能量系统中的异常检测技术方案

提供了一种用于能量系统中的异常检测的方法和系统。基于电场和磁场的能量系统的非接触式感测使用非接触式电场和磁场传感器来产生电场和磁场信号。对电场和磁场信号进行滤波以移除噪声。从磁场和电场信号中提取特征并对其进行归一化，以表征每个信号的参数。提取出的特征的基于密度的空间聚类是使用形成集群所需的所选择的最小点数和指示数据被认为落入该集群内的距离的参数来执行的。异常是从未落入由正常操作中的数据点形成的集群内的(一个或多个)数据点确定的。提取出的特征的基于密度的空间聚类可以使用带噪声的应用的基于密度的空间聚类(DBSCAN)算法来执行。可以使用傅里叶分析提取特征。傅里叶分析提取特征。傅里叶分析提取特征。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】能量系统中的异常检测


[0001]本专利技术涉及能量系统中的异常检测，并且更具体地涉及使用电场和磁场传感器以及通过基于密度的空间聚类进行数据分析的异常检测。

技术介绍

[0002]由于电力给工作和家庭生活的方方面面供电的基本性质，输送给客户的电力的质量正受到越来越多的关注。许多电器，诸如计算机、影音设备和移动电话等，都对电力的质量敏感。造成电力质量降级有几个因素，诸如对系统造成附加压力的谐波污染、向系统充电无用功率的过大无功功率，以及操作中低效的装备。电力质量差会损坏电力基础设施；变压器的爆炸或电绝缘体的击穿都会是由于输电线路中的电力质量差造成的。因此，准确及时地检测电气异常是重要的；通过检测，可以在能量系统中迅速实现对应的纠正动作。
[0003]目前可用于能量系统中的异常检测的设备并不完全令人满意，因为它们会(i)侵入通电的导体，(ii)由于仅依赖于一个测量而不可靠，和/或(iii)要求对网络进行预先分析或者仅使用预定义的异常类别。WO 0048149描述了一种适于电气异常检测电路的模块化电力质量监视设备。该设备可以检测电气异常，诸如谐波失真、相移和电压瞬变。但是，由于输入信号是从电位和电流互感器捕获的，因此它对被监视的系统具有侵入性。因此，有必要采取绝缘和隔离措施，这显著增加了安装难度和成本。另外，还要求预先定义异常类别。每个模块处置对应的异常类别。因此，这个设备无法识别预定义类别之外的异常情况。
[0004]Tse等人(IEEE Int'l Conf.of Electric Utility Deregulation，2004，第671页)描述了一种使用紧凑型微处理器模块的电压监视系统。安装了电位互感器以逐级降低电压作为信号输入。但是，电压监视系统仅能够检测涉及电压的异常，而没有关于电流流动的信号的信息。而且，需要设置阈值来识别电力质量的异常。
[0005]Shaw等人(IEEE Transactions of Instrumentation and Measurement，第57卷，第7期，第1445页，2008)描述了一种用于事件分类的非侵入性负载监视设备。磁场由霍尔效应传感器测量以重构电流。它仅适于有限数量的异常，因为数据是通过与瞬态特征的库进行比较来分类的。而且，因为没有测量电压信号，所以其检测能力有限并且无法捕获大范围的电力异常。
[0006]Yin等人(2009IEEE Instrumentation and Measurement Tech.Conf.2009，第279页)描述了一种实时监视和分析系统。在系统中测量电压和电流两者，这扩大了可检测的电力质量扰动的范围。但是，所有分析都基于存储在日志文件中的扰动事件。由于可以保存在日志文件中的扰动事件数量有限，因此只能检测到某些电力质量扰动。
[0007]简而言之，本领域仍然需要一种非侵入性系统，该系统可以分析电压和电流异常两者，并且不要求对电力网络的预先分析或异常类别的预先定义。

