差，就可依据幅值重构出原始波形；因为不同谐波的频率不相同，所以不能直接求相位差，为此设基波相位角为参考相位，采用换元法，另x＝ωt+θ1，则有ωt＝x-θ1，代入(1)式中的第j次谐波则有：it(j)＝αj·sin(j·(x-θ1)+θj)＝αj·sin(j·x+(-j·θ1+θj))(2)公式(2)仅针对本次测量，设除本次测量外的任意一次测量的基波相位角为θc，则有x＝ωt+θc,代入式(2)并推广到公式(1)有公式(3)：其中：Δθj＝mod(-j·θ1+θj,2π)(4)公式(3)即为单负荷稳态电流的完备数学模型，定义公式(4)中的Δθj为谐波位置角，其决定了第j次谐波与基波的相对位置，和幅值αj共同固化了整个波形的形状；θc为基波相位角，其决定了整个波形在时间轴上的移动，但不影响波形的形状；θ1和θj分别为某次训练测量的基波和谐波的相位角，用于计算Δθj；由于Δθj是固定值，可由训练测量的相位角计算得来，因此要分解并重构任意一次实测的电流波形，仅需计算其基波相位角θc即可；由叠加定理可知,n类负荷电流组成的总负荷电流可用下式表示：It＝β1it1+β2it2+…+βnitn(5)上式(5)中，it为单负荷电流，β为各类负荷的权重系数，是相应负荷的数量,依据公式(3)，将It表示为矩阵形式：上式(6)中，αI和θI分别为多负荷电流It的幅值和相位，α为各类负荷的基波或谐波的幅值，Δθ和θC分别为各类负荷的谐波位置角和基波相位角，β为权重系数,对于分解过程，αI、θI、α和Δθ可由训练或谐波分析得出为已知量，θC和β为待求量。优选地，在同一次测量中，对于同类负荷，由于具有相同的容感性，所述基波相位角θC是相同的，直接乘所述权重系数β表示多个此类负荷同时工作；而对于不同负荷，由于容感性不同，所述基波相位角θC也是不同的，在总电流波形中，所述基波相位角θC决定了各类负荷电流波形的相对位置，而各类负荷电流波形中，所述谐波位置角Δθ决定了基波和各次谐波间的相对位置，根据所述已知量αI、θI、α和Δθ，求解未知量所述基波相位角θC和所述权重系数β，完成了多负荷电流波形的分解，公式(6)为多负荷稳态电流的完备数学模型，其表示为：It＝A·B(7)公式(7)中，It＝(αI1∠θI1，αI2∠θI2,…αIk∠θIk)T，为谐波分析得到的总负荷电流的矩阵形式，A为特征参数矩阵，其包含了单个负荷电流波形的形状信息和不同负荷电流波形的位置信息，B为权重系数矩阵，其包含了总电流波形中各个负荷的数量。优选地，稳态过程的非侵入式负荷分解，根据测量得到的总负荷电流矩阵It，依据矩阵A求出矩阵B，由于矩阵A中也有未知量所述基波相位角θC，因此分解过程可转化为求解如下未知数向量：由于实际测量中都存在误差，因此公式(7)不能求出精确解析解，为此建立目标函数：上式中为要求解的未知数向量，‖·‖2为L2范数，βmax为对应负荷数量的估计或实际最大值，总负荷稳态电流的分解转化为求解使公式(9)取得最小值的向量及求解：用全局寻优算法求解公式(10),求得使电流负荷波形最优化匹配，完成稳态过程的非侵入式负荷分解。优选地，稳态负荷分解方法的流程分为两部分：训练和实测分解，所述训练方法是求解特征参数矩阵中的幅值α和谐波位置角Δθ，所述实测分解方法是对测量得到的多负荷电流波形进行分解。优选地，所述训练方法包括以下步骤：(1)测量系统内所有类别负荷的单负荷电流稳态波形；(2)谐波分析，得到每类负荷电流基波和各次谐波的幅值及相位；(3)计算所述谐波位置角Δθ；(4)将各类负荷的幅值α和谐波位置角Δθ填入特征参数矩阵A。优选地，所述实测分解方法包括以下步骤：(1)测量某一时刻系统的总负荷电流波形，将其作为待分解波形；(2)谐波分析，得到总电流基波和各次谐波的幅值αI和相位θI；(3)形成总负荷电流It的矩阵形式，和训练算法得到的A一起代入公式(9)，完善目标函数；(4)用全局寻优算法针对公式(10)进行全局寻优；(5)得到各类负荷含量，完成稳态分解。