基于数学形态学和瞬时无功功率分解的电能质量扰动参数估计.pdf

电气开关 ( 2 0 1 2 N o 3 ) 6 1 文章编号 ： 1 0 0 4 2 8 9 X( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 6 1 0 4 基于数学形态学和瞬时无功功率分解的 电能质量扰动参数估计 王丽霞 ( 中铁 第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安7 1 0 0 4 3 ) 摘要： 电能质量扰动参数是定义和分类电能质量扰动， 评估电能质量水平的重要依据。提出了一种基于数学形 态学和瞬时无功功率分解的电能质量扰动参数估计方法， 该方法将电能质量扰动分为不同的类型， 通过 d q变换， 广义形态滤波和高帽变换结合的方法对基波幅值变化类扰动进行分析， 对分析结果进行参量计算用以估计电能 质量扰动参数 。仿真结果验证该方法是行之有效的。 关键词 ： 电能质量； 瞬时无功功率； 数学形态学； 参数估计 中图分类号： T M7 l 文献标识码 ： B E le ct r ic En e r g y Qu a lit y Dis t u r b a n ce P a r a me t e r Es t ima ti o n B a s e d o n M a t he m a t io na l M o r p ho lo g y a n d I ns t a nt a ne o u s Re a c ti v e Po we r De co mpo s iti o n G L i x ia ( N o 1 S u r v e y D e s i g n I n s t it u t e o f C h i n a R a i l w a y G r o u p C o ， L t d ， X i a n 7 1 0 0 4 3 ， C h i n a ) Ab s t r a ct ： P o w e r q u a lit y d is t u r b a n ce p a r a me t e r s a r e imp o a n t b a s is f o r d e limit in g o r cla s s if y in g p o we r q u a li t y d is t u r b - a n ce s a n d a s s e s s in g t h e le v e l o f p o w e r q u al it y T h e p a p e r p u t s for w a r d a p o w e r q u a lit y d is t u r b a n ce s p a r a me t e rs e s t i ma t io n me t h o d b a s e d o n ma t h e ma t ical mo r p h o lo g y a n d in s t a n t a n e o u s r e a ct iv e p o we r t h e o r y ， t h e me t h o d cla s s ifie s p o we r q u al i t y d is t u r b a n ce s t o d if f e r e n t t y p e s ， e x t r a ct s in f o r ma t io n t h r o u g h d q d e co mp o s i t io n， g e n e r a liz e d mo rph o lo g ica l f i lt e r a n d T o p h a t t r a n s f o rm ， t h e n g e t s t h e d is t u r b a n ce p ara me t e r s b y ca lcu la t in g S i mu la t io n r e s u lt s v e ri f y t h a t t h e me t h o d is e f f e ct i v e Ke y wo r d s： p o we r q u a lit y； i n s t a n t a n e o u s r e a ct i v e p o we r t h e o r y； ma t h e ma t ical mo rph o lo gy ； p ara me t e r e s t i ma t io n 1 引言 电网中各种非线性负载的大量应用， 导致电能质 量急剧下降 ， 而治理 电能质量 ， 需要先判断所 发生 的电能扰动的类型 ， 才能进一步分析其形成原因 ， 进而 采取相应 的措施进行 补偿 和改善 。