技术实现思路

[0008]描述了一种用于能量系统中的异常检测的新颖系统，该系统克服了常规检测系统
的缺点。由于电场和磁场分别与能量系统的电压和电流相关，因此在本专利技术的异常检测技术中应用非侵入性电磁传感器。来自电磁传感器的时域和频域信号能够表征能量系统的状态，而无需设置任何阈值或受到异常的类别的限制。本专利技术使得能够对能量系统的关键部件进行自主状况监视，并对诸如电力质量故障之类的异常发出警报。该系统提供非侵入性检测、低成本、易于安装和在恶劣环境中的稳健性的独特优势。本专利技术可以应用于能量系统，以在智能电网中实现更稳定和高效的电力输送。
[0009]在一方面，提供了一种用于能量系统中的异常检测的方法和系统。基于磁场的能量系统的非接触式感测使用非接触式磁场传感器来产生磁场信号。基于电场的能量系统的非接触式感测使用非接触式电场传感器来产生电场信号。对磁场信号和电场信号进行滤波以移除噪声。从磁场信号和电场信号中提取特征来表征每个信号的参数。使用形成集群所需的所选择的最小点数和指示数据被认为落入集群内的距离的参数来执行归一化的提取出的特征的基于密度的空间聚类。当数据点没有落入正常操作中从信号提取的特征的集群内时，检测到各种异常。使用带噪声的应用的基于密度的空间聚类(DBSCAN，Density
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Based Spatial Clustering of Applications with Noise)算法对提取出的特征进行基于密度的空间聚类。可以使用傅立叶分析提取特征。
附图说明
[0010]图1(a)和1(b)示意性地描绘了根据实施例的异常检测系统；
[0011]图2是根据实施例的用于异常检测的方法的流程图；
[0012]图3(a)描绘了用于DBSCAN的聚类和离群值并且图3(b)是在本专利技术中实现DBSCAN的伪代码；
[0013]图4描绘了用于本专利技术的模拟的架空传输线中的传感器的布局；
[0014]图5描绘了住宅建筑中通电电缆附近的传感器放置；
[0015]图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)、图6(e)和图6(h)分别描绘了不同的电力质量情况，包括标准、骤降(sag)、骤升(swell)、中断、谐波、瞬态、骤降+谐波，以及骤升+谐波。
具体实施方式
[0016]详细转向附图，图1(a)和1(b)示意性地描绘了根据实施例的用于异常检测的系统。异常检测系统15包括电场传感器20和磁场传感器30。电场传感器可以选自电场计、测量自由场中的电场强度的微机电传感器，或光纤电场传感器。合适的市售设备的示例是ETS
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Lindgren的HI型
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3638VLF/ELF电场计。电场传感器/电场计可以被用于提供关于电力系统(诸如图1(a)中的导体10)的电压信息。磁场传感器可以选自磁传感器，包括各向异性磁阻传感器、隧穿磁阻传感器、巨磁阻传感器、霍尔效应传感器等。合适的市售传感器的示例是来自Multi
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Dimension Technology Co.Ltd.的TMR2307。这种传感器使用三个推挽式惠斯通电桥并且可以测量弱磁场和电流。磁场传感器可以被用于提供关于电力系统的电流数据。电场传感器20和磁场传感器30都是非接触式传感器并且不要求从导体10转移任何电力以进行它们的测量。
[0017]数据处理单元35与电场传感器20和磁场传感器30通信。数据处理单元35包括模数转换器(ADC)模块40、电源50，以及具有可选的无线传输能力以用于与主处理器60通信的微
控制器45。电场和磁场传感器定位在任何种类的电力系统(例如，架空传输线、配电电缆，以及办公和住宅建筑中的布线系统)附近，以测量从要被监视的系统发出的电磁场。来自传感器20和30的模拟信号在ADC模块40中被转换成数字信号。分析可以在微控制器单元45中执行；可替代地，可以在主机系统60中执行分析。对于集中式数据管理，数据处理单元中存储的数据将通过可选的无本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于能量系统的异常检测器，包括：非接触式磁场传感器的阵列，用于产生指示能量系统中的操作电流的磁场信号；非接触式电场传感器的阵列，用于产生指示所述能量系统中的操作电压的电场信号；模数转换器，用于将所述电流和电压信号转换成数字信号；滤波器，用于从所述电流和电压信号移除噪声；特征提取器，用于从所述电流和电压信号中提取特征以表征每个信号的测量参数；数据处理器，被配置为对提取出的特征执行数据聚类；异常指示器，用于从未落入集群内的一个或多个数据点识别异常。2.根据权利要求1所述的用于能量系统的异常检测器，其中每个磁场传感器选自各向异性磁阻传感器、隧穿磁阻传感器、巨磁阻传感器或霍尔效应传感器。3.根据权利要求1所述的用于能量系统的异常检测器，其中每个电场传感器选自微机电传感器、光纤电场传感器或电场计。4.根据权利要求1所述的用于能量系统的异常检测器，其中所述数据聚类是基于来自磁场和电场测量的数据集特征、使用带噪声的应用的基于密度的空间聚类(DBSCAN)来执行的，所述DBSCAN使用形成集群所需的所选择的最小点数和指示不同集群之间的距离的参数。5.根据权利要求1所述的用于能量系统的异常检测器，还包括连接到主机设备的无线发送器。6.一种用于能量系统中的异常检测的方法，包括：使用非接触式磁场传感器对能量系统磁场进行非接触式感测，以产生指示所述能量系统中的操作电流的磁场信号；使用非接触式电场传感器对能量系统电场进行非接触式感测，以产生指示所述能量系统中的操作电压的电场信号；对所述磁场信号和所述电场信号进行滤波，以移除背景中不是从所述能量...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞永达，朱科，徐琦，
申请(专利权)人：香港大学，
类型：发明
国别省市：