本专利技术的非侵入式的稳态负荷监测方法能在电力系统总端只安装一个传感器的情况下，精确的测得系统内各类负荷的含量和状态，本专利技术的非侵入式的稳态负荷监测方法能够极大地节省硬件设备的采购、安装、维护等成本，减少传感器的数量，降低数据处理难度，是一种优良的负荷监测算法。附图说明图1是进行稳态过程的非侵入式负荷分解的训练方法流程图。图2是进行稳态过程的非侵入式负荷分解的实测分解方法流程图。图3是待分解实测波形。具体实施方式为使本专利技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非侵入式的稳态负荷监测方法，其特征在于，所述非侵入式的稳态负荷监测方法建立稳态过程的非侵入式负荷分解模型，供电电压采用的是50HZ的工频周期电压，因此电流波形也必定是50HZ的周期量，则依据傅里叶分析理论，单个负荷在某次测量中的电流可分解为：it＝α1·sin(ωt+θ1)+α2·sin(2·ωt+θ2)+…+αk·sin(k·ωt+θk) (1)公式(1)中第一项为基波，其余项为各次谐波,其中α为基波或各次谐波的幅值，ω为基波角频率，工频时为2π·50，θ为基波或各次谐波在此次测量中的初相角,构成了周期量的三要素幅值、频率和相位角；同一个负荷，对其电流进行多次测量，基波和各次谐波的幅值是恒定的，频率由谐波次数反映也是恒定的，由于测量开始记录的波形位置不恒定，因此相位角不恒定，对于一个包含数量大于1次的谐波的稳态电流来说，其能有固定的波形，是因为基波和各次谐波有恒定的幅值，且基波和各次谐波间有固定的相对位置，这种相对位置的信息就在每次测量的相位角中，找到基波与各次谐波间的相位差，就可依据幅值重构出原始波形；因为不同谐波的频率不相同，所以不能直接求相位差，为此设基波相位角为参考相位，采用换元法，另x＝ωt+θ1，则有ωt＝x‑θ1，代入(1)式中的第j次谐波则有：it(j)＝αj·sin(j·(x‑θ1)+θj)＝αj·sin(j·x+(‑j·θ1+θj)）   (2)公式(2)仅针对本次测量，设除本次测量外的任意一次测量的基波相位角为θc，则有x＝ωt+θc,代入式(2)并推广到公式(1)有公式(3)：it=Σj=1kαj·sin(j·ωt+j·θc+Δθj)]]>其中：Δθj＝mod(‑j·θ１+θj,2π)   (4)公式(3)即为单负荷稳态电流的完备数学模型，定义公式(4)中的Δθj为谐波位置角，其决定了第j次谐波与基波的相对位置，和幅值αj共同固化了整个波形的形状；θc为基波相位角，其决定了整个波形在时间轴上的移动，但不影响波形的形状；θ1和θj分别为某次训练测量的基波和谐波的相位角，用于计算Δθj；由于Δθj是固定值，可由训练测量的相位角计算得来，因此要分解并重构任意一次实测的电流波形，仅需计算其基波相位角θc即可；由叠加定理可知,n类负荷电流组成的总负荷电流可用下式表示：It＝β1it1+β2it2+…+βnitn   (5)上式(5)中，it为单负荷电流，β为各类负荷的权重系数，是相应负荷的数量,依据公式(3)，将It表示为矩阵形式：aI1∠θI1aI2∠θI2...aIk∠θIk=a11∠θC1+Δθ11a12∠θC2+Δθ12...a1n∠θCn+Δθ1na21∠2·θC1+Δθ21a22∠2·θC2+Δθ22...a2n∠2·θCn+Δθ2n............ak1∠k·θC1+Δθk1ak2∠k·θC2+Δθk2...akn∠k·θCn+Δθknβ1β2...βn---(6)]]>上式(6)中，αI和θI分别为多负荷电流It的幅值和相位，α为各类负荷的基波或谐波的幅值，Δθ和θC分别为各类负荷的谐波位置角和基波相位角，β为权重系数,对于分解过程，αI、θI、α和Δθ可由训练或谐波分析得出为已知量，θC和β为待求量。...

