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电网电能质量评估方法及系统

申请号 CN202311742527.7 申请日 2023-12-18 公开(公告)号 CN117639107B 公开(公告)日 2024-05-17
申请人 青岛德士朗电气有限公司; 发明人 张强; 王晶; 马楠楠;
摘要 本 申请 提供一种配 电网 电能 质量 评估方法及系统,该方法包括:获取目标配电网中待评估的初始电能数据;对初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据;采用配电网特征分析模型对第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能 频域特征 ;电能时域特征至少包括: 电压 或 电流 的 波形 畸变值;电能频域特征至少包括:谐波含量特征、 频率 偏移特征、功率 频谱 特征;通过电能质量评估模型对电能时域特征和/或电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果。该方法可以获得配电网电能质量评估结果,为配电网中电 力 输送资源的调度提供重要参考,有助于有助于提升配电网的 稳定性 ,提高 能源 利用效率。
权利要求

1.一种配电网电能质量评估方法,其特征在于,所述方法包括:
获取目标配电网中待评估的初始电能数据;
对所述初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据;
采用配电网特征分析模型对所述第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征;所述电能时域特征至少包括:电压电流波形畸变值;所述电能频域特征至少包括:谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征;
通过电能质量评估模型对所述电能时域特征和/或所述电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果;
采用配电网特征分析模型对所述第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征,包括:
将所述第一电能数据输入第一配电网特征分析模型中,以获得所述电能时域特征;所述第一配电网特征分析模型由变分自编码器构建得到;
将所述第一电能数据输入第二配电网特征分析模型中,以获得所述电能频域特征;所述第二配电网特征分析模型由二维卷积神经网络2D‑CNN以及傅里叶变换网络构建得到;
通过电能质量评估模型对所述电能时域特征和/或所述电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果,包括:
将电压的波形畸变值、电流的波形畸变值、谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征输入到随机森林模型中,以获得电能质量评估结果。
2.根据权利要求1所述的配电网电能质量评估方法,其特征在于,对所述初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据,包括:
从所述初始电能数据中确定待填补的缺失电能数据点;
计算所述缺失电能数据点与所述初始电能数据中已存在的电能数据点之间的距离;
选择K个最邻近的电能数据点对所述缺失电能数据点进行插值处理,以获得所述第一电能数据。
3.根据权利要求2所述的配电网电能质量评估方法,其特征在于,插值处理可表示为如下公式:

其中,h{y}是所述缺失电能数据点的插值结果,y_i是K个最邻近电能数据点的数值信息,\frac{1}{K}表示对K个最邻近电能数据点的求平均操作,\sum_{i=1}^{K}表示对K个最邻近电能数据点的求和操作,i为大于1并且小于K的数值。
4.根据权利要求1所述的配电网电能质量评估方法,其特征在于,将所述第一电能数据输入第一配电网特征分析模型中,以获得所述电能时域特征,包括:
获取所述第一电能数据输入到第一配电网特征分析模型的编码器,得到潜在空间向量,以使所述第一电能数据中的电能数据点映射到潜在空间中;
通过第一配电网特征分析模型的解码器,将所述潜在空间向量映射到电能数据空间中,重构得到所述第一电能数据对应的重构数据;
确定所述重构数据与所述第一电能数据之间的波形畸变值;所述波形畸变值用于评估第一电能数据波形的失真程度;所述波形畸变值包括均方根误差以及总谐波失真。
5.根据权利要求1所述的配电网电能质量评估方法,其特征在于,将所述第一电能数据输入第二配电网特征分析模型中,以获得所述电能频域特征,包括:
将所述第一电能数据转化为二维图像;
将所述二维图像输入到所述2D‑CNN中提取对应的二维图像时域特征;
将提取到的二维图像时域特征输入到傅里叶变换网络中;
通过所述傅里叶变换网络得到频域特征图,并将所述频域特征图输入到不同特征提取模型中,以提取得到谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征。
6.根据权利要求1所述的配电网电能质量评估方法,其特征在于,将电压的波形畸变值、电流的波形畸变值、谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征输入到随机森林模型中,以获得电能质量评估结果,包括:
将电压的波形畸变值、电流的波形畸变值、谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征输入到随机森林模型中;
遍历随机森林模型中的所有决策树,并根据各个决策树的决策规则进行预测,以得到各个决策树的预测结果;
将各个决策树的预测结果采用第一决策模型,得到所述电能质量评估结果;所述第一决策模型是基于多分类投票机制构建的。
7.根据权利要求1所述的配电网电能质量评估方法,其特征在于,对所述初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据之前,还包括:
对所述初始电能数据进行预处理;所述预处理至少包括:数据清洗、数据归一化;
对预处理得到的所述初始电能数据进行离群点检测处理,并从所述初始电能数据中剔除检测出的异常电能数据;
其中,离群点检测处理采用如下公式:

