電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測(cè)、定位與辨識(shí)

電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測(cè)、定位與辨識(shí)

1時(shí)域分析技術(shù)如何正確分類(lèi)和識(shí)別電壓上升、電壓下降、瞬時(shí)脈象、脈象和臨時(shí)擾動(dòng)等能耗質(zhì)量擾動(dòng)，在能源質(zhì)量研究領(lǐng)域越來(lái)越受到重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出了許多檢測(cè)方法,其中小波變換尤為突出。許多文獻(xiàn)在采用小波技術(shù)解決電能質(zhì)量擾動(dòng)識(shí)別問(wèn)題時(shí),多數(shù)未考慮噪聲的影響;而實(shí)際電網(wǎng)中通常含有噪聲,這使得小波變換中反應(yīng)高頻信號(hào)的前兩個(gè)尺度往往不能正確提取一些電能質(zhì)量擾動(dòng)的特征量,及諧波存在時(shí)不能正確確定發(fā)生在工頻相位0?或π附近的電壓上升與電壓跌落的開(kāi)始時(shí)刻與持續(xù)時(shí)間,因此減少噪聲干擾十分必要。文作者建議在時(shí)域分析所有擾動(dòng)。文在無(wú)噪聲的情況下在時(shí)域分析了擾動(dòng)信號(hào)。時(shí)域分析的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、快捷,但噪聲的影響使得分析產(chǎn)生較大的誤差。此外,對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)的分類(lèi)需借助于電壓幅值的計(jì)算,而傳統(tǒng)計(jì)算幅值的方法速度較慢,采用瞬時(shí)無(wú)功功率理論計(jì)算電壓幅值可提高運(yùn)算速度。本文先采用小波軟閾值去噪技術(shù)去除測(cè)量信號(hào)中的噪聲,再在時(shí)域內(nèi)鑒別擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。對(duì)去噪后的單相電壓信號(hào)延遲60°可得到三相電壓,將三相電流用三相電壓代替,進(jìn)行α–β變換,得到瞬時(shí)有功功率,且對(duì)變換結(jié)果進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)字處理,即可得到與擾動(dòng)波形相似的變換結(jié)果,從中提取信號(hào)的特征,從而對(duì)電壓上升、電壓跌落、瞬時(shí)斷電、暫態(tài)振蕩、電壓短時(shí)跌落(voltagedip)、暫態(tài)脈沖等擾動(dòng)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)。2信號(hào)的分解和去噪電能質(zhì)量擾動(dòng)的電壓信號(hào)不是平穩(wěn)信號(hào),普通濾波器在濾除噪聲的同時(shí)可能也將有用的高頻信號(hào)一并濾除,小波濾波器可很好地解決這個(gè)問(wèn)題。小波變換具有時(shí)頻分析的能力,可在時(shí)域和頻域內(nèi)有效區(qū)分信號(hào)和噪聲。文作者提出的小波軟閾值去噪方法近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用,其去噪效果被證明是有效的。對(duì)一維信號(hào)進(jìn)行去噪處理是小波分析的一個(gè)重要應(yīng)用。一般來(lái)講小波去噪分為以下三個(gè)步驟:(1)選擇一個(gè)小波并確定小波分解的層數(shù),再對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分解。3次B樣條小波是對(duì)稱(chēng)小波,因而具有線性相位,它在信號(hào)分解與重構(gòu)時(shí)可保持信號(hào)各頻率分量的相位不變,在抑制噪聲和提取邊緣方面效果較好,本文將分解層數(shù)取為3;(2)對(duì)小波分解高頻系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理。