本發(fā)明涉及諧波阻抗計(jì)算，具體為一種基于非注入式先驗(yàn)結(jié)果的注入式諧波阻抗測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著我國(guó)能源體制改革的不斷深入，高比例電力電子裝置和非線性負(fù)荷的接入引發(fā)了日益嚴(yán)峻的諧波污染問題。在城市配電網(wǎng)中，具有對(duì)電能質(zhì)量具有高品質(zhì)要求的多元用戶；同時(shí)，城市配電網(wǎng)的高線纜率潛在地加劇了電能質(zhì)量問題。因此，如何使電能質(zhì)量達(dá)到高品質(zhì)要求是供用電雙方共同關(guān)注的核心問題之一。

2、目前，配網(wǎng)中安裝了大量電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置，用以對(duì)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的諧波數(shù)據(jù)，現(xiàn)有計(jì)算方法通常將整個(gè)系統(tǒng)從某一公共連接點(diǎn)劃分為系統(tǒng)側(cè)與用戶側(cè)來求解諧波阻抗。而在諧波阻抗測(cè)量問題上，大多求解方法都基于某一公共連接點(diǎn)pcc上諧波的電壓電流進(jìn)行計(jì)算。目前，阻抗測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法分為兩大類：注入式測(cè)量法和非注入式測(cè)量法。

3、非注入式測(cè)量法在電網(wǎng)正常運(yùn)行下，對(duì)pcc點(diǎn)上測(cè)得的諧波電壓以及公共線路上測(cè)得的諧波電流進(jìn)行分析。其最大特點(diǎn)就是無需注入外部擾動(dòng)源，而是利用自身端口固有諧波或噪聲進(jìn)行分析。該方法對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行沒有任何影響，且成本低廉，可多次反復(fù)使用，在算法計(jì)算速度高時(shí)甚至可進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估。但是，該方法只能利用現(xiàn)有的諧波與噪聲信號(hào)，精度一般較低，還無法自主設(shè)計(jì)擾動(dòng)信號(hào)的頻譜分布。并且，現(xiàn)有算法在僅給出pcc點(diǎn)上測(cè)得的諧波電壓以及公共線路上測(cè)得的諧波電流的情況下，所需算法要求較高；且通常僅在特定的場(chǎng)景下效果較佳，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工況發(fā)生變化時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差。因此，如何提高算法的準(zhǔn)確性、快速性及普適性，是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外學(xué)者持續(xù)研究的熱點(diǎn)問題。

4、注入式測(cè)量法通過人為向系統(tǒng)注入擾動(dòng)信號(hào)，使某一側(cè)諧波源的波動(dòng)明顯高于另一邊側(cè)，從而求得諧波阻抗。雖然注入式測(cè)量法具有較好的測(cè)量精度且在各個(gè)場(chǎng)景下適用性較高，但是所注入的擾動(dòng)信號(hào)需具有一定的強(qiáng)度才能體現(xiàn)其效果，此時(shí)就有可能影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)的工作點(diǎn)發(fā)生偏移。此外，該方法得到的量化結(jié)果只能反應(yīng)當(dāng)時(shí)兩側(cè)諧波，而由于上述原因及注入擾動(dòng)信號(hào)的經(jīng)濟(jì)性等問題，在不同時(shí)段不同工況下反復(fù)使用主動(dòng)注入式測(cè)量法并不現(xiàn)實(shí)。綜上所述，對(duì)于諧波阻抗測(cè)量方面，現(xiàn)有方法仍具有一定的局限性，不能很好地反映諧波阻抗特性。

5、綜上，現(xiàn)有技術(shù)存在問題如下：

6、1)非注入式阻抗測(cè)量方法只能利用現(xiàn)有的諧波與噪聲信號(hào)，精度一般較低，并且無法自主設(shè)計(jì)擾動(dòng)信號(hào)的頻譜分布。并且，現(xiàn)有算法在僅給出pcc點(diǎn)上測(cè)得的諧波電壓以及公共線路上測(cè)得的諧波電流的情況下，所需算法要求較高；且通常僅在特定的場(chǎng)景下效果較佳，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工況發(fā)生變化時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差。