其中,X是初始电能数据点,(\mu)是电能数据的均值,(\sigma)是电能数据的标准差,z是标准化分数;\frac{(X ‑ \mu)}表示对(X ‑ \mu)的求平均操作;若z的绝对值超过设定阈值,则z对应的电能数据点为异常电能数据。
8.根据权利要求1所述的配电网电能质量评估方法,其特征在于,所述初始电能数据还包括不对称数据;所述不对称数据包括配电网中的各个局部区域不平衡的电压值或电流值;所述方法还包括:
基于所述不对称数据确定配电网负序系数、零序电流不平衡系数、不对称S含量、电压不平衡损耗;其中,所述配电网负序系数的计算公式如下:

其中,NSF为所述配电网负序系数;I_1为正序分量的幅值,用于表示配电网中正常运行的电流成分;I_2为负序分量的幅值,用于表示配电网中由负序电压引起的不对称电流成分;I_0为零序分量的幅值,用于表示配电网中由零序电压引起的不对称电流成分;
基于所述配电网负序系数、所述零序电流不平衡系数、所述不对称S含量、所述电压不平衡损耗,采用敏感性分析法计算配电网中不对称数据的不平衡程度的综合评估指标;其中,所述综合评估指标的计算公式如下:

其中,xi表示标准化后的第i个指标的值,wi表示第i个指标的权重。
9.一种配电网电能质量评估系统,其特征在于,所述系统包括:
获取模,用于获取目标配电网中待评估的初始电能数据;
增补模块,用于对所述初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据;
提取模块,用于采用配电网特征分析模型对所述第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征;所述电能时域特征至少包括:电压或电流的波形畸变值;所述电能频域特征至少包括:谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征;
预测模块,用于通过电能质量评估模型对所述电能时域特征和/或所述电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果;
采用配电网特征分析模型对所述第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征,包括:
将所述第一电能数据输入第一配电网特征分析模型中,以获得所述电能时域特征;所述第一配电网特征分析模型由变分自编码器构建得到;
将所述第一电能数据输入第二配电网特征分析模型中,以获得所述电能频域特征;所述第二配电网特征分析模型由二维卷积神经网络2D‑CNN以及傅里叶变换网络构建得到;
通过电能质量评估模型对所述电能时域特征和/或所述电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果,包括:
将电压的波形畸变值、电流的波形畸变值、谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征输入到随机森林模型中,以获得电能质量评估结果。

说明书全文

电网电能质量评估方法及系统

技术领域

[0001] 本申请属于电能评估领域,尤其涉及配电网电能质量评估方法及系统。

背景技术

[0002] 近年来,经济快速发展和人口增长导致居民用电、商业用电和工业用电显著增加。为了平衡供电需求和减少排放,电技术发展受到密切关注。
[0003] 配电网(Distribution network)是指从输电网(Transmission network)接收电力的一部分,将电力输送到最终用户的电力系统网络。对于配电网而言,随着可再生能源和分布式能源的发展,配电网资源的合理调配成为亟待一个基础问题。而合理调配的一个前提是,对配电网的电能质量评估进行准确评估,通过准确的评估结果能够基于实际需求合理调度配电网中的电力输送资源,有助于提升配电网的稳定性,减少配电网波动来的电能损耗问题,甚至是电力安全问题。
[0004] 然而,相关技术中,数据采集和监测的覆盖范围有限,无法全面覆盖整个配电网,因而,部分节点可能无法获得精确的电能质量数据,影响配电网评估结果的准确性。
[0005] 综上,亟待提出一种技术方案,用以克服相关技术中存在的上述技术问题。发明内容
[0006] 本申请提供了一种配电网电能质量评估方法及系统,用以实现配电网电能质量评估,有助于提升配电网的稳定性,提高能源利用效率。
[0007] 第一方面,本申请提供了一种配电网电能质量评估方法,所述方法包括:
[0008] 获取目标配电网中待评估的初始电能数据;
[0009] 对所述初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据;
[0010] 采用配电网特征分析模型对所述第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征;所述电能时域特征至少包括:电压电流波形畸变值;所述电能频域特征至少包括:谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征;
[0011] 通过电能质量评估模型对所述电能时域特征和/或所述电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果。
[0012] 第二方面,本申请实施例提供了一种配电网电能质量评估系统,包括:
[0013] 获取模,用于获取目标配电网中待评估的初始电能数据;
[0014] 增补模块,用于对所述初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据;
[0015] 提取模块,用于采用配电网特征分析模型对所述第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征;所述电能时域特征至少包括:电压或电流的波形畸变值;所述电能频域特征至少包括:谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征;
[0016] 预测模块,用于通过电能质量评估模型对所述电能时域特征和/或所述电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果。
