基于小波分析的電能質(zhì)量虛擬測試儀

海 瑛，陳敬虞，蘭 香

（嘉興學(xué)院，a．機(jī)電工程學(xué)院；b．建筑工程學(xué)院，浙江嘉興314001）

0 引言

智能電網(wǎng)的建設(shè)，要求配電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)屬于多源信息集成，可實(shí)現(xiàn)智能樓宇家居系統(tǒng)、分布式發(fā)電系統(tǒng) （如太陽能、風(fēng)能等）、電動汽車等并網(wǎng)接入和優(yōu)化控制．分布式電源存在很大的波動性、間歇性和隨機(jī)性，電動汽車等電力用電負(fù)荷又呈現(xiàn)出非線性、沖擊性，這使得電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題更加嚴(yán)重．［1］目前，電能質(zhì)量問題可分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩類．穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題以波形畸變?yōu)樘卣鳎ㄖC波、間諧波、電壓波動和閃變等；暫態(tài)電能質(zhì)量問題以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間為特征，可分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)．脈沖暫態(tài)主要指瞬時脈沖或突變，振蕩暫態(tài)包括斷電、電壓下跌、電壓上升、電壓切痕等．電力系統(tǒng)中，電壓、電流的估算是以正弦信號的均方根值 （r ms）定義的，在國際電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，也被用來估算非周期時變信號，如電源電壓中的電壓暫降和暫升或短時中斷．［2］

以FFT為代表的頻域法是基于統(tǒng)計(jì)的方法，要求有一定的時間來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及計(jì)算，因此，頻域法實(shí)際只能提供功率的平均值，存在實(shí)時性不好的缺點(diǎn)．［3］而以小波變換 （WT）為代表的時頻分析方法，因?yàn)槠湎冗M(jìn)的實(shí)時硬件結(jié)構(gòu)、優(yōu)越的諧波測量方法、精確的瞬態(tài)干擾信號識別和數(shù)據(jù)的壓縮等功能，成為了IEEE Std的推薦方法．［2］對于不同的電能質(zhì)量干擾信號，小波變換是對其不同的特征信息進(jìn)行檢測、識別和提取的；為了獲得所需時域分辨率，選擇最適當(dāng)?shù)男〔ê瘮?shù)、分解層數(shù)以及采樣頻率也非常重要．

基于上述分析，本文提出了一種在低壓配電系統(tǒng)中使用小波變換對電能質(zhì)量進(jìn)行檢測和分析的虛擬儀器．該儀器的特點(diǎn)是可以根據(jù)輸入信號電能質(zhì)量的類型，選擇不同的小波分析方法，實(shí)現(xiàn)電能信號實(shí)時或離線的檢測分析．

圖1 離散小波變換的兩階分解樹

1 基于小波變換的虛擬測量儀器

1．1 小波變換

電力系統(tǒng)畸變信號的離散小波分析 （DWT），實(shí)際是離散信號x（n）通過一系列的帶通濾波器后，分為高頻和低頻兩部分，并依次分析下去，最終得到畸變信號相關(guān)信息的過程，其分析過程如圖1所示．

小波包變換 （WPT）可以對信號進(jìn)行更加精細(xì)的分析．即信號通過一系列的帶通濾波器，對高頻和低頻頻帶做二進(jìn)制劃分，最后整個頻帶都被劃分為均勻的頻帶；WPT如圖2所示，描述了用于分析的定長帶寬分解和重構(gòu)的濾波器組及小波分解樹結(jié)點(diǎn)與信號子空間頻帶的對應(yīng)關(guān)系．電能畸變信號x（n）（或用小波系數(shù)表示）通過低通濾波器HP和高通濾波器LP進(jìn)行尺度j＝2的小波包分解，信號頻帶則被均勻分成2j個頻帶，由圖中頻帶排列規(guī)則可知，第j尺度的i結(jié)點(diǎn)，如結(jié)點(diǎn) ［2，3］對應(yīng)頻帶為300 Hz－400 Hz．小波變換均方值計(jì)算見參考文獻(xiàn) ［4］．

圖2 小波包分析的Mallat分解算法

1．2 虛擬儀器硬件實(shí)現(xiàn)

虛擬儀器 （Virt ual Instr u ment，簡稱VI）由LEMLV25－P電壓變換器、NI USB－6009和一臺筆記本電腦組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示．圖中電壓變換器精度為±0．6%，電壓測量的有效范圍是10 V到500 V．NI 6009是一個低成本的數(shù)據(jù)采集板，它有8個模擬輸入通道和14位分辨率，最大采樣頻率48 K Hz，最大輸入范圍±10 V．

圖3 虛擬儀器的硬件結(jié)構(gòu)

使用的軟件是Lab VIEW8．5圖形化編程環(huán)境．該儀器可根據(jù)電能質(zhì)量的擾動類型，采用不同的小波函數(shù)及采樣頻率，即可對穩(wěn)態(tài)或暫態(tài)的電能質(zhì)量信號進(jìn)行檢測和分析．

1．3 Lab VIE W軟件編程

系統(tǒng)軟件在虛擬儀器開發(fā)平臺Lab VIEW8．5上開發(fā)完成．系統(tǒng)的工作原理是先通過數(shù)據(jù)采集卡對模擬電壓電流信號采樣，并變換成數(shù)字信號，再采用WT分析電能質(zhì)量的擾動類型．