7、2)注入式阻抗測(cè)量所注入的擾動(dòng)信號(hào)需具有一定的強(qiáng)度才能體現(xiàn)其效果，此時(shí)就有可能影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，導(dǎo)致系統(tǒng)的工作點(diǎn)發(fā)生偏移。此外，該方法得到的量化結(jié)果只能反應(yīng)當(dāng)時(shí)兩側(cè)諧波，而由于上述原因及注入擾動(dòng)信號(hào)的經(jīng)濟(jì)性等問題，在不同時(shí)段不同工況下反復(fù)使用主動(dòng)注入式測(cè)量法并不現(xiàn)實(shí)，不能很好地反映諧波阻抗特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于非注入式先驗(yàn)結(jié)果的注入式諧波阻抗測(cè)量方法，能夠有效減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性及測(cè)量的快速性。技術(shù)方案如下：

2、一種基于非注入式先驗(yàn)結(jié)果的注入式諧波阻抗測(cè)量方法，包括以下步驟：

3、步驟1：基于復(fù)獨(dú)立分量法的非注入式阻抗測(cè)量：采集并處理h次諧波下pcc點(diǎn)上的電壓電流數(shù)據(jù)，通過非注入式阻抗測(cè)量方法獲得阻抗先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，得到非注入式阻抗測(cè)量先驗(yàn)結(jié)果；

4、步驟2：基于非注入式阻抗測(cè)量先驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)注入式阻抗測(cè)量的多正弦擾動(dòng)信號(hào)模型，并生成注入式阻抗測(cè)量的多正弦擾動(dòng)信號(hào)；

5、步驟3：分配測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)，將步驟2生成的多正弦擾動(dòng)信號(hào)注入待測(cè)系統(tǒng)中，再采集pcc點(diǎn)上的電壓電流數(shù)據(jù)，計(jì)算得到注入式阻抗測(cè)量結(jié)果，結(jié)合步驟1中得到的非注入式阻抗測(cè)量先驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算估計(jì)誤差，確定符合要求的測(cè)量點(diǎn)阻抗，通過矢量擬合得到阻抗曲線；

6、步驟4：根據(jù)估計(jì)誤差，在下一輪注入式阻抗測(cè)量時(shí)重新分配測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)，再進(jìn)行多正弦信號(hào)的再設(shè)計(jì)及迭代擬合，最終得到符合精度要求的阻抗曲線。

7、進(jìn)一步，所述步驟1具體包括：

8、步驟1.1：建立復(fù)獨(dú)立分量分析數(shù)學(xué)模型：

9、x＝as????????????????????????????????(1)

10、其中，x＝[x1,x2,…,xmo]t是由mo個(gè)觀測(cè)信號(hào)組成的觀測(cè)信號(hào)矩陣；s＝[s1,s2,…,sno]t是由no個(gè)源信號(hào)組成的源信號(hào)矩陣；a為混合矩陣，代表源信號(hào)矩陣s在觀測(cè)信號(hào)矩陣x中所占的比例；

11、步驟1.2：根據(jù)采集到的h次諧波下pcc點(diǎn)上的電壓電流數(shù)據(jù)，令觀測(cè)信號(hào)矩陣源信號(hào)矩陣混合矩陣a為由系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗zs和用戶側(cè)諧波阻抗zc構(gòu)成的未知矩陣；用盲源分離模型表示阻抗先驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如下式所示?/p>

12、

13、其中，sc1和sc2表示放縮尺度；和分別為pcc點(diǎn)上測(cè)得的電壓、電流的快變分量；和分別為系統(tǒng)測(cè)和用戶側(cè)電流的快變分量；

14、步驟1.3：定義混合系數(shù)，計(jì)算系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗zs：

15、

16、其中，kc1和kc2為混合系數(shù)；a11、a21、a12和a22為混合矩陣a中的元素；

17、由式(2)中混合矩陣a的表示，可知

18、

19、步驟1.4：通過非注入式諧波阻抗測(cè)量，得到奇數(shù)次諧波下的阻抗，運(yùn)用矢量擬合法進(jìn)行曲線擬合，得到非注入式阻抗測(cè)量先驗(yàn)結(jié)果，包括阻抗曲線及阻抗測(cè)量集

20、更進(jìn)一步，所述步驟2具體包括：

21、步驟2.1：幅值選擇

22、pcc處背景噪聲中系統(tǒng)諧波的各次諧波幅值為：

23、

24、其中，ani(f)是頻率f下噪聲電流的幅值，anv(f)是頻率f下噪聲電壓的幅值；p(f)為頻率f下噪聲功率；

25、在第i次注入式阻抗測(cè)量中，在頻率fk下滿足電壓信噪比要求的最小幅值asnrv(fk)(i)為：

26、asnrv(fk)(i)＝|snrranv(fk)|??????????????????????????(6)

