基于谱分析的电力负荷特征量提取方法研究.pdf

第5期（总第2 4 0 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 4 13（2 0 2 3)0 5-0 0 50-0 2基于谱分析的电力负荷特征量提取方法研究赵磊，全霞，李雪城，程鹏申，解进军（国网北京市电力公司客户服务中心，北京10 2 6 0 0）摘要：针对现有的电力负荷暂态特征量提取算法基于快速傅里叶变换（FFT）而FFT算法存在频谱泄漏和栅栏效应的问题，提出了同步化-Prony谱分析算法（Syn-Prony算法）。在传统的Prony算法基础上，对采样信号进行频移预处理，使其具有采样同步性；同时为了避免时频转换过程中频谱混叠干扰问题，对同步化后的采样信号使用梳状有限冲激响应（Comb-FIR）陷波滤波器进行处理。以典型居民家庭用电负荷为对象进行了实验研究，实验结果表明，Syn-Prony方法弥补了现有负荷辨识算法在暂态特征量提取方面的不足。关键词：负荷辨识；FFT；谱分析中图分类号：TM935.21文献标识码：A0引言在智能用电领域，电力负荷辨识研究的重要性日渐凸显。电力负荷辨识包括电能量获取、数据处理、事件检测、特征量提取、负荷辨识算法，其中特征量提取是负荷辨识准确与否的关键，也是负荷辨识算法运算的基岩的。现有研究将特征量提取分为稳态特征量提取和暂态特征量提取，目前有关稳态特征提取的算法较多，包括聚类算法、K均值聚类算法、近邻传播算法2 ，但对暂态特征量提取算法的研究不足，尤其是对含有大量电子开关器件的负荷辨识度不高。现有的暂态负荷特征量提取算法基于快速傅里叶变换（FFT），但FFT算法存在频谱泄漏和栅栏效应的问题，当负荷特征量之间的峰值频率小于FFT算法分辨率极限时将无法正确检出。谱分析法是一种新兴的电力负荷特征量提取方法，其优点是对有限的窄带信号没有频率分辨率的限制，可以分析无限小频率间隔的相邻两频率成分。常用的谱分析法有多信号分类（MUSIC)算法、Prony算法等。Prony算法在17 9 5年由数学家普罗尼(GaspardRichedeProny）提出，并应用于气体膨胀仿真领域，其优点是将非线性问题转化为线性问题，简化了计算过程，具有更好的频率分辨率，在负荷特征量辨识领域具有广阔的应用前景。本文提出了同步化-Prony谱分析算法（Syn-Prony)，以典型居民家庭用电负荷为研究对象，通过提取居民实际用电负荷信号并构建对比实验，对比分析了加窗插值FFT（WI-FFT)算法与基于准同步-梳状滤波器分离Prony谱分析算法（Syn-Prony）的特征量提取准确率，以弥补现有负荷辨识算法在暂态特征量提取方面的不足。1基于谱分析的特征量提取方法本研究采用Prony谱分析算法对电力负荷的特征量进行提取。在传统的Prony算法基础上对采样信号进行频移预处理，使其具有采样同步性，同时为了避免收稿日期：2 0 2 3-0 6-2 8；修订日期：2 0 2 3-0 7-2 0作者简介：赵磊（1990-），男，山东德州人，工程师，硕士，从事电能计量工作。时频转换过程中整数次谐波、非整数次谐波的混叠干扰问题，对同步化后的采样信号使用梳状有限冲击响应（Comb-FIR）陷波滤波器进行处理。最后采用Prony谱分析法，用指数函数的线性组合拟合采样序列，在频域对采样信号进行解耦，提取整数次谐波、非整数次谐波等特征值。本研究提出的同步化-Prony谱分析算法（Syn-Prony)对电力负荷的稳态特征量和暂态特征量均可有效提取。1.1频移算法的数学原理随着电网中风电、光伏等新能源的接入，新能源发电特性极易受到天气的影响，造成电网中有功功率的波动，进而影响电网运行频率5。波动的运行频率会对电力信号的时频解耦带来非同步采样，影响频域信号分量的准确度。目前常采用锁相环电路跟踪波动的电网频率，但硬件锁相环电路对暂态的电网负荷变化信号无法准确跟踪，影响电力负荷暂态特征量提取的准确性。算法层面可以采用双速率采样、加窗插值算法、频移算法等实现采样序列的同步化，本研究采用频移算法进行采样信号处理，通过构造同步采样序列，实现非同步采样信号的准同步化，这一方法相比其他算法具有更好的准确度。假设采样信号模型为：X(t)=A:ej(2fot+%).其中：X(t)为时域信号的采样序列；A。为幅值；f。为基波频率；9为初相位。应用离散傅里叶变换(DFT)求取X(N)频谱时，相当于在频域范围内对X(t)等间隔抽取N个点，则X(N)峰值对应的频率fm为：fm=kofs/N.其中：k。为采样信号实际的频率分布谱线；f，为采样频率；N为采样点数。设第yi十1条谱线峰值和yi条谱线峰值的峰值比阝为：(1)(2)2023年第5期I X(ei)/o=(s+1)其中：w为角频率；为频移量。通过计算得到频移量为：1+利用频移量使被测频点和同步采样时频谱的离散频点重合，以获取准确的信号频谱。1.2Comb-FIR滤波器的设计采样信号时频解耦过程中，整数次和非整数次谐波之间的相互干扰会降低分解结果的准确性，Comb-FIR滤波器是一种高效的谐波分离方法6,但Comb-FIR滤波器的应用前提是同步采样，非同步采样会引入频谱泄漏，整数次谐波信号会泄漏到非整数次谐波信号频谱中，造成非整数次谐波信号检测值偏大或伪峰的形成。依据滤波器冲激响应系数的对称性，2 k+1(k为响应阶数)位长度的线性相位FIR滤波器的数学定义为：2kH(z)=Zh(k)-=m=0h(k)+h(k一m)(z+).其中：H()为冲激响应函数域表达式，是第一类切比雪夫组合多项式；h(k)为滤波器的k阶响应函数。在滤波器设计过程中，实数阶数应取偶数整数值，且此偶数整数值须大于等于k，过大的实数阶数值不会引起预设的陷波带数目和陷波带宽度改变，但是会影响通频带的增益。