一种电能质量预警方法
【专利摘要】本发明涉及一种电能质量预警方法，通过均值‐标准差控制图实现；所述控制图包括均值控制图和标准差控制图；所述方法包括确定电能质量的预警指标、判断所述预警指标是否超标、预备电能质量的历史数据的样本组、确定标均值‐标准差控制图的控制限、通过均值‐标准差控制图判断样本组所述数据的稳定性、判断电能质量的实时监测数据是否异常、根据所述监测数据的异常类型判断预警级别、给出预警信息。本发明利用本电能质量预警方法建立电能质量预警系统，及时发现电网存在的安全问题或潜在的隐患，给出预警信息，方便运行人员及时采取控制措施，尽快处理问题或将隐患解决在萌芽状态，为电网安全运行与设备检修服务，对保障电网可靠运行具有现实意义。
【专利说明】
-种电能质量预譬方法
技术领域：
[0001] 本发明设及电能质量预警方法，更具体设及一种基于均值-标准差控制图的电能 质量预警方法。
【背景技术】：
[0002] 随着电力电子新技术的发展，新能源发电、分布式发电的快速增长和电能质量干 扰源用户在电网中大量接入，输电网中产生电能质量扰动的因素不断增加，电能质量扰动 亦呈现新的特征，给电网运行带来了巨大的挑战。风电、光伏等发电基地分散于"Ξ北"和 东南沿海，大规模新能源发电需要长距离输送到负荷中屯、，其功率的随机波动性和间歇性， 使系统频率和电压等电能质量问题突出。高速铁路、大功率冶炼等扰动负荷直接接入220kV 或330kV电网，对电网电能质量的影响范围不断扩大，给电网带来了更为严重的谐波和负 序问题。而现代工业生产的规模大、自动化程度高，对供电可靠性的依赖更强了，任何电力 事故都可能造成严重的经济损失。因此，为了提高电网电能质量水平，降低电能质量扰动 对电网的影响，尽早发现电能质量问题，给出准确的电能质量预警提示对电网的安全运行 至关重要。
[0003] 目前，很多电力公司都建立了电能质量监测系统，实现了数据监测及生成报表等 基本功能。但利用监测数据对电能质量扰动信息的提取、分析、识别等方面的研究还不够深 入，对电能质量问题的告警主要是通过判断各项指标是否超过阔值的方法，判断方式单一， 且只能在发生电能质量问题后给出告警，而对指标数据的异常检测和预警机制的研究有所 欠缺。为了对电能质量监测数据进行深度挖掘，及时发现超标和异常数据，对电网中的潜在 问题给出预警提示，亟需研究电能质量预警方法，建立预警机制。
【发明内容】
：
[0004] 本发明的目的是提供一种电能质量预警方法，本发明的技术方案提供了判断电能 质量监测数据异常的方法，并建立了稳态电能质量指标预警机制。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用W下技术方案：一种电能质量预警方法，所述方法通 过均值-标准差控制图实现；所述控制图包括均值控制图和标准差控制图；所述方法包括 W下步骤：
[0006] (1)确定电能质量的预警指标；
[0007] (2)判断所述预警指标是否超标； 阳00引 （3)预备电能质量的历史数据的样本组；
[0009] (4)确定标均值-标准差控制图的控制限；
[0010] (5)通过均值-标准差控制图判断样本组所述数据的稳定性；
[0011] (6)判断电能质量的实时监测数据是否异常；
[0012] (7)根据所述监测数据的异常类型判断预警级别并给出预警信息。
[0013] 本发明提供的一种电能质量预警方法，通过电能质量监测数据、设备信息和电网 参数确定需要的电能质量指标作为所述步骤（1)中的预警指标。
[0014] 本发明提供的一种电能质量预警方法，当若干指标同时出现预警时，则按最严重 预警级别进行选取；
[0015] 所述电能质量监测数据包括频率偏差、电压偏差、电压波动、闪变和Ξ相不平衡。
[0016] 所述电能质量监测数据包括频率、电压、电流、电压偏差、电压波动、谐波、间谐波、 闪变和Ξ相不平衡。
[0017] 所述设备信息包括主变压器参数；
[0018] 所述电网参数包括电网结构、变电站信息、监测点位置和公共连接点最小短路容 量。
