基于小波變換的電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估與MATLAB仿真

何軍

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系， 629000）

基于小波變換的電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估與MATLAB仿真

何軍

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系， 629000）

隨著電力市場(chǎng)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，電能質(zhì)量問(wèn)題已經(jīng)引起世界各國(guó)電力部門(mén)和用戶的廣泛關(guān)注，供電質(zhì)量不高將引起某些重要生產(chǎn)過(guò)程中斷，導(dǎo)致工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量下降，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失.本文根據(jù)電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)的非平穩(wěn)性，通過(guò)分析小波變換的原理，利用小波變換能夠突出信號(hào)局部特征的特性，分析了利用小波變換對(duì)電網(wǎng)電壓跌落及周期脈沖等典型電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行判斷與定位的方法.相應(yīng)的仿真結(jié)果說(shuō)明小波變換是對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行判斷和定位的有效途徑.

電能質(zhì)量；小波變化；電壓跌落；仿真

1 引言

電能是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、清潔且易控制和轉(zhuǎn)換的能源形態(tài)，是供電部門(mén)向電力用戶提供并由發(fā)電、供電、用電三方共同保證質(zhì)量的一種特殊產(chǎn)品[1].近年來(lái)，電力電子裝置等非線性設(shè)備的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用造成電網(wǎng)電能質(zhì)量日益惡化；與此同時(shí)，隨著基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制設(shè)備和精密儀器在國(guó)民生產(chǎn)和生活中的普及，也需要高質(zhì)量的電能質(zhì)量.因此，從20世紀(jì)80年代末以來(lái)，電能質(zhì)量已成為電力部門(mén)及其用戶日益關(guān)注的問(wèn)題.據(jù)國(guó)際會(huì)議報(bào)告介紹，無(wú)論國(guó)內(nèi)國(guó)外，電能質(zhì)量問(wèn)題都造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失.因此，要滿足現(xiàn)代工業(yè)和廣大電力用戶的要求，就必須理解和重視現(xiàn)代電能的質(zhì)量問(wèn)題，考慮從技術(shù)、運(yùn)行管理、經(jīng)濟(jì)等方面著手，加大力度保證優(yōu)質(zhì)供電.

2 概述

2.1 電能質(zhì)量評(píng)估的國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)

對(duì)于電能質(zhì)量，目前還沒(méi)有一個(gè)準(zhǔn)確、統(tǒng)一的定義.但電能質(zhì)量問(wèn)題是以電力用戶的生產(chǎn)需求驅(qū)動(dòng)的，所以用戶的衡量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)占有優(yōu)先位置.在此原則的基礎(chǔ)上，關(guān)于電能質(zhì)量可定義為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差[2].

國(guó)外通常使用功率因數(shù)、總諧波畸變率等幾種指標(biāo)來(lái)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，但這具有定量性，對(duì)非周期信號(hào)存在不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，因此要考慮如何處理畸變、不平衡現(xiàn)象的功率定義.雖然國(guó)外在這方面已作了大量研究，但至今也無(wú)一致的結(jié)論和意見(jiàn)[3].從信號(hào)處理上來(lái)說(shuō)，電能質(zhì)量分析領(lǐng)域應(yīng)用得最為廣泛的分析方法是以傅里葉變換法、小波變換法為代表的變換域方法.

國(guó)內(nèi)方面，我國(guó)相繼出臺(tái)多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證我國(guó)的電能質(zhì)量.但關(guān)于暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，由于研究起步較晚，還處于摸索階段，還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)描述和定義暫態(tài)電能質(zhì)量現(xiàn)象.但已經(jīng)逐步開(kāi)展綜合應(yīng)用各種分析方法，例如將小波變換、FF T和人工智能相結(jié)合對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)、分類與識(shí)別.這在電能質(zhì)量領(lǐng)域已成為一個(gè)新的研究方向.而關(guān)于小波變換在電能質(zhì)量問(wèn)題的應(yīng)用，已有不少研究者取得了相應(yīng)的理論成果.

2.2 電能質(zhì)量干擾分類

由于過(guò)去沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)各種擾動(dòng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行定義，I EEE第22標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)籌委員會(huì)和其他國(guó)際委員會(huì)建議用電壓跌落、電壓上升、電壓中斷、電壓瞬、變電壓畸變五種術(shù)語(yǔ)來(lái)描述主要的電能質(zhì)量干擾[4].