使用Lab VIEW8．5圖形化編程環(huán)境開發(fā)的虛擬儀器主要由 “輸入?yún)?shù)控制” “初始化” “運(yùn)行WT”“部分運(yùn)行WT”和 “輸出圖像”五部分組成，其框圖如圖4所示．．

圖4 虛擬儀器框圖

“輸入控制參數(shù)”模塊是由用戶控制儀器前面板上的 “小波函數(shù)” “小波分解樹” “采樣頻率”“DWT或WPT”等選擇，對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時或離線小波分析．“初始化”模塊是從內(nèi)存中選擇適當(dāng)?shù)男〔V波器系數(shù) （LP和HP）進(jìn)行小波變換，并對所有程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)初始化． “部分運(yùn)行WT”和 “WT”VI模塊是用戶通過儀器的前面板上操作進(jìn)行實(shí)時或離線選擇．開始輸入數(shù)據(jù)從VI“數(shù)據(jù)采集卡DAQ”取，如不行，從數(shù)據(jù)文件 （輸入文件—外存儲器）取，如圖5所示．這些VI根據(jù)用戶的選擇可完成相應(yīng)的分析和計(jì)算．最后，輸出圖像顯示的是電能質(zhì)量畸變波形和小波系數(shù)．［5］

圖5 小波分析模塊

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2．1 暫態(tài)電能質(zhì)量干擾

在暫態(tài)電能質(zhì)量擾動模式下，用戶可以設(shè)置不同的小波函數(shù)、小波分析方法對諸如電壓暫降、電壓暫升和短時中斷進(jìn)行分析．本研究采用db4（Daubechies4）小波和12．8 KHz的采樣頻率對擾動信號進(jìn)行離散小波變換 （DWT），然后提取各層高、低頻的小波系數(shù)，當(dāng)小波系數(shù)在幅度上出現(xiàn)很短的尖峰時，則可判斷為短時干擾，如電壓暫降、暫升和短時中斷問題；如果出現(xiàn)一系列的波峰，那就對應(yīng)著振蕩暫態(tài)干擾．如圖6顯示了一個132 V的電壓波形和100 ms的電壓暫降，其幅度是圖1中第一級小波分解的系數(shù)d1（n）．圖7是270 V，持續(xù)時間為72 ms的電壓暫升，其系數(shù)是d1（n）．這兩種電壓均由可編程方法產(chǎn)生．圖8顯示的是一個106．09 ms的短時中斷，其幅度是系數(shù)d1（n）．這個短時中斷由低壓配電網(wǎng)自建的試驗(yàn)裝置得到．

圖6 電壓暫降的小波分析 （a圖是電壓暫降波形，b圖是DWT的d1（n）系數(shù)）

圖7 電壓暫升的小波分析 （a圖是電壓暫升波形，b圖是DWT的d1（n）系數(shù)）

圖8 電壓中斷的小波分析 （a圖是電壓中斷波形，b圖是DWT的d1（n）系數(shù)）

上述實(shí)例說明，系數(shù)d1（n）對電源中的穩(wěn)態(tài)不敏感，但對開始和結(jié)束時的尖峰變化很敏感．因此，使用小波系數(shù)可準(zhǔn)確得到電壓事件的開始、結(jié)束和持續(xù)的時間．

2．2 穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量干擾——諧波失真

本研究采用24系數(shù)的Vaidyanathan濾波器對電壓諧波信號進(jìn)行3層WPT分析，圖9顯示了低壓配電系統(tǒng)電壓諧波的情況，諧波幅度為3．15%，主要為5次諧波分量，其幅度變化從3．15%到6%，持續(xù)時間為75 ms．圖9b顯示三層小波包分解的輸出，頻段是200 Hz—300 Hz．可以看出，使用這些系數(shù)可準(zhǔn)確檢測到五階諧波分量的幅度變化．

3 結(jié)論

本文闡述了基于小波變換的電能質(zhì)量檢測、分析虛擬儀器的結(jié)構(gòu)和性能．并根據(jù)電能質(zhì)量的不同類型，選擇了相應(yīng)的工作模式，實(shí)現(xiàn)電能信號實(shí)時或離線的分析檢測任務(wù)．該儀器還可利用小波局部分析功能，完成特定的頻段信號的研究．結(jié)果表明，該儀器在電能質(zhì)量檢測分析方面具有高可靠性、高性價比和良好的擴(kuò)展性．

圖9 諧波的小波分析 （a圖是含諧波的電壓信號，b圖是WPT分析的5次諧波）

［1］MORSI W G，EL－HA WARY M E．Po wer quality evaluation in s mart grids considering moder n distortion in electric po wer systems［J］．Electric Power Systems Research，2011，81（1）：1117－1123．

［2］IEEE Std 1459－2010．IEEE Standard definitions f or the measurement of electric power qualities under sinusoidal，non－sinusoidal，balanced，or unbalanced conditions［S］．New Yor k，2010：1－34．

［3］IEC 61000－4－30．International Electrotechnical Commission，Electromagnetic compatibility（EMC）．Part 4－30：Testing and measurement techniques．Power qualit y measurement met hods［S］．Switzerland，2003：25－39．

［4］海瑛，陳敬虞，錢蘇翔，等．基于橢圓IIR濾波器組小波包分析的功率測量方法 ［J］．電測與儀表，2009，46（6）：9－13

［5］楊樂平，李海濤，楊磊．Lab VIE W程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用 ［M］．2版．北京：電子工業(yè)出版社，2005：190－210．