1.3Prony谱分析算法原理Prony谱分析法是GaspardRiche deProny于18世纪提出，算法的核心思想是利用指数函数的线性组合来拟合被测信号的采样值，其将自回归思想以及最小二乘法结合起来，实现电力负荷信号的时频解耦。Prony算法的优点是将非线性问题转化为了线性问题，同时与FFT算法相比具有更好的频域分辨率。假设被测信号为(n),Prony算法描述被测信号离散采样值为：(n)=其中：p为信号阶数；A，为第i阶信号幅值；:为第i阶信号衰减因子；f.为第i阶信号频率；t为采样间隔时间；为第i阶信号相位。构造用：表示拟合误差值的目标函数为：N-12 I(n)-i(n)|.=取。的最小极限，通过解非线性方程组，求得参数A、0;、i、f 的值。2实验验证本实验以同一居民家庭用电负荷为研究对象，通过采用不同电力负荷特征量提取算法进行负荷辨识准确率的验证，对比分析加窗插值FFT(WI-FFT)算法与基于准同步-梳状滤波器分离Prony谱分析算法(Syn-Prony)的特征量提取准确率。WI-FFT算法使用Hanning窗抑制频谱泄漏，使用谱线插值算法减小栅栏效应，由FFT谐波测量公式计算各次谐波的参数。Syn-Prony算法使用频移算法计算频率偏移因子，形成准同步采样序列，采用Prony谱分析法拟合得到各次谐波的各项参数。利用决策树负荷辨识算法对居民用电负荷进行辨识，分别经过WI-FFT算法和Syn-Prony算法进行特征提取，WI-FFT算法的特征提取识别结果如图1所示，Syn-Prony算法的特征提取识别结果如图2 所示。赵磊，等：基于谱分析的电力负荷特征量提取方法研究_1+8(3)2-(4)(5)(6)(7)51图1、图2 中，深色图块数字表示实验识别正确的次数，浅色图块数字表示实验识别错误的次数。热水器8冰箱空调吸尘器电风扇微波炉LED灯荧光灯计算机电视机蒸水器箱调风扇炉图1经WI-FFT特征提取的识别结果热水器8冰箱空调吸尘器电风扇微波炉LED灯荧光灯计算机电视机广吸尘器微波电箱调器扇灯灯机机图2 经Syn-Prony特征提取的识别结果由图1、图2 可以看出，热水器、冰箱、空调等纯阻性和感性负荷经WI-FFT和Syn-Prony特征提取后识别率均很高，高识别率的原因主要归于此类负荷具有明显的稳态特征；微波炉和荧光灯均含有电子开关器件，但由于其均具有独特、明显的工作暂态电流特性，如微波炉运行电流断续周期工作制，荧光灯阶跃式的启动电流，使得其易于辨识；LED灯、计算机、电视机同样含有大量电子开关器件，但它们之间高度相似的稳态与暂态特性给辨识过程增加了难度，WI-FFT特征提取的识别结果准确率为50%左右，Syn-Prony中仅出现个别识别错误，识别结果准确率为97%。由于Syn-Prony采用指数函数线性拟合的方式可以实现较高的频率分辨率,可以突破FFT算法5Hz分辨率的限制，对除谐波外的间谐波信号也能够进行很好的提取，因此最终识别准确度远超WI-FFT算法。3结论Syn-Prony算法对稳态特征量和暂态特征量都能有效提取，同时采用的准同步和梳状滤波方法有效地解决了负荷辨识过程中频谱泄露、频谱混叠问题。相较于传统的FFT特征提取方法，Syn-Prony具(下转第54 页）13吸电微灯13A33228凤算视他23231332981112杭1454曲变形的情况下，车辆的轮重减载率和轮轴横向力明显比不考虑跨装钢轨弯曲变形时大，且曲线半径越小，两种情况下轮轴横向力的差值越大。这说明跨装钢轨在发生弯曲变形时对车体产生的附加作用力对车辆的脱轨系数几乎没有影响，但对车辆的轮重减载率和轮轴横向力有较大的影响。4结论通过对是否考虑跨装钢轨弯曲变形对车体产生附加作用力的两种情况下车辆通过曲线时的安全性进行分析，结果表明跨装钢轨弯曲变形对车辆的曲线通过安全性有较大的影响，且曲线半径越小，影响越大。因此，在验证长钢轨运输车辆的曲线通过安全性时，为了0.40.30.20.1300400 6008001200曲线半径/m(a)脱轨系数图9考虑和不考虑钢轨弯曲变形两种情况下车辆曲线通过安全性对比参考文献：南交通大学出版社，2 0 18.1汪正义，马玉坤.50 m长钢轨运输车组侧向通过道岔动力学仿真J.铁道运输与经济，2 0 2 0，4 2（2）：12 8-134。2马玉坤.7 5m长钢轨采用普通平车运输方案研究J.铁道运输与经济，2 0 16，38（5）：8 4-90.3温克学，马玉坤，李善坡，等.10 0 m长钢轨普通平车运输道岔及曲线通过问题仿真与试验研究J.中国铁道科学,2 0 11,32(2)：90-96.4罗仁，石怀龙.铁道车辆系统动力学及应用M.成都：西Study on Influence of Straddle Mounted Rails on Safety of Rail(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract:In this paper,SIMPACK software is used to establish a dynamic simulation model of rail transport train units,and theinfluence of straddle mounted rails on the safety of rail transport flat car curve passing is studied through simulation calculation.Theresults show that the straddle mounted rails have great influence on the curve passing safety of rail transportation flat car,and thesmaller the curve radius,the greater the influence.Keywords:rail transport vehicle;straddle mounted rails;curve passing security(上接第51页）有更高的分辨率，提取生成的模型库也将会有更高的识别准确率。