其中電壓跌落近年來(lái)受到了國(guó)際上較為密切的關(guān)注.這主要是因?yàn)橐痣妷旱涞脑虮容^普遍，并且電壓跌落容易使調(diào)速設(shè)備出現(xiàn)跳閘、機(jī)電設(shè)備產(chǎn)生誤操作等各種故障.所以對(duì)各種擾動(dòng)進(jìn)行分類，是為了根據(jù)電壓信號(hào)的特征提取信息并且依據(jù)擾動(dòng)持續(xù)的時(shí)間和擾動(dòng)對(duì)信號(hào)幅值的影響綜合判斷信號(hào)干擾的種類.

3 基于小波變換的電能質(zhì)量評(píng)估與M A TTLA B仿真

3.1 電能質(zhì)量評(píng)估方法

穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量和暫態(tài)電能質(zhì)量是最主要的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題.穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的特征主要為波形畸變；暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的特征通常是頻譜和暫態(tài)持續(xù)時(shí)間，可分脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類.目前電力行業(yè)主要著眼于暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的分析與研究[5].而短時(shí)傅里葉變換（S T F T）、小波變換等幾種方法是暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的主要分析方法.短時(shí)傅里葉變換是用傅立葉變換分析信號(hào)的時(shí)間窗，以便確定該時(shí)間窗存在的頻率.這在一定程度上彌補(bǔ)了不具有時(shí)頻分析能力的傅立葉變換的缺陷.但其缺點(diǎn)是無(wú)法改變已確定的窗函數(shù)的窗口形狀.因此，短時(shí)傅立葉變換實(shí)質(zhì)上是具有單一分辨率的分析，必須重新選擇窗函數(shù)來(lái)改變其分辨率.而小波變換是一種時(shí)頻局部化分析方法，其時(shí)間窗和頻率窗都可改變，窗口大小固定但其形狀可變[6].因此，兩者的區(qū)別在于短時(shí)傅立葉變換只能用來(lái)分析緩變信號(hào)，但不能精確分析波形變化劇烈的信號(hào).而小波變換能自動(dòng)調(diào)節(jié)窗口大小，因此成為電能質(zhì)量評(píng)估方法中應(yīng)用較為普遍的一種方法.

3.2 小波變換

小波變換在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時(shí)間分辨率，在高頻部分具有較高的時(shí)間分辨率和較低的頻率分辨率，所以被稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”[7].其可以對(duì)多種擾動(dòng)實(shí)現(xiàn)時(shí)間定位的優(yōu)點(diǎn)在電能質(zhì)量評(píng)估中顯得尤為重要.但由于小波函數(shù)選擇的多樣化，使得用到的小波函數(shù)不同，小波分析的效果也不一樣.不同的小波函數(shù)分析同一個(gè)問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，因此如何選擇最優(yōu)的小波函數(shù)，在工程應(yīng)用中也是一個(gè)十分重要的問(wèn)題.

為了在電能質(zhì)量檢測(cè)算法中實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量信號(hào)的時(shí)頻分析、突變檢測(cè)和無(wú)失真重構(gòu)，所選小波函數(shù)必須具備正交性、偶對(duì)成性，同時(shí)在時(shí)域和頻域中具有短時(shí)的支撐集，這樣才能對(duì)對(duì)電壓的上升、跌落、畸變等具有很有效的分析作用[8].根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究結(jié)果，M eyer小波由于其正交性、時(shí)域?qū)Τ尚浴⒂?jì)算靈活性以及具有線性相位等特點(diǎn)，用來(lái)進(jìn)行電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估可以取得較好的效果.

3.3 仿真與分析

3.3.1 仿真結(jié)果

對(duì)電能質(zhì)量的干擾主要有電壓跌落、電壓上升、電壓中斷、電壓畸變、電壓瞬變[9].本文以幅值為1的含有不同比例諧波信號(hào)的電壓信號(hào)為例，用M eyer小波變換在M A TL A B中對(duì)上述幾種情況的電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行仿真分析.其仿真結(jié)果如下圖所示.

圖1 正常電壓情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖2 電壓跌落情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖3 電壓上升情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖4 電壓中斷情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖5 電壓畸變情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖6 電壓瞬變情況下的小波變換仿真結(jié)果

3.3.2 仿真結(jié)果分析

圖1-圖6中上圖為含諧波分量的電壓信號(hào)，分別表示了正常電壓、電壓跌落、上升、畸變、中斷、瞬變等情況；下圖為經(jīng)過(guò)小波變換分解的高頻分量圖，突變點(diǎn)的時(shí)間可以通過(guò)其幅值的變化來(lái)判斷.對(duì)各種情況的仿真結(jié)果分析如下：

a)圖1為經(jīng)過(guò)小波變換后的正常電壓的仿真結(jié)果.電壓是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的的正弦波，其幅值為1，而其對(duì)應(yīng)的高頻分量圖是一條信號(hào)波動(dòng)很小的近似的直線.因此在正常電壓情況下，高頻諧波分量對(duì)電壓信號(hào)不會(huì)造成任何影響.