[0019] 本发明提供的另一优选的一种电能质量预警方法，将所述预警指标和国标限值进 行比对，确定所述步骤（2)的预警指标是否超标；若超过国际限值则发出四级预警；若不超 过国际限值，则对该预警指标的监测数据进行异常检测和趋势分析。
[0020] 本发明提供的再一优选的一种电能质量预警方法，所述步骤（3)的样本组通过W 下过程进行预备：
[0021] W不超标的电能质量历史数据为准；根据需求W t时间内的数据为一个样本组选 取η个点，每个点间隔为3秒~10分钟；所述样本组至少为30组。
[0022] 本发明提供的又一优选的一种电能质量预警方法，所述步骤（4)中的均值-标准 差控制图的控制限包括均值控制图控制限和标准差控制图控制限；
[0023] 通过分别确定均值控制图控制限和标准差控制图控制限，根据判稳准则判断所述 样本组数据是否稳定。
[0024] 本发明提供的又一优选的一种电能质量预警方法，所述标准差控制图控制限包括 上控制限U化、中屯、线化和下控制限1XL ;所述上控制限U化、中屯、线化和下控制限1XL分 别通过下式确定：
[00巧]移飯《二忍y客
[0026] CL-:=君 阳0八]:鉛^=%瑟
[0028] 其中，设共有m组样本组，每组数据点数为n，所有样本组的标准差％当n〉25时，
[0029] 当 η = 40 时，B3> 0. 6581，B 1. 3419。
[0030] 本发明提供的又一优选的一种电能质量预警方法，其特征在于：绘制所述标准差 控制图并判断样本点是否稳定，若稳则进行均值图控制，若不稳，则去掉不稳定的点后，再 回到所述步骤（3):
[0031] 判断稳定的准则如下： 阳0巧 1)连续25个点，控制线界外点数为0 ;
[003引。连续35个点，控制线界外点数小于等于1 ;
[0034]扣连续100个点，控制线界外点数小于等于2 ;
[0035] 在判断稳定时，从判断稳定准则1开始，若准则1不能判断稳定，则进行准则2,若 准则2仍不能判断稳定，则进行准则3,若准则3依旧不能判断稳定则需要剔除不稳定的样 本点，再回到所述步骤（3)。
[0036] 本发明提供的又一优选的一种电能质量预警方法，所述均值控制图控制限包括上 控制限U化、中屯、线化和下控制限1XL ;所述均值控制图控制限的上控制限U化、中屯、线化 和下控制限1XL分别通过下式确定：
[0040] 其中，设共有m组样本组，每组数据点数为n，所有样本组的均值^当n〉25时，
[0041] 本发明提供的又一优选的一种电能质量预警方法，绘制所述均值控制图并判断样 本点是否稳定，若稳定则进行所述步骤化），若不稳则去掉不稳定的点后再回到所述步骤 (3);
[0042] 判断稳定的准则如下：
[00创 1)连续25个点，控制线界外点数为0 ; W44]。连续35个点，控制线界外点数小于等于1 ; W45]扣连续100个点，控制线界外点数小于等于2 ;
[0046] 在判断稳定时，从判断稳定准则1开始，若准则1不能判断稳定，则进行准则2,若 准则2仍不能判断稳定，则进行准则3,若准则3依旧不能判断稳定则需要剔除不稳定的样 本点，再回到所述步骤（3)。
[0047] 本发明提供的又一优选的一种电能质量预警方法，将实时传输上来的数据绘制在 所述均值-标准差控制图上并判断所述步骤化）的电能质量的实时监测数据是否异常；判 断异常的准则如下： W48] 准则1 :一个点落在控制线A区W外； W例该电能质量指标监测数据的均值超出了控制线，但没有超过国标限值，说明该指 标虽然未超标，但存在潜在的风险，随时可能发生超标问题，应当给出预警信息，提前防 范；
[0050] 准则2蟲续9个点落在中屯、线同一侧；
[0051] 该电能质量指标监测数据的均值在中屯、线同侧，说明该指标分布中屯、已经向上或 向下发生了偏移，需要引起注意，应当给出预警信息，根据指标类型及偏移方向分析偏移原 因；
[0052] 准则3 :连续6点递增或递减；
[0053] 该准则说明该指标产生了变大或变小的趋势，存在超上控制线或下控制线的可 能，应当给出预警信息，并根据指标类型及均值变化趋势分析原因； W54] 准则4 :连续14点相邻点上下交替；
[0055] 该准则说明存在周期性的电能质量扰动或该指标数据分层不够，应当给出预警信 息；