27、其中，anv(fk)是頻率fk下噪聲電壓的幅值；snrr為最小信噪比；上標(biāo)(i)表示是第i次注入式阻抗測(cè)量；

28、同樣的，在頻率fk下滿足電流信噪比要求的最小幅值asnri(fk)(i)為：

29、asnri(fk)(i)＝|snrrani(fk)z(fk)(i-1)|?????????????????????(7)

30、其中，ani(fk)是頻率fk下噪聲電流的幅值，z(fk)(i-1)是第i-1次注入式諧波阻抗測(cè)量中頻率為fk的阻抗；

31、同時(shí)滿足頻率fk下電壓、電流信噪比要求的擾動(dòng)信號(hào)幅值為：

32、a(fk)(i)＝max[asnrv(fk)(i),asnri(fk)(i)]??????????????????????(8)

33、因此，在離散時(shí)域下，正弦信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

34、

35、其中，k為多正弦信號(hào)的正弦分量個(gè)數(shù)；第k個(gè)正弦分量的幅值、頻率和相位分別為a(fk)(i)、fk和tmax表示信號(hào)持續(xù)時(shí)間，np表示采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)；

36、步驟2.2：頻率選擇

37、當(dāng)選擇注入頻率為fk的信號(hào)時(shí)，頻率為fban的信號(hào)不被同時(shí)注入；頻率fban的表達(dá)式為：

38、

39、其中，fbase為基波頻率；

40、并令禁選頻率集fban為：

41、fban＝{f|f＝fban}??????????????????????????????(11)

42、采集到的離散時(shí)間信號(hào){x(n)}的頻譜分辨率為：

43、

44、其中，fs為采樣率；

45、則能夠被選擇用于諧波阻抗測(cè)量的頻率fm，即頻譜里能夠分辨的離散頻率點(diǎn)為：

46、fm＝m×δf?m＝1,2,...,np/2???????????????????????(13)

47、其中，m表示第m個(gè)采樣點(diǎn)；

48、將頻率區(qū)間[fmin,3fbase]按對(duì)數(shù)均勻劃分為k個(gè)子區(qū)間，使fk位于第k個(gè)子區(qū)間，即

49、

50、其中，fmin為選取的頻率的最小值；

51、步驟2.3：頻率分量的相位及頻率分量個(gè)數(shù)選擇

52、對(duì)多正弦信號(hào)各個(gè)頻率分量的相位及分量個(gè)數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使其滿足：

53、vpeak＝max(|v(n)|)＜10％vnom?????????????????????????(15)

54、其中，vpeak為多正弦電壓信號(hào)v(n)幅值的最大值；vnom為額定電壓；

55、通過改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到擾動(dòng)信號(hào)最小幅值下所對(duì)應(yīng)的各個(gè)頻率分量的相位及頻率分量個(gè)數(shù)k；

56、目標(biāo)函數(shù)為：

57、

58、其中，minimize|x(n)|表示x(n)幅值最小化。

59、更進(jìn)一步，所述步驟2.3中通過改進(jìn)的粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算具體為：

60、粒子群算法中，粒子群的位置更新公式及速度更新公式如下：

61、

62、

63、其中，分別為第k次、第k+1次迭代粒子p飛行速度矢量的第d維分量；ω為慣性權(quán)重；c1和c2分別為個(gè)體和群體學(xué)習(xí)因子；r1和r2為[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)；為粒子p到目前為止找到的最優(yōu)位置的第d維分量；為至今所有粒子找到的最優(yōu)位置的第d維分量；和分別為第k次、第k+1次迭代粒子p位置矢量的第d維分量；

64、每個(gè)粒子代表一個(gè)可能的相位解，因此每個(gè)粒子有k個(gè)維度，即維度d＝k；

65、適應(yīng)度函數(shù)為：

66、fitness＝-|x(n)|???????????????????????????????(19)

67、使慣性權(quán)重ω為：

68、

69、其中，ωmax和ωmin分別為最大慣性權(quán)重和最小慣性權(quán)重，t為當(dāng)前迭代次數(shù)；n為總迭代次數(shù)；

70、分別令學(xué)習(xí)因子c1和c2為：

71、

72、

73、其中，c1max和c1min分別為學(xué)習(xí)因子c1的最大值和最小值；c2max和c2min分別為學(xué)習(xí)因子c2的最大值和最小值；

74、具有最高適應(yīng)度，即最小幅值的粒子所代表的相位組合是問題的最優(yōu)相位解及頻率解。

75、更進(jìn)一步，所述步驟3具體包括：

76、通過阻抗測(cè)量裝置，將步驟2中得到的多正弦信號(hào)注入被測(cè)系統(tǒng)中，并在pcc點(diǎn)上采集電壓vm、電流im波形，并應(yīng)用dft獲得擾動(dòng)信號(hào)頻率下的電壓電流，即