對(duì)1~3層的每一層高頻系數(shù)選擇一個(gè)閾值進(jìn)行軟閾值量化處理;(3)進(jìn)行一維信號(hào)的小波重構(gòu)。根據(jù)分解的3層低頻系數(shù)和經(jīng)量化處理的1、2、3層高頻系數(shù),進(jìn)行一維信號(hào)的小波重構(gòu)。三個(gè)步驟中的關(guān)鍵是選擇閾值和進(jìn)行閾值量化,由于分解層數(shù)較少,本文采用軟閾值算法。設(shè)某一采集信號(hào)為x(n),其長(zhǎng)度為m,對(duì)x(n)進(jìn)行B樣條小波變換,小波的分解層數(shù)定為3,則得到相應(yīng)的小波高頻系數(shù)為d1、d2、d3,低頻系數(shù)為c1,軟閾值去噪過(guò)程為:其中,MN為第N層小波系數(shù)的長(zhǎng)度,di,N為第N層小波的高頻系數(shù)。2)計(jì)算軟閾值。3)對(duì)高頻系數(shù)進(jìn)行處理,當(dāng)時(shí),保留該系數(shù),否則置零。4)對(duì)處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu),得到去噪后的信號(hào)。設(shè)一個(gè)含有噪聲的純正弦信號(hào)為式中e(t)為噪聲。差變信號(hào)為式中T為工頻周期。圖1為去噪前后的差變信號(hào),為敘述方便,本文圖中時(shí)間用采樣點(diǎn)來(lái)描述,采樣頻率為20kHz。由圖1可見(jiàn),去噪處理提高了差變信號(hào)分析擾動(dòng)時(shí)刻、擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間的準(zhǔn)確度,這比小波分析更方便、更準(zhǔn)確。3考慮單相電壓的濾波方法瞬時(shí)無(wú)功功率理論可用于諧波和無(wú)功電流的檢測(cè),本文用來(lái)確定電壓信號(hào)變化的幅度。假設(shè)三相電路為三相三線制,各相電壓、電流的瞬時(shí)值分別為ua(t)、ub(t)、uc(t)和ia(t)、ib(t)、ic(t),且滿足ua(t)+ub(t)+uc(t)=0,ia(t)+ib(t)+ic(t)=0,則可將其分別變換至兩相正交的α-β坐標(biāo)系式中cαβ為不含有零序分量的Park變換矩陣Ppark在θ=0時(shí)的值。并定義瞬時(shí)有功功率p(t)和無(wú)功功率q(t)為三相電壓和電流均為正弦波時(shí),即利用式(3)對(duì)式(5)、(6)進(jìn)行變換,可得將式(7)、(8)代入式(4)可得式中φ為功率因數(shù)角。由于系統(tǒng)電壓信號(hào)可能含有諧波量,測(cè)量的系統(tǒng)擾動(dòng)是發(fā)生在單相電壓上的,因此要應(yīng)用該方法需先得到三相電壓和三相電流。解決途徑如下:對(duì)稱(chēng)三相系統(tǒng)中,各相具有電壓波形相同、相位互差120°的特點(diǎn),因此只要將ua(t)延遲60°就可得到-uc(t),ub(t)=-ua(t)-uc(t)。再用三相電壓代替三相電流,即這樣處理不需要確定相位,減少了三相不平衡帶來(lái)的負(fù)面影響。設(shè),由式(3)、(4)可計(jì)算出p(t)和q(t),由于u(t)與i(t)之間無(wú)相位差,即φ=0°,因此瞬時(shí)無(wú)功功率q(t)為零,只剩下瞬時(shí)有功功率式中Ek為第k次諧波幅值;φk為第k次諧波的功率因數(shù)角。如沒(méi)有諧波的影響,即k=1,則k≥2時(shí)Ek=0,p(t)=31E2/2是一直流分量,電壓幅值為E1。此時(shí)計(jì)算某一時(shí)刻t的電壓幅值只需計(jì)算t和t+T/3時(shí)刻的電壓瞬時(shí)量,計(jì)算速度明顯提高。當(dāng)ua(t)中含有諧波分量時(shí),p(t)中除了直流分量外還包含諧波分量,如式(10)所示,這就需通過(guò)濾波來(lái)提取直流分量計(jì)算電壓幅值。對(duì)于諧波次數(shù)為2k+1(k≥0)次的諧波,通過(guò)[p(t)+p(t+T/2)]/2運(yùn)算就可將其濾除。以此為出發(fā)點(diǎn),借助于數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)思想構(gòu)造簡(jiǎn)單的濾波器,可以得到比較理想的直流信號(hào)。