[0056] 准则5 :连续3点中有2点落在中屯、线同一侧的B区W外；所述B区为均值在 μ + σ至μ巧σ之间或μ-2 σ至μ - σ之间；
[0057] 该准则说明该指标的均值发生了变化，应当给出预警信息；
[0058] 准则6 :连续5点中有4点落在中屯、线同一侧的C区W外；所述C区为均值在 μ巧σ至μ+3σ之间或μ-3σ至μ-2σ之间；
[0059] 同准则5,说明该指标的均值发生了变化，应当给出预警信息；
[0060] 准则7 :连续15点在C区中的中屯、线上下；
[0061] 该准则说明该指标的标准差变小了，数据分布集中在标准值附近，不符合正态分 布的特征，应当给出预警； 阳06引准则8蟲续8点在中屯、线两侧，但无一在C区中；
[0063] 该准则说明数据分层不够，数据异常，应当给出预警。
[0064] 本发明提供的又一优选的一种电能质量预警方法，所述步骤（7)中的预警信息级 别分为四级，级别越高则存在问题或潜在风险越大，越应该引起注意； 阳0化]其中，一级预警为：
[0066] 均值图满足异常准则4或7时；或
[0067] 标准差图中的一个点落在其上控制限W上时；或
[0068] 均值图满足异常准则4或7时且标准差图中的一个点落在其上控制限W上时；
[0069] 二级预警为： 阳070] 均值图满足异常准则2、3、5、6和8其中之一时；或
[0071] 均值图满足异常准则2、3、5、6和8其中之一时且标准差图中的一个点落在其上控 制限W上时；
[0072] Ξ级预警为：
[0073] 均值图满足异常准则1时；
[0074] 四级预警为：
[0075] 均值图中的一个点落在标准限W外时。
[0076] 和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有W下优异效果
[0077] 1、本发明的方法对电能质量稳态指标的监测数据进行了统计分析，实现了对电能 质量数据的深度挖掘和异常检测；
[0078] 2、本发明的方法可W尽早发现电能质量问题、提前发现潜在的电能质量隐患；
[0079] 3、本发明的方法分析指标异常类型并给出预警信息，W便运行人员及时做出预防 措施；
[0080] 4、本发明的方法降低电能质量扰动对输电网的影响，从而提高电网安全、经济运 行水平；
[0081] 5、本发明的方法对保障电网可靠运行具有现实意义。
【附图说明】
[0082] 图1为本发明的方法流程图；
[0083] 图2为本发明的标准差S控制图；
[0084] 图3为本发明的均值恶控制图；
[0085] 图4为本发明的憑控制图的判断异常的准则图。
【具体实施方式】
[0086] 下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。 阳〇87] 实施例1 :
[0088] 如图1-4所示，本例的发明提供的电能质量预警方法采用均值-标准差控制图 (X-S图)联合使用的方法来判断预警级别。对于选定的监测点，要对其各电能质量预警 指标进行分析，W判断其运行状态是否异常、是否需要预警及预警级别。本预警方法的流程 如附图1所示。
[0089] (1)步骤1 :确定预警指标。
[0090] 结合电能质量监测数据、设备信息和电网参数，从表1中选取关注的电能质量指 标作为预警控制指标。当多个指标同时出现预警时，则预警级别按最严重的选取。
[0091] 表格1电能质量稳态预警指标
[0092]
[0094] 似步骤2 :判断是否超标。
[0095] 将该预警指标和国标限值进行比对，超过限值则发出四级预警，不超标，则对该指 标的监测数据进行异常检测和趋势分析。
[0096] 做步骤3:预备数据。
[0097] 准备用于预警指标异常检测的电能质量历史数据。W电压偏差为例，取最近监测 到的不超标的电压偏差数据，数据间隔为3分钟，W 2小时内的数据为一个样本组，每组40 个点，取30组数据。对于不同的预警指标，选取的最小数据间隔和样本组点数可能不同（具 体参见表1)，数据粒度W实际监测粒度为准，样本组点数表示绘制控制图时选用的每个样 本组的采样点数，为保证计算的精确性，样本数据组至少取30组最新监测到的数据。
