基于特征签名与最少监测点的配电系统电压波动源定位方法

《Electric Power Systems Research》：Voltage fluctuation source localization in distribution systems using a signature-based approach with minimal monitoring points

　　

• 提出了一种定位电压波动源的方法。• 每台电压表的可观测范围扩展到每个电压表覆盖的一条完整支路。• 该方法优于现有的电压波动定位方法。• 该方法能够适应系统变化。• 该方法在各种场景下均进行了全面评估。引言由于系统规模的扩大和新兴敏感负载的出现，输送给消费者的电能质量日益面临挑战。电压波动是最关键的电能质量问题之一，其定义为电压幅值高达±10%的变化。电弧炉、焊接机、电锅炉和电力电子设备是电压波动的主要来源。可再生能源，如风力发电厂，也会由于其发电的间歇性而导致电压波动[1, 2, 3]。电压波动有许多不良后果，其中之一是闪变；它指的是灯光亮度的变化，可能导致不适、烦躁，甚至引发癫痫发作，尤其是在阅读书籍或看电视等活动期间[1]。不幸的是，在许多参考文献中，电压波动通常被笼统地称为闪变。这在定义上限制了其特征，仅局限于闪变的不良影响。然而，如上所述，闪变仅代表其众多不良后果之一，电压波动还会对电视机接收器产生负面影响，导致心电图和X射线设备等敏感医疗设备故障，并可能重置控制系统。此外，电压波动的存在还可能导致转换器运行干扰、机器扭矩波动以及其他相关问题[4, 5, 6]。因此，解决这一电能质量问题至关重要。在本文中，术语"闪变"指代电压波动。为了应对电压波动并提高电能质量，首先需要识别波动的来源。识别后，可在电压波动源附近安装适当的设备，如有功无功补偿装置[7]和静止同步补偿器[8]，以有效减轻其影响。作为另一种解决方案，可对造成波动者处以罚款，迫使其安装适当设备或减少甚至消除电压波动源[9]。然而，在配电网络中定位电压波动源特别具有挑战性，因为这些网络天然广泛且复杂，包含多样化的配置和负载。此外，考虑到监控电能质量问题所需的所有设备，包括高频测量装置、通信装置等，在配电系统中安装大量电能质量测量装置来识别电压波动源并不具有成本效益。因此，以尽可能少的电能质量测量装置来确定电压波动源至关重要。少数研究专门探讨了定位电压波动源的难题。一些研究依赖闪变功率理论来追踪闪变源。该理论指出，正的功率符号表示上游闪变源（位于供电方一侧），而负的功率符号表示下游闪变源（位于负载一侧），相对于电能质量测量装置的位置。文献[10]通过使用方波解调获得的调制电压和电流信号计算闪变功率，从而找到波动源的方向。参考文献[11]利用包络解调的信号在多个源中识别主要的闪变源。参考文献[12]中的作者将闪变源定位在非辐射状系统中，参考文献[13]则利用小波变换同时确定几个闪变源的位置。研究[14]通过检查与闪变相关的间谐波功率符号来识别闪变源。参考文献[15]利用电能质量测量装置安装节点的电压-电流变化斜率来识别闪变源路径。在该研究中，正斜率表示上游源，而负斜率表示下游源。所有这些研究的共同缺陷在于，当电能质量测量装置数量有限时，它们无法精确定位闪变源。文献[16]提出的方法首先使用广义S变换提取电压和电流包络，然后通过比较它们的近似熵来定位闪变源。研究[17]采用利萨如图形来识别包括闪变在内的各种电能质量干扰，并确定其方向和区域。然而，这些方法无法提供精确的源定位。参考文献[5]和[18]首先利用闪变功率符号识别闪变源所在的区域，然后根据馈线的输电线路模型和等效电路计算，估计馈线上特定频率的闪变源从起点算起的距离，使用安装在馈线开头的前两个电能质量测量装置。然而，这些研究存在明显的缺点：首先，它们需要大量电能质量测量装置；其次，当输电线路不是均匀的时，其准确性会降低，即当线路的材料和横截面积沿其长度变化时。此外，这些方法不适用于非辐射状系统。基于人工智能的闪变源定位方法也已被提出[19, 20]。这些方法的共同局限在于对系统变化缺乏灵活性，即使网络结构中发生微小变化，如增加一个中间节点或支路，也需要重复复杂的再训练过程。例如，研究[21]和[22]采用多层感知器神经网络来定位闪变源，同时使用最少的电能质量测量装置。参考文献[21]使用多分辨率S变换进行分解。文献[22]采用两阶段运行：第一阶段估计闪变源的范围，第二阶段识别其精确位置。这两项研究的显著缺陷在于无法同时定位多个闪变源；它们只能识别主要源。文献[23]提出了一种识别和定位电能质量干扰（包括闪变）的方法。该方法将测量信号转换为递归图，并采用EfficientNet-SE深度学习模型。然而，该方法仅识别电能质量干扰的区域，精确定位需要大量电能质量测量装置。参考文献[24]使用经验模态分解对信号进行分解，并利用支持向量机和支持向量回归来分类和定位电能质量和故障事件。