p(t)的計(jì)算公式為以下分析可驗(yàn)證該方法的有效性,取系統(tǒng)電壓諧波失真信號(hào)為式中ω=2πf,f為工頻頻率。系統(tǒng)中不含有諧波時(shí),得到的瞬時(shí)有功功率p(t)應(yīng)是一條直線,如圖2所示,系統(tǒng)中含有諧波時(shí),p(t)如圖3(a)所示,經(jīng)式(9)處理后的p(t)(即p1(t))如圖3(b)所示。濾波后得到了瞬時(shí)有功功率p1(t),其值為由式(13)可得而電壓有效值的傳統(tǒng)計(jì)算公式為比較式(14)、(15)可見(jiàn),本文的電壓有效值計(jì)算公式非常簡(jiǎn)便。4擾動(dòng)的發(fā)生情況由去噪后的信號(hào)x(t)產(chǎn)生一差變信號(hào)d(t)=x(t)-x(t-T)。由于d(t)中含有噪聲的影響,結(jié)合擾動(dòng)的實(shí)際幅值情況確定閾值為+x(t)和-x(t),即d(t)值不在-x(t)~+x(t)之間的即認(rèn)為有擾動(dòng)發(fā)生。對(duì)于某一擾動(dòng)來(lái)說(shuō),d(t)曲線反應(yīng)了兩次變化,為敘述方便引入變量L、R和K。檢測(cè)第1次變化的開(kāi)始時(shí)刻t1,即認(rèn)為t1+T為擾動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻,從t1+T時(shí)刻開(kāi)始向前檢測(cè)到第1次變化的截止時(shí)刻t2,L=t2-t1。根據(jù)電氣與電子工程師學(xué)會(huì)(IEEE)關(guān)于電能質(zhì)量擾動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn):如在t1~t1+T之間d(t)值正、負(fù)變化的次數(shù)n大于或等于4,則為暫態(tài)振蕩;對(duì)于電壓短時(shí)跌落(voltagedip)和電壓暫態(tài)脈沖,其持續(xù)時(shí)間小于T/2,反映到變量L上,L即為持續(xù)時(shí)間,L<T/2;對(duì)于電壓上升(voltageswell)、電壓跌落(voltagesag)和電壓瞬時(shí)斷電,其持續(xù)時(shí)間大于或等于T/2,反映到變量L上,L為持續(xù)時(shí)間,T/2≤L≤T。擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間大于T時(shí),取L=T,此時(shí)L不能作為持續(xù)時(shí)間,從t1+T時(shí)刻開(kāi)始檢測(cè)到第2次變化時(shí)刻t3,R=t3-t1,R為持續(xù)時(shí)間。K為電壓幅度,K=E(t1+T)/E(t1-T)。如L<T/2,擾動(dòng)發(fā)生時(shí)刻為t1+T,擾動(dòng)結(jié)束時(shí)刻為t1+T+L,擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間為L(zhǎng),則此種擾動(dòng)類(lèi)型為電壓短時(shí)跌落或暫態(tài)脈沖?？筛鶕?jù)沒(méi)有經(jīng)過(guò)濾波處理的瞬時(shí)有功功率p(t)確定幅度如0<c<0.9,則為電壓短時(shí)跌落,幅度為c,否則為暫態(tài)脈沖,幅度應(yīng)為L(zhǎng)≥T/2時(shí),此種擾動(dòng)為電壓上升、電壓跌落或電壓瞬時(shí)斷電,進(jìn)一步的分類(lèi)借助于幅度的計(jì)算,由于采用簡(jiǎn)單濾波使得p1(t)在R<5T/4時(shí)的計(jì)算結(jié)果誤差很大,這時(shí)需根據(jù)變量p(t)來(lái)確定幅度的計(jì)算公式。如T/2≤L<T,則擾動(dòng)發(fā)生于t1+T時(shí)刻,結(jié)束于t1+T+L時(shí)刻;如L=T且R<5T/4,則擾動(dòng)發(fā)生于t1+T時(shí)刻,結(jié)束于t1+T+R時(shí)刻。根據(jù)式(16)中的c值進(jìn)一步判斷擾動(dòng)類(lèi)型,如c>1.1則為電壓上升,如0.1<c<0.90則為電壓跌落,如c<0.1則為電壓瞬時(shí)斷電,其余的情況不做記錄。如R>5T/4,持續(xù)時(shí)間為t3-t1,擾動(dòng)發(fā)生于t1+T時(shí)刻,結(jié)束于t1+T+R時(shí)刻。