b)圖2圖3圖4分別為電壓出現(xiàn)跌落、上升、中斷變化時(shí)，經(jīng)過(guò)小波變換后的仿真結(jié)果.設(shè)電壓在500至750之間的采樣點(diǎn)突然發(fā)生了變化（電壓跌落、上升、中斷）.而在對(duì)應(yīng)的高頻分量圖上產(chǎn)生了兩個(gè)高頻脈沖，其對(duì)應(yīng)位置在500和750這兩個(gè)采樣點(diǎn)上，正好與電壓信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)間相吻合，說(shuō)明高頻諧波信號(hào)在這兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)上對(duì)此電壓信號(hào)產(chǎn)生了影響.

c)圖5圖6為電壓突然發(fā)生畸變及瞬變時(shí)經(jīng)過(guò)小波變換后的仿真結(jié)果.圖5電壓發(fā)生震蕩畸變的采樣點(diǎn)為550，對(duì)應(yīng)的高頻分量圖上產(chǎn)生了一個(gè)高頻脈沖其對(duì)應(yīng)位置在550這個(gè)采樣點(diǎn)上.圖6電壓同時(shí)發(fā)生震蕩的畸變和三處瞬間的變化，其采樣點(diǎn)分別為550，100、250及1000，而對(duì)應(yīng)的高頻分量圖產(chǎn)生高頻脈沖的時(shí)間點(diǎn)也與這幾個(gè)采樣點(diǎn)一致.這說(shuō)明高頻諧波信號(hào)在相對(duì)應(yīng)的畸變或瞬變時(shí)間點(diǎn)上會(huì)對(duì)此電壓信號(hào)產(chǎn)生影響.

4 結(jié)論

在工程實(shí)際中電網(wǎng)電壓由于諧波存在而產(chǎn)生的擾動(dòng)常常出現(xiàn).例如會(huì)受到諧波影響使電壓突然跌落或上升；由于網(wǎng)絡(luò)故障使電壓出現(xiàn)中斷；由于非線性負(fù)載的諧波影響使電壓出現(xiàn)瞬態(tài)衰減震蕩干擾或脈沖干擾.對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估就是對(duì)這些干擾進(jìn)行準(zhǔn)確的捕獲和定位，并以此來(lái)分析電能質(zhì)量和擾動(dòng)的原因.通過(guò)對(duì)各種情況的M A TL A B仿真結(jié)果分析，證明了小波分析對(duì)電網(wǎng)電壓信號(hào)諧波檢測(cè)的準(zhǔn)確性.如果能夠更準(zhǔn)確地分析實(shí)際信號(hào)的特點(diǎn)，從而選擇合適的小波函數(shù)，那么基于小波變換的電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估將會(huì)有更廣闊的情景.

[1]譚國(guó)貞.基于小波變換的電能質(zhì)量分析方法的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

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[9]耿玲.基于M eyer小波變換方法的蘇州電網(wǎng)電能質(zhì)量的評(píng)估與改善[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2008.

EstimateofWaveletTransform Based PowerQualityandMATLABSimulation

HE J un
(S ichuan V ocational and T echnical C ol lege,S uining S ichuan629000)

W ith the rapid de v elopment of po w er mar k et and national economy,the problem of po w er qual ity has caused w idespread concern of al l elect ric po w er depar tments and users o v er the w or ld.T he qual ity of po w er supply is not high w i l l cause interruption in some impor tant production process, leading to the decl ine of indust rial products’qual ity,thus causing serious economic losses.A ccording to the nonstationarity of po w er qual ity disturbing signal,by analy z ing w a v elet t ransform theory,using the characteristic that w a v elet transform can highl ight the local characteristics of signals,this ar ticle analy z es the j udging and locatingmethod of w hich w a v elet transformcan disturb po w er qual ity suchasgrid v ol tage sags and periodic pulse.T he cor responding simulation resul ts sho w that w a v elet t ransformis theef fecti v e w ay to j udgeand locate po w er qual ity disturbing.

P o w er Q ual ity;W a v elet T ransform;V ol tage S ag;S imulation

TM 7

A

1672-2094(2013)01-0142-04

責(zé)任編輯：張隆輝

2012-09-20

何 軍（1963-），男，重慶萬(wàn)州人，四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系列教授.研究方向：電氣自動(dòng)化.