【技术特征摘要】
1.一种非侵入式的稳态负荷监测方法，其特征在于，所述非侵入式的稳态负荷监测方法建立稳态过程的非侵入式负荷分解模型，供电电压采用的是50HZ的工频周期电压，因此电流波形也必定是50HZ的周期量，则依据傅里叶分析理论，单个负荷在某次测量中的电流可分解为：it＝α1·sin(ωt+θ1)+α2·sin(2·ωt+θ2)+…+αk·sin(k·ωt+θk)(1)公式(1)中第一项为基波，其余项为各次谐波,其中α为基波或各次谐波的幅值，ω为基波角频率，工频时为2π·50，θ为基波或各次谐波在此次测量中的初相角,构成了周期量的三要素幅值、频率和相位角；同一个负荷，对其电流进行多次测量，基波和各次谐波的幅值是恒定的，频率由谐波次数反映也是恒定的，由于测量开始记录的波形位置不恒定，因此相位角不恒定，对于一个包含数量大于1次的谐波的稳态电流来说，其能有固定的波形，是因为基波和各次谐波有恒定的幅值，且基波和各次谐波间有固定的相对位置，这种相对位置的信息就在每次测量的相位角中，找到基波与各次谐波间的相位差，就可依据幅值重构出原始波形；因为不同谐波的频率不相同，所以不能直接求相位差，为此设基波相位角为参考相位，采用换元法，另x＝ωt+θ1，则有ωt＝x-θ1，代入(1)式中的第j次谐波则有：it(j)＝αj·sin(j·(x-θ1)+θj)＝αj·sin(j·x+(-j·θ1+θj)）(2)公式(2)仅针对本次测量，设除本次测量外的任意一次测量的基波相位角为θc，则有x＝ωt+θc,代入式(2)并推广到公式(1)有公式(3)：it=Σj=1kαj·sin(j·ωt+j·θc+Δθj)]]>其中：Δθj＝mod(-j·θ１+θj,2π)(4)公式(3)即为单负荷稳态电流的完备数学模型，定义公式(4)中的Δθj为谐波位置角，其决定了第j次谐波与基波的相对位置，和幅值αj共同固化了整个波形的形状；θc为基波相位角，其决定了整个波形在时间轴上的移动，但不影响波形的形状；θ1和θj分别为某次训练测量的基波和谐波的相位角，用于计算Δθj；由于Δθj是固定值，可由训练测量的相位角计算得来，因此要分解并重构任意一次实测的电流波形，仅需计算其基波相位角θc即可；由叠加定理可知,n类负荷电流组成的总负荷电流可用下式表示：It＝β1it1+β2it2+…+βnitn(5)上式(5)中，it为单负荷电流，β为各类负荷的权重系数，是相应负荷的数量,依据公式(3)，将It表示为矩阵形式：aI1∠θI1aI2∠θI2...aIk∠θIk=a11∠θC1+Δθ11a12∠θC2+Δθ12...a1n∠θCn+Δθ1na21∠2·θC1+Δθ21a22∠2·θC2+Δθ22...a2n∠2·θCn+Δθ2n............ak1∠k·θC1+Δθk1ak2∠k·θC2+Δθk2...akn∠k·θ...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹璐，刘丁华，李雪男，吴振升，李雨轩，辛状状，
申请(专利权)人：北京电力经济技术研究院，北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11