[0098] 需要注意的是，选取的样本数据必须是稳定的，如果有几组数据不稳定，则需要把 运些数据剔除，再重新补充稳定的数据样本点。
[0099] (4)步骤4 :计算S图控制限
[0100] 计算每组样本组数据点的均值和标准差，设共有m组样本组，每组数据点数为n， 则第i组样本点的均值马和标准差Si的计算公式如下：
[0101]
阳102] 计算所有样本组的均值豪和标准差象公式如下： 阳 103]
阳104] 计算标准差图（S图）的上控制限扣化)、中屯、线（化)、下控制限化化)，公式如 下：
阳 110]因此，当 η = 40 时，B3> 0. 6581，B4> 1. ：3419。
[01川 妨步骤5 :绘制S控制图，判断样本组数据是否稳定
[0112] 绘制标准差控制图，将预备数据在S图中打点，如附图2所示。判断运些样本点是 否稳定，若稳则进行步骤6,若不稳，则去掉不稳定的点后，再回到步骤3。
[0113] 判断稳定的准则如下：
[0114] 1)连续25个点，控制线界外点数为0 ;
[011引。连续35个点，控制线界外点数小于等于1 ;
[0116] 如连续100个点，控制线界外点数小于等于2。
[0117] 在判稳时，应从判稳准则1开始，若不能判稳，则进行准则2,若仍不能判稳，则进 行准则3,若依旧不能判稳则需要剔除不稳定的样本点，再回到步骤3。 阳1化](6)步骤6 :计算1图控制限
[0119]滚图中屯、线、上控制限及下控制限计算公式如下：
阳123] 其中，当n〉25时，
阳124] (7)步骤7 :绘制葱控制图，判断样本组数据是否稳定
[01巧]绘制均值控制图，如图3所示，其中，μ和σ为预备数据中所有样本组数据的平 均值和标准差。将预备数据在X图中打点，判断其是否满足判稳准则，若稳定则进行步骤8， 若不稳则去掉不稳定的点后再回到步骤3。
[0126] 做步骤8:判断实时监测数据是否异常
[0127] 绘制完成稳定的控制用5控制图后，将实时传输上来的数据的统计值画在 I-到$制图上。W电压偏差为例，将3分钟实时数据按每2小时计算一次平均值μ和标 准差σ，分别画在是图和S图上，根据判异准则来判断监测数据是否异常。系图的判断异常 的准则如下（见附图4): 阳12引准则1 :一个点落在A区W外。
[0129] 该电能质量指标监测数据的均值超出了控制线，但没有超过国标限值，说明该指 标虽然未超标，但存在潜在的风险，随时可能发生超标问题，应当给出预警信息，提前防范。 阳130] 准则2 :连续9个点落在中屯、线同一侧。 阳131] 该电能质量指标监测数据的均值在中屯、线同侧，说明该指标分布中屯、已经向上或 向下发生了偏移，需要引起注意，应当给出预警信息，根据指标类型及偏移方向分析偏移原 因。
[013引准则3蟲续6点递增或递减。
[0133] 该准则是针对过程平均值的趋势进行设计的，说明该指标产生了变大或变小的趋 势，存在超上控制线或下控制线的可能，应当给出预警信息，并根据指标类型及均值变化 趋势分析原因。
[0134] 准则4蟲续14点相邻点上下交替。
[0135] 说明存在周期性的电能质量扰动或该指标数据分层不够，应当给出预警信息。
[0136] 准则5蟲续3点中有2点落在中屯、线同一侧的B区W外。 阳137] 说明该指标的均值发生了变化，应当给出预警信息。
[013引准则6蟲续5点中有4点落在中屯、线同一侧的C区W外。 阳139] 同准则5,说明该指标的均值发生了变化，应当给出预警信息。 阳140] 准则7 :连续15点在C区中屯、线上下。 阳141] 说明该指标的标准差变小了，数据分布集中在标准值附近，不符合正态分布的特 征，可能是数据分层不够或数据虚假造成的，应当给出预警。 阳142] 准则8蟲续8点在中屯、线两侧，但无一在C区中。 阳143] 说明数据分层不够，数据异常，应当给出预警。
[0144] (9)步骤9:预警
[0145] 根据监测数据超标及异常分析的结果，可将预警级别分为四级，级别越高则存在 问题或潜在风险越大，越应该引起注意，可根据指标监测数据的异常类型给出预警提示信 息。预警级别的判断如表2所示。
[0146] 表格2预警级别的判断 阳 147]