77、

78、式中，vm(fk)、im(fk)表示頻率fk下dft結(jié)果；

79、通過波動(dòng)量法，得到對(duì)應(yīng)頻率的阻抗zm(fk)，即

80、

81、將這k個(gè)阻抗測(cè)量結(jié)果用zm＝{zm(fk)|k＝1,2,...,k}表示，并將其分為兩個(gè)互補(bǔ)集合，即

82、

83、其中，為頻率為fk的阻抗測(cè)量集；為頻率除fk外的阻抗測(cè)量集；

84、將與非注入式阻抗測(cè)量中獲得的阻抗測(cè)量集中各點(diǎn)進(jìn)行矢量擬合，得到擬合的阻抗測(cè)量曲線zfit(s)，則估計(jì)誤差ek為：

85、

86、其中，zfit(fk)為擬合曲線上頻率為fk所對(duì)應(yīng)的阻抗值；

87、將估計(jì)誤差ek≤er的測(cè)量點(diǎn)阻抗與非注入式阻抗測(cè)量中獲得的阻抗測(cè)量集組成準(zhǔn)確集即

88、

89、其中，er為誤差限；為上一輪阻抗測(cè)量的準(zhǔn)確測(cè)量集；

90、準(zhǔn)確集包含第j輪及之前輪次中所有滿足誤差要求的測(cè)量點(diǎn)；最后，對(duì)準(zhǔn)確集中所有阻抗進(jìn)行矢量擬合得到阻抗曲線。

91、更進(jìn)一步，所述步驟4具體包括：

92、步驟3中，若存在估計(jì)誤差ek＞er的測(cè)量點(diǎn)，則在下一輪注入式阻抗測(cè)量時(shí)在上分配各更多測(cè)量點(diǎn)；定義關(guān)注度pk并對(duì)其歸一化得：

93、

94、

95、其中，pk'為歸一化的關(guān)注度；

96、在下一輪分配在上的測(cè)量點(diǎn)個(gè)數(shù)nk為：

97、nk＝[pk'k]????????????????????????????????(30)

98、其中，k為步驟2中確定的多正弦信號(hào)正弦分量數(shù)，[]表示四舍五入函數(shù)；

99、若出現(xiàn)∑nk≠k的情況，則對(duì)nk中最大的nmax進(jìn)行調(diào)整直至∑nk＝k；

100、之后，下一輪的測(cè)量點(diǎn)滿足步驟2.2的頻率選擇條件，在各自的區(qū)間內(nèi)對(duì)數(shù)均勻分布；

101、而幅值確定方法采用步驟2.1中所提及的確定多正弦信號(hào)分量幅值方法；

102、相位則通過步驟2.3中所提及的粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行計(jì)算；

103、最后，將確定的下一輪多正弦信號(hào)模型注入至待測(cè)系統(tǒng)中，阻抗曲線求解方法采用步驟3的方法；若擬合曲線的最大估計(jì)誤差大于精度要求，則重復(fù)步驟4；反之?dāng)M合結(jié)束，得到相應(yīng)阻抗曲線。

104、本發(fā)明的有益效果是：

105、本發(fā)明收集并處理了pcc點(diǎn)上相關(guān)數(shù)據(jù)，通過非注入式阻抗測(cè)量方法獲得相關(guān)阻抗先驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?duì)背景噪聲建模，此后基于非注入式阻抗測(cè)量先驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)注入式阻抗測(cè)量的多正弦擾動(dòng)信號(hào)后注入并擬合阻抗曲線，此后根據(jù)估計(jì)誤差進(jìn)行多正弦信號(hào)的再設(shè)計(jì)及迭代擬合，最終得到精度要求的阻抗曲線。較于單純的注入式、非注入式阻抗測(cè)量更為精確，準(zhǔn)確度高。

106、本發(fā)明結(jié)合了非注入式測(cè)量法和注入式測(cè)量法的優(yōu)勢(shì)，通過多輪測(cè)量過程，首先使用非注入式方法獲取系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗的初步估計(jì)，然后利用注入式方法對(duì)特定關(guān)注度較高的諧波進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量和修正；通過這種基于非注入式先驗(yàn)結(jié)果的注入式阻抗測(cè)量方法，可以有效減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量結(jié)果的可靠性及測(cè)量的快速性。