文献[25]使用K-means聚类和相关系数来在非辐射状系统中定位两个频率相同的闪变源。该方法成本效益不高，因为它要求每个节点安装一台电能质量测量装置。考虑到闪变幅值在源安装节点处最大，文献[26]定位了闪变源及其传播路径。上述讨论的方法均无法检测0.5至35 Hz范围之外的电压波动频率。然而，频率高达150 Hz的电压波动同样会引起闪变[27, 28]，并可能导致敏感设备和装置的故障或损坏。此外，许多现有方法依赖正弦模型来表征闪变，这在实际中很少准确[2, 3]。据此，研究[29]旨在通过在低压辐射状系统中将电压波动建模为矩形脉冲，来定位频率高达150 Hz的电压波动。类似于参考文献[26]，该方法假设最大的波动发生在源安装的节点处。然而，这两项研究的一个显著缺陷是依赖于每个节点安装的电能质量测量装置，这使它们既不实际又成本高昂。这一问题在[29]中模拟的低压网络中尤为突出。本研究引入了一种新方法，以克服前一小节中提到的现有方法在定位电压波动源方面的局限性。其中一些方法，如基于闪变功率理论的方法，需要大量电能质量测量装置，在配电系统中成本高昂。其他基于人工智能的方法则对系统变化缺乏灵活性。此外，文献中缺乏一种能够在更宽的波动频率范围内使用最少电能质量测量装置来定位电压波动源的方法。本研究通过提出一种方法填补了上述空白，该方法能够在辐射状和非辐射状配电系统中识别电压波动源，即使存在分布式能源资源，也仅需从少数电能质量测量装置获取10秒的电压信号数据。该方法还能适应系统变化。它采用载波信号估计算法，这是一种新颖的矩形幅度调制信号解调方法，即使在存在谐波失真的情况下也能以极小的误差进行解调[2]。随后，它使用脉冲波近似分解方法来分解包络特性，包括波动频率、占空比、初始相位和幅值[3]。在下一步中，该方法定义了一个取决于电压波动源位置的签名，并从波动幅值中计算得出。该签名针对真实系统及其仿真进行计算，其中电压波动源模型被放置在不同节点上，然后对结果进行比较。提供与真实网络签名最接近匹配签名的节点可被识别为电压波动源的位置。表1总结了相关特征，以便与现有方法进行全面比较，并突出所提方法的独特之处。本文的主要贡献包括：1. 使用最少数量的仅能测量电压的电能质量测量装置，定位频率范围为0.1 Hz至150 Hz（网络频率的三倍）的电压波动源。2. 在配电系统中同时定位多个电压波动源，使供电公司能够识别每个源对电压污染的贡献，同时使用最少的电能质量测量装置。这一能力使供电公司能够对每个电压波动源实施公平罚款[9]。3. 利用一种新颖的信号处理技术识别矩形脉冲电压波动，仅需最少的电能质量测量装置即可确保最大精度。4. 通过新定义的签名实现对系统变化具有灵活性的电压波动源定位。本文后续结构如下：第2节介绍电压波动模型，并简要概述使用载波信号估计算法进行解调以及使用脉冲波近似分解方法进行分解。第3节通过定义签名来介绍所提方法，并详细解释相应的流程。第4节呈现所提方法在各种场景下的仿真结果，并对各种参数和不确定性进行敏感性分析。最后，第5节给出结论性评论并总结论文的主要发现。章节摘要电压波动模型电压波动源模型如图1(a)所示。当开关以特定频率和占空比工作时，由于流经负载和连接线路的电流波动，系统的电压波形（定义为载波信号）受到调制，如图1(b)所示。这是由于连接线路阻抗上的电压降发生变化所致。该模型用公式(1)数学表示。v(tk)=[1+12kAM·m(tk)]vcarrier(tk)=2Uc[1+12kAM·m(tk)]cos(2πf所提方法如今，地理信息系统使公用事业能够获取配电系统的更新拓扑数据及其他特征[30]。此外，负载与供应商之间的强大通信使它们能够获取电力消耗信息[31, 32]。这使得网络及负载变化的实时纳入仿真成为可能。因此，本文介绍了一种基于仿真且能适应系统变化的方法。在系统发生变化后，仿真仿真结果与讨论在本节中，所提方法在15节点、33节点和70节点测试系统上进行了评估。首先介绍了每个系统的配置和特性，并提供了各系统的仿真结果。在后续小节中，对所提方法的不同能力进行了评估，并进行了敏感性分析。此外，所提方法的结果与文献中其他方法进行了比较。最后，结论本文介绍了一种在分支配电系统中跨0.1至150 Hz宽频率范围使用最少电能质量测量装置定位电压波动源的新方法。通过采用载波信号估计算法进行解调和脉冲波近似分解方法，从每台电能质量测量装置收集的10秒电压信号中提取电压波动特性。然后使用新定义的签名来表征不同位置。电压波动源CRediT作者贡献声明Reza Farokhzadeh：撰写——初稿，可视化，软件，资源，项目管理，方法论，调查，数据整理，概念构思。Esmaeel Rokrok：撰写——审阅与编辑，验证，监督，概念构思。Meysam Doostizadeh：撰写——审阅与编辑，方法论，形式化分析。Reza Farokhzadeh | Esmaeel Rokrok | Meysam Doostizadeh