[0149] 综上所述，本电能质量预警方法对电能质量监测数据进行了深度挖掘，可及时分 析电能质量指标是否超标或异常，W及数据异常类型，并根据监测数据均值、标准差等统计 量的变化趋势和异常类型划分预警级别，给出预警提示信息及初步的原因分析。
[0150] 最后应当说明的是上实施例仅用W说明本发明的技术方案而非对其限制，所 属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可W对本发明的【具体实施方式】 进行修改或者等同替换，运些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申 请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1. 一种电能质量预警方法，其特征在于：所述方法通过均值-标准差控制图实现；所述 控制图包括均值控制图和标准差控制图；所述方法包括以下步骤： (1) 确定电能质量的预警指标； (2) 判断所述预警指标是否超标； (3) 预备电能质量的历史数据的样本组； (4) 确定标均值-标准差控制图的控制限； (5) 通过均值-标准差控制图判断样本组所述数据的稳定性； (6) 判断电能质量的实时监测数据是否异常； (7) 根据所述监测数据的异常类型判断预警级别并给出预警信息。2. 如权利要求1所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：通过电能质量监测数据、 设备信息和电网参数确定需要的电能质量指标作为所述步骤（1)中的预警指标。3. 如权利要求2所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：当若干指标同时出现预 警时，则按最严重预警级别进行选取； 所述电能质量监测数据包括频率、电压、电流、电压偏差、电压波动、谐波、间谐波、闪变 和二相不平衡。 所述设备信息包括主变压器参数； 所述电网参数包括电网结构、变电站信息、监测点位置和公共连接点最小短路容量。4. 如权利要求1-3任意一项所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：将所述预警 指标和国标限值进行比对，确定所述步骤（2)的预警指标是否超标；若超过国际限值则发 出四级预警；若不超过国际限值，则对该预警指标的监测数据进行异常检测和趋势分析。5. 如权利要求4所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：所述步骤（3)的样本组 通过以下过程进行预备： 以不超标的电能质量历史数据为准；根据需求以t时间内的数据为一个样本组选取η 个点，每个点间隔为3秒~10分钟；所述样本组至少为30组。6. 如权利要求1所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：所述步骤（4)中的均值-标准差控制图的控制限包括均值控制图控制限和标准差控制图控制限； 通过分别确定均值控制图控制限和标准差控制图控制限，根据判稳准则判断所述样本 组数据是否稳定。7. 如权利要求6所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：所述标准差控制图控制 限包括上控制限UCL、中心线CL和下控制限LCL ;所述上控制限UCL、中心线CL和下控制限 LCL分别通过下式确定：其中，设共有m组样本组，每组数据点数为η，所有样本组的标准差I;当η>25时，当 η = 40 时，B3~0· 6581，Β 1· 3419。8. 如权利要求7所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：绘制所述标准差控制图 并判断样本点是否稳定，若稳则进行均值图控制，若不稳，则去掉不稳定的点后，再回到所 述步骤（3): 判断稳定的准则如下： 1) 连续25个点，控制线界外点数为0 ; 2) 连续35个点，控制线界外点数小于等于1 ; 3) 连续100个点，控制线界外点数小于等于2 ; 在判断稳定时，从判断稳定准则1开始，若准则1不能判断稳定，则进行准则2,若准则 2仍不能判断稳定，则进行准则3,若准则3依旧不能判断稳定则需要剔除不稳定的样本点， 再回到所述步骤（3)。