[0017] 本申请实施例提供的技术方案中,获取目标配电网中待评估的初始电能数据。通过获取待评估的初始电能数据,可以基于实际的电能情况进行后续的处理和评估,为电能质量评估提供准确的基础数据。然后,对初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据。相较于相关技术,通过对初始电能数据进行增量插补处理,可以填补部分数据缺失,修正部分数据误差和偏差。接着,采用配电网特征分析模型对第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征。此处,电能时域特征至少包括:电压或电流的波形畸变值;电能频域特征至少包括:谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征。采用配电网特征分析模型对第一电能数据进行特征提取,可以从时域和频域两个方面获取电能数据的特征信息。电能时域特征可以反映电压或电流的波形畸变程度,而电能频域特征则包括谐波含量特征、频率偏移特征和功率频谱特征,这些特征能够描述电能质量的状态。最后,通过电能质量评估模型对电能时域特征和/或电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果。通过电能质量评估模型对电能时域特征和频域特征进行预测,可以得到目标配电网的电能质量评估结果。这个结果可以辅助电力系统的调度和运营,提供重要的参考信息,有助于提升配电网的稳定性,提高能源利用效率。通过本申请实施例可以实现配电网电能质量评估,为配电网中电力输送资源的调度提供数据基础。附图说明
[0018] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解,构成本申请的一部分,本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请,并不构成对本申请的不当限定。在附图中:
[0019] 图1是本申请实施例的一种配电网电能质量评估方法的流程示意图;
[0020] 图2是本申请实施例的一种配电网电能质量评估方法的原理示意图;
[0021] 图3是本申请实施例的一种配电网电能质量评估方法的原理示意图;
[0022] 图4是本申请实施例的一种配电网电能质量评估系统的示意图;
[0023] 图5是本申请实施例的一种电子设备的结构示意图。

具体实施方式

[0024] 为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
[0025] 除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本申请。
[0026] 为解决上述至少一个技术问题,本申请实施例提供了一种配电网电能质量评估方案。
[0027] 本申请实施例提供的配电网电能质量评估方案,可以由一电子设备来执行,该电子设备可以是服务器、服务器集群、服务器。该电子设备也可以是诸如手机、计算机、平板电脑、可穿戴设备、或者专用设备(如带有配电网管理系统的专用终端设备等)等终端设备。在一可选实施例中,该电子设备上可以安装有用于执行配电网电能质量评估方案的服务程序。
[0028] 图1为本申请实施例提供的一种配电网电能质量评估方法的流程图,如图1所示,该方法包括:
[0029] 101、获取目标配电网中待评估的初始电能数据。
[0030] 其中,配电网是指从输电网接收电力的一部分,将电力输送到最终用户的电力系统网络。它是电力系统中供电的最后一段环节,负责将高压输电网输送下来的电能进行降压、分配和传送,以满足不同用户的用电需求。在配电网中,电能经过变电站降压至合适的电压级别(如低压、中压等),并通过电缆导线变压器等设备进行传输和分配,最终供应给各类终端用户,如家庭、商业建筑、工业企业等。配电网主要包括以下两个主要部分:
[0031] 高压配电网(High Voltage Distribution Network):高压配电网承担将输电网输送下来的高压电能降压至中压或低压,再经过变配电站将电能传输至中心商业区、工业园区等区域。高压配电网通常使用较高的电压级别(如10 kV、35 kV等)。
[0032] 低压配电网(Low Voltage Distribution Network):低压配电网从变配电站将电能进一步降压至用户所需的低压级别(如220V、380V等),通过电缆、导线等输送至家庭、商业建筑、工业企业等终端用户。低压配电网主要负责将电能送达用户,并提供稳定的电能供应。
[0033] 无论是何种配电网,其设计和运行均需考虑运行过程中的稳定性,从而使其能够确保电能稳定供应,保证用户的用电需求得到满足。配电网中使用各种设备和技术,如变电站、变压器、配电柜、保护设备等,以确保电能质量、电压稳定性和供电可靠性。同时,随着可再生能源和分布式能源的发展,配电网也面临着新的挑战和改进机会,以适应未来能源系统的变化和需求。
[0034] 针对上述电能质量评估需求,需要先获取待评估的初始电能数据,为后续处理步骤提供数据基础。本申请实施例中,初始电能数据包括但不限于:电压数据、电流数据、频率数据、谐波数据、瞬变数据、不对称数据。
[0035] 其中,电压数据包括供电系统中各个节点的电压数据,如节点电压幅值、相位等。电压是电能质量评估的重要参数之一,可以用于评估供电系统的稳定性、电压偏差、电压波动等情况。电流数据包括供电系统中各个节点的电流数据,如节点电流幅值、相位角等。电流数据可以用于评估供电系统的负载情况、电流不平衡、谐波含量等方面的电能质量问题。频率数据包括供电系统中电网频率的变化情况。电网频率的偏离可以说明供电系统的稳定程度,频率变化的剧烈程度可以评估供电系统的电能质量。瞬变数据包括供电系统中出现的瞬时变化情况,如电压瞬变、电流瞬变等。瞬变是一种电能质量问题,瞬变的幅值、持续时间等信息可以帮助评估供电系统的可靠性和稳定性。不对称数据包括供电系统中电压和电流的不对称情况。不对称现象可能会引起电网不平衡、设备过热、电力损耗增加等问题,因此需要对不对称进行评估。
[0036] 实际应用中,这些初始电能数据可以通过下几种方式采集得到:
[0037] 第一,可以通过在配电网的关键节点安装电能仪表,实时监测和记录电压、电流、功率等电能参数的数据。这些仪表可以提供准确的电能数据,作为评估的初始数据来源。
[0038] 第二,可以采用数据采集系统实时获取配电网各个节点的电能数据。这些数据采集系统将电能仪表的测量结果传输到数据处理中心,进行存储和分析,以获得待评估的初始电能数据。
[0039] 第三,可以通过安装在变压器、开关设备等关键位置智能电网传感器实时监测电能参数,并将数据传输到中央控制系统。通过智能电网传感器,可以获取配电网中各个节点的电能数据,作为评估的初始数据源。