如K>1.1則為電壓上凸,如0.10<K<0.90則為電壓跌落,如K<0.1則為電壓瞬時(shí)斷電,其余的情況不做記錄。系統(tǒng)信號(hào)中如無(wú)噪聲的影響,則只要將閾值設(shè)為零,對(duì)d(t)為零的值不予考慮,其余判斷同上所述。5計(jì)算和結(jié)果驗(yàn)證5.1擾動(dòng)的發(fā)生時(shí)間算例所采用的電壓信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式如式(12)所示,再加入一些白噪聲,信噪比為30dB,采樣頻率為20kHz。電壓上升的幅度為1.1~1.9pu,電壓跌落的幅度為0.1~0.9pu,持續(xù)時(shí)間大于T/2,發(fā)生的相位為0°~90°。假設(shè)在800采樣點(diǎn)處發(fā)生電壓跌落,1800采樣點(diǎn)處結(jié)束,持續(xù)時(shí)間為0.05s,相位為0°,幅度為0.6pu,分析過(guò)程如圖4所示。圖4中(本文圖中時(shí)間用采樣點(diǎn)來(lái)描述),t1=403,t2=796,L=796-403=393,t3=1405,R=t3-t1=1405-403=1002>900,擾動(dòng)的發(fā)生時(shí)刻為t1+T=803,幅度K=E(t1+T)/E(t1-T)=0.6012,該類(lèi)型擾動(dòng)為電壓跌落。比較圖4(e)與圖4(f)可知,如存在噪聲的影響,用差變法很難準(zhǔn)確地檢測(cè)到擾動(dòng)發(fā)生的時(shí)刻,在下文介紹的算例中均存在這種情況,因此進(jìn)行去噪處理是有必要的。5.2生電壓分析過(guò)程電壓瞬時(shí)斷電幅度為0~0.1pu,持續(xù)時(shí)間大于T/2,相位為0°~90°。在800采樣點(diǎn)處發(fā)生電壓瞬時(shí)斷電,1800采樣點(diǎn)處結(jié)束,持續(xù)時(shí)間為0.05s,幅度為0pu。分析過(guò)程如圖5所示。圖5中,t1=399,t2=800,t3=1402,R=t3-t1=1402-399=1003,擾動(dòng)的發(fā)生時(shí)刻為t1+T=799,幅度K=E(t1+T)/E(t1-T)=0.0146。5.3暫態(tài)振蕩分析電壓暫態(tài)振蕩是由投電容器組、變壓器勵(lì)磁涌流、串聯(lián)電容等操作引起的,其持續(xù)時(shí)間一般小于T/2,幅度為0~8pu。設(shè)暫態(tài)振蕩信號(hào)為式中t0為暫態(tài)振蕩的起始時(shí)刻。將式(18)疊加到式(12)的電壓信號(hào)上。振蕩起始時(shí)刻為1100采樣點(diǎn)處,持續(xù)時(shí)間為50個(gè)采樣點(diǎn),分析結(jié)果如圖6所示。對(duì)圖6(c)的電壓差變波形分析得知:t1=700,t2=749,因此擾動(dòng)的發(fā)生時(shí)刻為t1+T=700+400=1100,持續(xù)時(shí)間為L(zhǎng)=t2-t1=749-700=49,由于t1后4個(gè)采樣點(diǎn)的值正、負(fù)變化次數(shù)n為4,因此該種擾動(dòng)為電壓暫態(tài)振蕩。5.4采樣結(jié)果分析電壓短時(shí)跌落和電壓暫態(tài)脈沖的持續(xù)時(shí)間比較短,一般小于T/2,而跌落的幅度在0~0.9pu。如在850采樣點(diǎn)處發(fā)生電壓暫態(tài)脈沖,幅度為1.2pu,持續(xù)時(shí)間為50,在2000采樣點(diǎn)處發(fā)生電壓跌落,幅度為0.25pu,持續(xù)時(shí)間為100個(gè)采樣時(shí)間,具體波形和分析結(jié)果如圖7所示。圖7中,t1=445,t2=501,持續(xù)時(shí)間L=t2-t1=501-445=56<200,發(fā)生時(shí)刻為t1+T=845,對(duì)第2次擾動(dòng)的初始時(shí)刻判斷為t1=1601,t2=1711,持續(xù)時(shí)間L=t2-t1=1711-1601=110<200,發(fā)生時(shí)刻為t1+T=2001。由式(16)可知,第1次擾動(dòng)c=1.4654,第2次擾動(dòng)c=0.2500,分別在845采樣點(diǎn)處有電壓暫態(tài)脈沖,在2001采樣點(diǎn)處發(fā)生了電壓短時(shí)