9. 如权利要求6-8任意一项所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：所述均值控 制图控制限包括上控制限UCL、中心线CL和下控制限LCL ;所述均值控制图控制限的上控制 限UCL、中心线CL和下控制限LCL分别通过下式确定：其中，设共有m组样本组，每组数据点数为η，所有样本组的均值&当η>25时，10. 如权利要求1所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：绘制所述均值控制图并 判断样本点是否稳定，若稳定则进行所述步骤（6)，若不稳则去掉不稳定的点后再回到所述 步骤（3); 判断稳定的准则如下： 1) 连续25个点，控制线界外点数为0 ; 2) 连续35个点，控制线界外点数小于等于1 ; 3) 连续100个点，控制线界外点数小于等于2 ; 在判断稳定时，从判断稳定准则1开始，若准则1不能判断稳定，则进行准则2,若准则 2仍不能判断稳定，则进行准则3,若准则3依旧不能判断稳定则需要剔除不稳定的样本点， 再回到所述步骤（3)。11. 如权利要求1所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：将实时传输上来的数据 绘制在所述均值-标准差控制图上并判断所述步骤（6)的电能质量的实时监测数据是否异 常；判断异常的准则如下： 准则1 :一个点落在控制线Α区以外； 该电能质量指标监测数据的均值超出了控制线，但没有超过国标限值，说明该指标虽 然未超标，但存在潜在的风险，随时可能发生超标问题，应当给出预警信息，提前防范； 准则2 :连续9个点落在中心线同一侧； 该电能质量指标监测数据的均值在中心线同侧，说明该指标分布中心已经向上或向下 发生了偏移，需要引起注意，应当给出预警信息，根据指标类型及偏移方向分析偏移原因； 准则3 :连续6点递增或递减； 该准则说明该指标产生了变大或变小的趋势，存在超上控制线或下控制线的可能，应 当给出预警信息，并根据指标类型及均值变化趋势分析原因； 准则4 :连续14点相邻点上下交替； 该准则说明存在周期性的电能质量扰动或该指标数据分层不够，应当给出预警信息； 准则5:连续3点中有2点落在中心线同一侧的B区以外；所述B区为均值在μ + 〇至 μ+2〇之间或μ-2σ至μ-σ之间； 该准则说明该指标的均值发生了变化，应当给出预警信息； 准则6 :连续5点中有4点落在中心线同一侧的C区以外；所述C区为均值在μ +2 σ 至μ+3σ之间或μ-3σ至μ-2σ之间； 同准则5,说明该指标的均值发生了变化，应当给出预警信息； 准则7 :连续15点在C区中的中心线上下； 该准则说明该指标的标准差变小了，数据分布集中在标准值附近，不符合正态分布的 特征，应当给出预警； 准则8 :连续8点在中心线两侧，但无一在C区中； 该准则说明数据分层不够，数据异常，应当给出预警。12.如权利要求11所述的一种电能质量预警方法，其特征在于：所述步骤（7)中的预 警信息级别分为四级，级别越高则存在问题或潜在风险越大，越应该引起注意； 其中，一级预警为： 均值图满足异常准则4或7时；或 标准差图中的一个点落在其上控制限以上时；或 均值图满足异常准则4或7时且标准差图中的一个点落在其上控制限以上时； 二级预警为： 均值图满足异常准则2、3、5、6和8其中之一时；或 均值图满足异常准则2、3、5、6和8其中之一时且标准差图中的一个点落在其上控制限 以上时； 三级预警为： 均值图满足异常准则1时； 四级预警为： 均值图中的一个点落在标准限以外时。
【文档编号】G06Q10/06GK105825315SQ201510012840
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年1月9日
【发明人】温惠, 王同勋, 谈萌, 丁宁, 乔光尧
【申请人】国家电网公司, 国网智能电网研究院, 江苏省电力公司电力科学研究院