[0040] 第四,远程监测平台可以通过远程通信技术与配电网中的设备进行数据交互。通过与配电网设备的通信可以获取相关的电能数据,并用于评估配电网的电能质量。
[0041] 综上所述,获取目标配电网中待评估的初始电能数据可以利用电能仪表数据、数据采集系统、智能电网传感器和远程监测平台等多种方式,实时监测和记录电能参数的数据,为后续的电能质量评估提供准确的初始数据。
[0042] 通过步骤101中获取待评估的初始电能数据,可以基于实际的电能情况进行后续的处理和评估,为电能质量评估提供准确的基础数据。
[0043] 102、对初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据。
[0044] 由于相关技术中,数据采集和监测的覆盖范围可能有限,无法全面覆盖整个配电网,因此,某些重要节点可能无法获得精确的电能质量数据,导致后续得到的评估结果的准确性和全面性受到限制。
[0045] 针对这一问题,本申请实施例中,会对初始电能数据进行增量插补处理,以填补部分数据缺失,修正部分数据误差和偏差,改善相关技术中存在的数据缺失问题。
[0046] 实际应用中,可以采用比如线性插值、多项式插值、k‑最近邻插值(K‑Nearest Neighbors Interpolation,KNN)插值法等方式,补齐缺失的部分节点的电能数据。也可以基于模型的方法(如回归模型、时间序列模型等)来填补缺失的重要节点的电能数据,以提升电能数据的完整性和可靠性。
[0047] 作为一个可选实施例,步骤102可以采用KNN插值法来实现。具体来说,从初始电能数据中确定待填补的缺失电能数据点;计算缺失电能数据点与初始电能数据中已存在的电能数据点之间的距离;选择K个最邻近的电能数据点对缺失电能数据点进行插值处理,以获得第一电能数据。
[0048] 具体而言,首先,需要确定KNN插值法中的K值。此处,选择合适的K值可以确定在插值过程中用于填补缺失值的邻近数据点的数量。K值的选择可以基于经验、领域知识或者通过交叉验证等方法获得。进而,需要计算缺失电能数据点与其他初始电能数据之间的距离。本申请实施例中可以使用欧氏距离或曼哈顿距离等作为距离度量。进而,根据计算出来的距离,确定与缺失电能数据点之间距离最邻近的K个电能数据点。最后,采用最邻近的K个电能数据点的数值信息对缺失电能数据点进行插值处理,包括但不限于:均值插值处理、或加权平均插值处理。
[0049] 进一步可选地,KNN插值法中的插值处理可表示为如下公式:
[0050] ;
[0051] 其中,h{y}是所述缺失电能数据点的插值结果,y_i是K个最邻近电能数据点的数值信息,\frac{1}{K}表示对K个最邻近电能数据点的求平均操作,\sum_{i=1}^{K}表示对K个最邻近电能数据点的求和操作,i为大于1并且小于K的数值。\frac{}{}是数学中的分数形式表示,表示分子和分母的形式,这个符号通常用于表示两个数的比值或分数。
[0052] 通过上述公式可以通过计算K个最邻近电能数据点的数值信息补充得到缺失的电能数据点。这里的K值代表选择的最邻近电能数据点的数量,可以根据实际需要进行调整。而KNN插值法是一种基于最邻近电能数据点的插值方法,在应用时需要确保数据特征空间具有一定的连续性。
[0053] 应注意的是,异常值也可能对插值结果产生影响,因此在使用KNN插值法进行插值时,需要其他方法来处理异常值的影响。
[0054] 举例来说,假设有一个配电网的电能数据,记录了每个节点的电能消耗情况。这些节点包括传感器、测量仪器等,它们分布在整个配电网的各个位置。假设配电网中有一个节点的电能数据点存在缺失,那么,可以通过KNN插值法来填补这个缺失数据。
[0055] 首先,要确定KNN插值法中的K值。假设选择K=5,即选择邻近的5个数据点来进行插值。这个K值的选择可以基于经验或者通过交叉验证来确定。接下来,需要计算缺失电能数据点与其他初始电能数据点之间的距离。可以使用欧氏距离或曼哈顿距离作为距离度量。假设的缺失数据点是节点A,与其他数据点的距离如下:
[0056] 与节点B的距离为5;
[0057] 与节点C的距离为7;
[0058] 与节点D的距离为3;
[0059] 与节点E的距离为9;
[0060] 与节点F的距离为8;
[0061] 根据距离大小,选择与节点A距离最近的5个数据点进行插值处理,即节点D、节点B、节点C、节点F和节点E。最后,采用最邻近的5个数据点的数值信息进行插值处理。这里可以采用均值插值处理。
[0062] 假设节点D的电能数据为10,节点B的电能数据为8,节点C的电能数据为12,节点F的电能数据为9,节点E的电能数据为11。则根据公式:
[0063] 可以计算节点A的插值结果:
[0064] ;
[0065] 也即通过KNN插值法,将节点A的缺失电能数据点插值为10。通过上述示例可以展示,使用KNN插值法填补配电网中一个缺失的电能数据点的具体实施方式。
[0066] 作为一个可选实施例,102中对初始电能数据进行增量插补处理以获得第一电能数据之前,还可以对初始电能数据进行预处理;预处理至少包括:数据清洗、数据归一化。进而,对预处理得到的初始电能数据进行离群点检测处理,并从初始电能数据中剔除检测出的异常电能数据。其中,离群点检测处理采用如下公式:
[0067] ;
[0068] 其中,X是初始电能数据点,\mu是电能数据的均值,\sigma是电能数据的标准差,z是标准化分数。与上文类似,\frac{(X ‑ \mu)}表示对(X ‑ \mu)的求平均操作。若z的绝对值超过设定阈值,则z对应的电能数据点为异常电能数据。
[0069] 103、采用配电网特征分析模型对第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征。其中,电能时域特征至少包括:电压或电流的波形畸变值。电能频域特征至少包括:谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征。
[0070] 上述步骤中,通过配电网特征分析模型对第一电能数据进行特征提取,可以从时域和频域两个方面获取电能数据的特征信息。电能时域特征可以反映电压或电流的波形畸变程度,而电能频域特征则包括谐波含量特征、频率偏移特征和功率频谱特征,这些特征能够描述电能质量的状态。
[0071] 作为一个可选实施例,103中,采用配电网特征分析模型对第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征,参见图2所示,可以实现为如下步骤201至202:
[0072] 201、将第一电能数据输入第一配电网特征分析模型中,以获得电能时域特征。
[0073] 本申请实施例中,第一配电网特征分析模型由变分自编码器(Variational Autoencoder,VAE)构建得到。VAE是一种监督学习方法,它通过学习输入数据的潜在空间分布,可以从中抽取低维表示,用于特征提取和生成新的数据样本。
[0074] 进一步可选地,本申请中采用VAE的变体即Disentangled VAE来构建第一配电网特征分析模型。该变体旨在学习可解释因素的潜在表示。
[0075] 在构建得到的这一模型中,获取第一电能数据输入到第一配电网特征分析模型的编码器(Encoder),得到潜在空间向量,以使第一电能数据中的电能数据点映射到潜在空间中。进而,通过第一配电网特征分析模型的解码器(Encoder),将潜在空间向量映射到电能数据空间中,重构得到第一电能数据对应的重构数据。最终,确定重构数据与第一电能数据之间的波形畸变值;波形畸变值用于评估第一电能数据波形的失真程度。
[0076] 举例来说,假设第一电能数据中有N个电能数据点,那么,X={x1,x2,...,xN},其中,xi表示集合中的一个电能数据点。假设通过第一配电网特征分析模型可以学习得到各个电能数据点在潜在空间中对应的向量表示,即Z={z1,z2,...,zN},其中zi集合中的一个潜在空间向量,各个向量均具有解耦性。
[0077] 基于上述假设,在第一配电网特征分析模型的编码器中,编码器将输入的电能数据点xi映射至潜在空间,从而输出一个潜在空间向量zi。编码器可以采用多层感知器(Multilayer Perceptron,MLP)结构。进一步可选地,编码器将xi映射为潜在空间中的均值向量μi和方差向量σi,即:
[0078] ;
[0079] 进而,第一配电网特征分析模型的解码器中,解码器将潜在空间向量zi重新映射到原始电能数据空间中,以重构得到第一电能数据对应的重构数据xi,即:
[0080] ;
[0081] 最终,确定重构数据与第一电能数据之间的波形畸变值。实际应用中,波形畸变值包括均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)以及总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)。
[0082] 均方根误差(RMSE):计算重构数据xi与原始的电能数据点xi之间的差异,并对差值进行平方、求和、开方的操作,即
[0083] ;
[0084] 总谐波失真(THD):计算重构数据xi中的谐波分量的比率,用于衡量波形的失真程度。可以通过计算有效值与非基波分量的总功率之比来计算,即:
[0085] ;
[0086] 其中,Nh为谐波阶数,Hk表示第k个谐波分量。
[0087] 通过第一配电网特征分析模型学习电能数据的潜在表示,以计算波形畸变值,可以评估电压或电流的波形失真程度。这些评价指标旨在帮助分析和改进配电网的电能性能和质量。
[0088] 202、将第一电能数据输入第二配电网特征分析模型中,以获得电能频域特征。
[0089] 本申请实施例中,第二配电网特征分析模型由二维卷积神经网络(  2D‑Convolutional Neural Network,2D‑CNN)以及傅里叶变换网络(Fourier Transform Network)构建得到。
[0090] 其中,2D‑CNN模型适用于对多个电能数据的序列进行频域特征提取,例如配电网中多个节点、多个设备的电能数据。通过傅里叶变换网络可以直接将电能数据转换到频域特征空间。这种方法可以显式地提取谐波含量特征、频率偏移特征和功率频谱特征。网络的结构可以类似于卷积神经网络或全连接层,通过学习网络的参数来实现数据的频域特征提取。
[0091] 其中,作为一个可选实施例,202中,将第一电能数据转化为二维图像;将二维图像输入到2D‑CNN中提取对应的二维图像时域特征;将提取到的二维图像时域特征输入到傅里叶变换网络中;通过傅里叶变换网络得到频域特征图,并将频域特征图输入到不同特征提取模型中,以提取得到谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征。
[0092] 具体来说,作为一个可选实施例,202中,对谐波含量特征而言,将第一电能数据序列转化为二维图像X。例如,将电能数据序列使用热力图的形式进行表示。进而,使用2D‑CNN模型对二维图像X进行处理得到时域特征图F(X),并对时域特征图F(X)进行傅里叶变换,得到频域特征图H(F(X))。在频域特征图H(F(X))中,通过对频域图像的幅度进行分析得到谐波幅度谱。对于每个频率点k,可以计算其对应的幅度Ak,表示该频率上的信号强度。其中,谐波幅度谱的计算公式:
[0093] ;
[0094] 其中,Re表示实部,Im表示虚部,H(F(X))(k)表示频域特征图H(F(X))中的第k个频率点处的复数值。
[0095] 通过这个模型可以提取电能数据的谐波幅度谱特征,这将有助于评估电能数据中的各个谐波强度信息。
[0096] 具体来说,作为一个可选实施例,202中,对频率偏移特征而言,将第一电能数据序列转化为二维图像X。例如,将电能数据序列使用热力图的形式进行表示。进而,使用2D‑CNN模型对二维图像X进行处理得到时域特征图F(X),并对时域特征图F(X)进行傅里叶变换,得到频域特征图H(F(X))。在频域特征图H(F(X))中,通过对频域特征图H(F(X))的相位进行分析得到相位谱。对于每个频率点k,可以计算其对应的相位φk,表示该频率上的相位偏移信息。其中,相位谱的计算公式:
[0097] ;
[0098] 其中,Re表示实部,Im表示虚部,H(F(X))(k)表示频域特征图H(F(X))中的第k个频率点处的复数值。
[0099] 通过这个模型提取电能数据的频率偏移特征,这将有助于评估电能数据中不同频率上的相对位置和相位信息。
[0100] 具体来说,作为一个可选实施例,202中,对功率频谱特征而言,将第一电能数据序列转化为二维图像X。例如,将电能数据序列使用热力图的形式进行表示。进而,使用2D‑CNN模型对二维图像X进行处理得到时域特征图F(X),并对时域特征图F(X)进行傅里叶变换,得到频域特征图H(F(X))。在频域特征图H(F(X))中,功率谱密度可以通过对频域特征图H(F(X))的幅度进行平方操作得到。对于每个频率点k,可以计算其对应的功率谱Pk,表示该频率上的功率分布情况。其中,功率谱密度的计算公式:
[0101] ;
[0102] 其中,|H(F(X))(k)|表示频域特征图H(F(X))中的第k个频率点处的幅度值。
[0103] 通过这个模型提取电能数据的功率频谱特征,这将有助于评估电能数据在不同频率上的功率分布情况。
[0104] 104、通过电能质量评估模型对电能时域特征和/或电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果。
[0105] 这一步骤,通过电能质量评估模型对电能时域特征和频域特征进行预测,可以得到目标配电网的电能质量评估结果。这个结果可以指导电力系统的调度和运营,提供重要的参考信息,有助于提升配电网的稳定性,提高能源利用效率。
[0106] 具体而言,作为一个可选实施例,104中,将电压的波形畸变值、电流的波形畸变值、谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征输入到随机森林模型(Random Forest)中,以获得目标配电网的电能质量评估结果。
[0107] 其中,随机森林是一种集成学习模型,由多个决策树组成。通过训练多个决策树并进行集成,可以提高预测性能和鲁棒性。
[0108] 进一步可选地,参见图3所示,上述步骤可以进一步实现为:
[0109] 301、将电压的波形畸变值、电流的波形畸变值、谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征输入到随机森林模型中;
[0110] 302、遍历随机森林模型中的所有决策树,并根据各个决策树的决策规则进行预测,以得到各个决策树的预测结果;
[0111] 303、将各个决策树的预测结果采用第一决策模型,得到电能质量评估结果;第一决策模型是基于多分类投票机制构建的;或者,将各个决策树的预测结果采用第二决策模型,得到电能质量评估结果;所述第二决策模型是基于回归机制构建的。
[0112] 对于多分类投票机制而言,第一决策模型的数学表达式可以表示为:
[0113] ;
[0114] 其中,at{y}是最终的电能质量评估结果,h(x)是每棵决策树的预测结果,Nt是随机森林中决策树的个数。mode表示从多个预测结果中取众数,即选取出现最多次的分类预测类别。
[0115] 对于回归机制而言,第二决策模型的数学表达式可以表示为:
[0116] ;
[0117] 其中,at{y}是最终的电能质量评估结果,h(x)是每棵决策树的预测结果,Nt是随机森林中决策树的个数。sum表示求和计算,其得到的是每棵决策树预测结果的平均值。
[0118] 除了上述异常值处理方式之外,由于不对称现象可能会引起电网不平衡、设备过热、电力损耗增加等异常情况,因此还可以对配电网中的不对称现象进行评估,以进一步排除异常情况。
[0119] 本申请实施例中,可选地,假设初始电能数据还包括不对称数据。该不对称数据包括配电网中的各个局部区域不平衡的电压值或电流值。基于此,基于不对称数据确定评估指标,包括但不限于:配电网负序系数、零序电流不平衡系数、不对称S含量、电压不平衡损耗。通过上述评估指标可以从多个角度综合评估配电网中不对称数据的不平衡程度。
[0120] 其中,配电网负序系数,通过负序系数中体现出的负序分量和零序分量与正序分量之间的比值,能够反映不同相位之间的不平衡程度。进而,可以通过与标准值进行比较,评估配电网电能质量的不对称程度。通常情况下,负序系数越大,表明不对称数据越严重,配电网的电能质量越差。进一步可选地,配电网负序系数的计算公式如下:
[0121] ;
[0122] 其中,NSF为配电网负序系数;I_1为正序分量的幅值,用于表示配电网中正常运行的电流成分;I_2为负序分量的幅值,用于表示配电网中由负序电压引起的不对称电流成分;I_0为零序分量的幅值,用于表示配电网中由零序电压引起的不对称电流成分。
[0123] 上述公式中,通过计算负序分量I_2和零序分量I_0的幅值的平方和的平方根\sqrt{I_2^2 + I_0^2},然后将其与正序分量I_1进行比值,得到的比值结果再乘以100%,得到最终的负序系数NSF。
[0124] 零序电流不平衡系数(Zero Sequence Current Unbalance Factor),用于评估零序电流的不平衡程度。可选地,可以获取零序电流的波形,并计算零序电流的幅值差异,用来评估零序电流的不平衡程度。具体来说,可以通过以下步骤来计算零序电流不平衡系数:
[0125] 首先,需要获取三相系统中每个相的零序电流值。这可以通过相应的测量设备(例如零序电流变压器)获取。然后,计算零序电流的幅值差异。可以按照以下公式计算零序电流不平衡系数即I0UF:
[0126] ;
[0127] 其中,Imax是三相零序电流的最大值,Imin是三相零序电流的最小值,Imean是三相零序电流的平均值。此处,Imean可以通过求和所有相的零序电流值并除以相数得到。最后,通过计算得到的零序电流不平衡系数,可以评估零序电流的不平衡程度。如果零序电流不平衡系数接近于0,表示零序电流几乎没有不平衡;而如果系数接近于1,则表示零序电流非常不平衡。
[0128] 不对称S含量(Unsymmetrical S Content,USC),是指三相功率不对称程度的一种量化指标。作为一个可选实施例,首先,需要获取三相系统中每一相的功率值。比如,通过功率测量仪器或电力监测系统获取,以获得三相有功功率(P)和无功功率(Q)的数值。接下来,计算总的有功功率(Ptotal)和无功功率(Qtotal):
[0129] ;
[0130] ;
[0131] 其中,P1、P2、P3分别表示A、B、C相的有功功率,Q1、Q2、Q3分别表示A、B、C相的无功功率。然后,计算单相功率不平衡系数(UPC):
[0132] ;
[0133] 其中,max(P1,P2,P3)表示A、B、C相中最大的有功功率值,min(P1, P2,P3)表示A、B、C相中最小的有功功率值。
[0134] 最后,通过以下公式计算不对称S含量(USC):
[0135] ;
[0136] 其中,USC表示配电网的综合不对称S含量,其中UPC2代表有功功率不平衡程度,2
(Qtotal / Ptotal) 代表无功功率与有功功率之比。
[0137] 通过上述步骤,可以计算出不对称S含量,用以评估三相功率的不对称程度。可以理解的是,USC的值越高,表示三相功率的不对称程度越大。
[0138] 电压不平衡损耗(Unbalanced Voltage Loss),是由于三相电压不平衡而引起的额外损耗,也是一种反映电网不对称程度的指标。具体来说,可以通过以下步骤来计算电压不平衡损耗:
[0139] 首先,需要获取三相系统中每个相的电压值。这可以通过电压测量仪器或电力监测系统获取,以获得A、B、C相的电压数值。然后,计算三相电压幅值的平均值(Uavg):
[0140] ;
[0141] 其中,U1、U2、U3分别表示A、B、C相的电压值。
[0142] 接下来,计算电压幅值差异的平方和(Ud):
[0143] ;
[0144] 最后,计算电压不平衡损耗(Ploss):
[0145] ;
[0146] 其中,k是电压不平衡系数,根据具体情况选择合适的系数,通常在0.5至1之间;Ptotal是总的有功功率。
[0147] 通过上述步骤,可以计算出电压不平衡损耗,用以评估由于电压不平衡引起的额外功率损耗。一般来说,电压不平衡损耗的值越高,表示电压的不平衡程度越大,额外的功率损耗也越高。
[0148] 进而,通过前文介绍的几种评估指标,可以从多个角度综合评估配电网中不对称数据的不平衡程度。进一步可选地,综合评估的方法可以是,假设有n个指标,其标准化后的值分别为x1,x2,……,xn,对应的权重为w1,w2,……,wn,综合评估指标为Y。配电网中不对称数据的不平衡程度的综合评估指标的计算公式,表示为:
[0149] ;
[0150] 通过敏感性分析,可以评估综合评估指标对于各个权重的变化响应。如果将第i个指标的权重从wi变成(wi +Δwi),那么综合评估指标随之变化的量可以表示为:
[0151] ;
[0152] 根据上述公式,可以计算不同指标权重变化对综合评估指标的影响程度。其中,xi表示标准化后的第i个指标的值,wi表示第i个指标的权重。如果ΔY较大,说明该指标对于综合评估指标的重要性较高;如果ΔY较小,说明该指标对于综合评估指标的重要性较低。
[0153] 需要注意的是,由于每个指标都可能受到其他指标的影响,因此计算敏感性分析时需要考虑这种相互影响的情况。例如,采用蒙特卡罗法,使用随机数生成器和模拟器来生成一组随机权重,然后计算对应的综合评估指标。通过多次模拟,可以评估综合评估指标对于各个权重的变化响应,以实现权重设置对于综合评估指标的影响。
[0154] 综合上述Y的计算公式和ΔY的计算公式共同构成多指标计算综合评估指标网络,从而,通过这一网络可以评估配电网整体的不对称情况,并根据需求和优先级进行权重调整。
[0155] 本申请实施例中,获取目标配电网中待评估的初始电能数据;对初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据;采用配电网特征分析模型对第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征;通过电能质量评估模型对电能时域特征和/或电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果。本申请可以实现配电网电能质量评估,为配电网中电力输送资源的调度提供数据基础,有助于提升配电网的稳定性,提高能源利用效率。
[0156] 需要说明的是,上述实施例所提供方法的各步骤的执行主体均可以是同一设备,或者,该方法也由不同设备作为执行主体。另外,在上述实施例及附图中的描述的一些流程中,包含了按照特定顺序出现的多个操作,但是应该清楚了解,这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行,操作的序号如101、102、103、104等,仅仅是用于区分开各个不同的操作,序号本身不代表任何的执行顺序。另外,这些流程可以包括更多或更少的操作,并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。
[0157] 需要说明的是,本文中的“第一”、“第二”等描述,是用于区分不同的消息、设备、模块等,不代表先后顺序,也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
[0158] 以下将详细描述本申请的一个或多个实施例的配电网电能质量评估系统。本领域技术人员可以理解,这些配电网电能质量评估系统均可使用市售的硬件组件通过本方案所教导的步骤进行配置来构成。
[0159] 在本申请的又一实施例中,还提供了一种配电网电能质量评估系统,如图4所示,所述系统包括:
[0160] 获取模块401,用于获取目标配电网中待评估的初始电能数据;
[0161] 增补模块402,用于对所述初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据;
[0162] 提取模块403,用于采用配电网特征分析模型对所述第一电能数据进行特征提取,以得到电能时域特征和/或电能频域特征;所述电能时域特征至少包括:电压或电流的波形畸变值;所述电能频域特征至少包括:谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征;
[0163] 预测模块404,用于通过电能质量评估模型对所述电能时域特征和/或所述电能频域特征进行预测,以得到目标配电网的电能质量评估结果。
[0164] 可选地,增补模块402具体用于:从所述初始电能数据中确定待填补的缺失电能数据点;计算所述缺失电能数据点与所述初始电能数据中已存在的电能数据点之间的距离;选择K个最邻近的电能数据点对所述缺失电能数据点进行插值处理,以获得所述第一电能数据。
[0165] 可选地,插值处理可表示为如下公式:
[0166] ;
[0167] 其中,h{y}是所述缺失电能数据点的插值结果,y_i是K个最邻近电能数据点的数值信息,\frac{1}{K}表示对K个最邻近电能数据点的求平均操作,\sum_{i=1}^{K}表示对K个最邻近电能数据点的求和操作,i为大于1并且小于K的数值。
[0168] 可选地,提取模块403具体用于:将所述第一电能数据输入第一配电网特征分析模型中,以获得所述电能时域特征;所述第一配电网特征分析模型由变分自编码器构建得到;和/或,将所述第一电能数据输入第二配电网特征分析模型中,以获得所述电能频域特征;
所述第二配电网特征分析模型由二维卷积神经网络2D‑CNN以及傅里叶变换网络构建得到;
[0169] 预测模块404具体用于:将电压的波形畸变值、电流的波形畸变值、谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征输入到随机森林模型中,以获得电能质量评估结果。