更高的频谱分辨率和更多的负荷特征量会给负荷辨识研究带来更广阔的应用前景，比如实现同类电器设备的不同型号、品牌、运行挡位的识别。参考文献：1孔亮.非侵人式电力负荷监测与辨识技术研究D.沈阳：东北大学，2 0 18：5-9.2耿赫男.非侵人式居民负荷特征提取及智能用电研究Study of Power Load Characteristic Quantity Extraction BasedZHAO Lei,TONG Xia,LI Xue-cheng,CHENG Peng-shen,XIE Jin-jun(Customer Service Center,State Grid Beijing Electric Power Company,Beijing 102600,China)Abstract:The existing,power load transient feature extraction algorithm is based on fast Fourier transform(FFT),but the FFTalgorithm has the problems of spectrum leakage and fence effect.In this paper,Syn-Prony spectral analysis algorithm(Syn-Pronyalgorithm)is proposed.Based on the traditional Prony algorithm,the sampling signal is preprocessed by frequency shift to make ithave sampling synchronization,At the same time,in order to avoid spectrum aliasing interference in the process of time-frequencyconversion,the sampled signal after synchronization is processed by Comb-FIR notch filter.An experimental study is carried out onthe electricity load of typical households.The experimental results show that the Syn-Prony method makes up for the shortcomingsof the existing load identification algorithms in transient characteristic quantity extraction.Keywords:load identification;FFT;spectral analysis机械工程与自动化确保运行安全，应充分考虑跨装钢轨对曲线通过安全性的影响。表3考虑和不考虑钢轨弯曲变形两种工况下车辆曲线通过安全性计算结果曲线半径R脱轨系数(m)考虑不考考虑不考虑考虑不考虑3000.3260.3484000.229 0.2266000.1320.1160.4510.25120.83317.7128000.120.12212000.109 0.1150.4260.23717.07716.497一考虑0.6一不考虑0.203004006008001200曲线半径/m(b）轮重减载率5CEN.BS EN 13674-1:2011 Railway applications-track-rail part 1:Vignole railway rails 46 kg/m and aboveS.UK:BSI,2011:72.6中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所.GB/T5599一2 0 19.机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范S.北京：中国标准出版社，2 0 19:1-2 4.Transport Flat Car Curve PassingLI Zi-ang,FU Mao-hai,SU Rui,YU Shi-jie与环境，2 0 2 1(6)：4 6-4 8.6梁瑞刚，姚炽伟.基于谐波小波的梳状滤波器设计及应用J.科技创新与应用，2 0 15（33）：6 5-6 6.on Spectral Analysis2023年第5期轮重减载率轮轴横向力(kN)0.4740.29830.92519.2440.4500.26325.58217.2950.4460.23918.56917.934一考虑考虑一不考虑30/201003004006008001200曲线半径/m（c）轮轴横向力D.沈阳：沈阳工程学院，2 0 19：4-6.3孙雾阳，王家东，巩荣芬.基于快速傅里叶变换的用电器分析识别装置J.日用电器，2 0 2 3（5）：91-944罗耀.基于Prony法的电力系统低频振荡分析D大连：大连海事大学，2 0 16：9-2 15郭虎祥，张璐.我国风电发展存在的问题及建议J.能源一不考虑