[0170] 可选地,提取模块403将所述第一电能数据输入第一配电网特征分析模型中,以获得所述电能时域特征时,具体用于:
[0171] 获取所述第一电能数据输入到第一配电网特征分析模型的编码器,得到潜在空间向量,以使所述第一电能数据中的电能数据点映射到潜在空间中;
[0172] 通过第一配电网特征分析模型的解码器,将所述潜在空间向量映射到电能数据空间中,重构得到所述第一电能数据对应的重构数据;
[0173] 确定所述重构数据与所述第一电能数据之间的波形畸变值;所述波形畸变值用于评估第一电能数据波形的失真程度;所述波形畸变值包括均方根误差以及总谐波失真。
[0174] 可选地,提取模块403将所述第一电能数据输入第二配电网特征分析模型中,以获得所述电能频域特征时,具体用于:
[0175] 将所述第一电能数据转化为二维图像;
[0176] 将所述二维图像输入到所述2D‑CNN中提取对应的二维图像时域特征;
[0177] 将提取到的二维图像时域特征输入到傅里叶变换网络中;
[0178] 通过所述傅里叶变换网络得到频域特征图,并将所述频域特征图输入到不同特征提取模型中,以提取得到谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征。
[0179] 可选地,预测模块404将电压的波形畸变值、电流的波形畸变值、谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征输入到随机森林模型中,以获得电能质量评估结果时,具体用于:
[0180] 将电压的波形畸变值、电流的波形畸变值、谐波含量特征、频率偏移特征、功率频谱特征输入到随机森林模型中;
[0181] 遍历随机森林模型中的所有决策树,并根据各个决策树的决策规则进行预测,以得到各个决策树的预测结果;
[0182] 将各个决策树的预测结果采用第一决策模型,得到所述电能质量评估结果;所述第一决策模型是基于多分类投票机制构建的;或者
[0183] 将各个决策树的预测结果采用第二决策模型,得到所述电能质量评估结果;所述第二决策模型是基于回归机制构建的。
[0184] 可选地,所述系统还包括异常检测模块,用于在增补模块402对所述初始电能数据进行增量插补处理,以获得第一电能数据之前,对所述初始电能数据进行预处理;所述预处理至少包括:数据清洗、数据归一化;对预处理得到的所述初始电能数据进行离群点检测处理,并从所述初始电能数据中剔除检测出的异常电能数据;其中,离群点检测处理采用如下公式:
[0185] ;
[0186] 其中,X是初始电能数据点,(\mu)是电能数据的均值,(\sigma)是电能数据的标准差,z是标准化分数;\frac{(X ‑ \mu)}表示对(X ‑ \mu)的求平均操作;若z的绝对值超过设定阈值,则z对应的电能数据点为异常电能数据。
[0187] 可选地,所述初始电能数据还包括不对称数据;所述不对称数据包括配电网中的各个局部区域不平衡的电压值或电流值。
[0188] 所述系统还包括不对称评估模块,用于基于所述不对称数据确定配电网负序系数、零序电流不平衡系数、不对称S含量、电压不平衡损耗;其中,所述配电网负序系数的计算公式如下:
[0189] ;
[0190] 其中,NSF为所述配电网负序系数;I_1为正序分量的幅值,用于表示配电网中正常运行的电流成分;I_2为负序分量的幅值,用于表示配电网中由负序电压引起的不对称电流成分;I_0为零序分量的幅值,用于表示配电网中由零序电压引起的不对称电流成分;
[0191] 基于所述配电网负序系数、所述零序电流不平衡系数、所述不对称S含量、所述电压不平衡损耗,采用敏感性分析法计算配电网中不对称数据的不平衡程度的综合评估指标;其中,所述综合评估指标的计算公式如下:
[0192] ;
[0193] 其中,xi表示标准化后的第i个指标的值,wi表示第i个指标的权重。
[0194] 上述配电网电能质量评估系统,能够实现配电网电能质量评估,为配电网中电力输送资源的调度提供数据基础,有助于提升配电网的稳定性,提高能源利用效率。
[0195] 在本申请的又一实施例中,还提供一种电子设备,包括:处理器、通信接口存储器和通信总线,其中,处理器,通信接口,存储器通过通信总线完成相互间的通信;
[0196] 存储器,用于存放计算机程序
[0197] 处理器,用于执行存储器上所存放的程序时,实现方法实施例所述的配电网电能质量评估方法。
[0198] 上述电子设备提到的通信总线1140可以是外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect,PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry Standard Architecture,EISA)总线等。该通信总线1140可以分为地址总线数据总线、控制总线等。
[0199] 为便于表示,图5中仅用一条粗线表示,但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0200] 通信接口1120用于上述电子设备与其他设备之间的通信。
[0201] 存储器1130可以包括随机存取存储器(Random Access Memory,RAM),也可以包括非易失性存储器(non‑volatil ememory),例如至少一个磁盘存储器。可选的,存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
[0202] 上述的处理器1110可以是通用处理器,包括中央处理器(Central Pro‑cessing Unit,CPU)、网络处理器(Network Processor,NP)等;还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing,DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit,ASIC)、现场可编程阵列(Field‑Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0203] 相应地,本申请实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质,计算机程序被执行时能够实现上述方法实施例中可由电子设备执行的各步骤。
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