I E E E通过扰动参 数明确定义 了各种 电能扰 动 J ， 若 能获取扰动参 数 ， 就可准确 的对扰动类型进行判断。同时 ， 近年来 国家 智能电网的发展， 提出现代电网应能够按照用户要求 提供不同质量的电能。而如何评估电能质量的高低， 也需获得电能质量扰动 的相关参数 。因此 ， 电能质 量扰动参数的获取具有非常重要的意义 。 电能质量扰动分为稳态扰动和暂态扰动 ， 稳态扰 动的参数可通过统计能数学手段较为容易的获得 ， 而 暂态 电能质量扰动 因为发生的时间短 ， 特征复杂 ， 所以 参数较难获取 。由于暂态电能质量扰动信号是一种典 型的非平稳信号 ， 因此可 以通过信 号处理方法来进行 获取。信号处理的方法有很多， 包括基于时域， 基于频 域和基于变化域的方法 J 。其 中有很多方法以应用 在 电能质量扰动检测和分类相关领域上 ， 被证明其分 析结果能够反映信号的特征 J ， 是行之有效的， 但是 用于参数估计 ， 还存在着一些 问题。如傅里叶变换计 算简单 ， 可以很好的反映信号的频率特征， 但缺乏时间 分辨率， 难以反映暂态扰动信号的时域信息； 小波变换 通过分解能够获得信号的时间 一 频带信息， 在暂态扰 动的检测上表现优异， 被称为信号的放大镜， 但是用于 参数测定， 难以建立小波系数和扰动参数的联系； S 变 换、 双线性时频分布等时频分布方法， 能够全面的反映 6 2 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 3 ) 信号的时间频率联合特征， 但也存在着计算量大、 冗余 信息多 、 特征参数提取困难等问题 ， 同时大量积分运算 不仅耗时 ， 而且也会 因运算步骤过多而导致计算误差 增大 。 I E E E是从时域上定义扰动的 ， 因此从时域上提取 扰动特征具有一定 的优势。本文采用了两种基于时域 的信号处理方法 ， 瞬时无功功率理论和数学形态理论 ， 对几种常见 的电能质量扰动信号进行分析计算 ， 获得 其相关参数 ， 仿真结果表明， 该方法是有效的。 2 瞬时无功功率分解和数学形态学 2 1 瞬时无功功率分解理论 瞬时无功功率分解理论指出将三相系统电压经过 变换 和 d q变换可将基频分量转换 为直流分量 ， 而 其他分量仍为交流分量， 采用直流滤波器， 即可获得信 号 的基波成分 。这些基波成分中包含 了幅值变化 的信 息 。计算公式如下所示 ： 【 ： ： 一sm。e ot -一 c 。ons(o t儿 u a 分析单 相信号时 ， 可通过虚构 分量来进行计算 。 假设 = A co s ( o ) t +沙 ) ， 计算公式( 1 ) 可得 ： u = co s ( + ) = 手 p = co s ( o ) t + 一 rr 4 ) ( 2 ) V厶 则 u 可用 u 乘 以一个 常数来构造 ， 可通过将 平移滞后 1 4个周期来构造 。若要恢 复信号 ， 可通 过反变换实现。 2 2 数学形态学滤波理论 数学形态学 是 近年来提 出的一种从 图像处 理 演变而来 的新方法 ， 它利用 图像处理理论提取信号的 主要特征 ， 而不改变其大体形状， 可应用于滤波和边缘 检测等领域 。这种基于时域 的非线性数学方法具有计 算简单 、 实时性 强 的特点 ， 有较 好 的应用 前景。文献 1 0 指出， 在直流阶跃的信号消噪上， 形态滤波的效 果甚至更优于小波分析， 但计算量要小得多。因此， 本 文构造了基于数学形态学得广义形态滤波器作为直流 滤波器 ， 构造方法如下所示 。 厂( )： ( 3 ) 代表待处理的信号， 。 和 分别代表形态开运算 和闭运算 ； g 。 和 g ： 代表形态结构元素 。g 和 g ：的长 度和形状影响滤波 的效果 ， 在本 文 中， g 为 1 4周期 长度的扁平结构元素， g ： 为比g 。 长度多一个采样点的 扁平元 素， 用以去 除的 a 和 分量 中的谐波 和噪声 成分 。 3 算法设计 电能质量扰动的种类有很 多 ， 根据不同的特点可 将常见的电能质量扰动分为三类 ： 一类是基 波幅值变 化类 ， 长期的有过电压， 欠电压和中断等， 短时的有电 压暂升， 电压暂降和凹陷； 第二类是包含其他频率成分 的加性扰动 ， 包括最常见 的谐波 ， 暂态振荡等 ； 第 三类 则是两者的复合形式 ， 如 电压暂 降时有时会伴有振荡 现象， 或是谐波引起的电压暂降等。长期的扰动参数 测量相对容易 ， 理论也较为成熟 ， 加性扰动成分可 以通 过傅里叶变换进行分析 。因此本文着重研究一些常见 的暂态电能质量扰动 的参数测定方法 ， 其 中最 主要 的 就是最常见的电压暂降扰动。首先说明参数测定的过 程 ， 如 图 1所示 。 图 1 幅值特征获 取流程图 选取 经过滤 波 的 a 和 分量 进计算 信号 的特 征 ， 计算公式和流程如下式所示 ： ， ， 虫 ( 4 ) 图2 ( a ) 为预设电压暂降信号， 采样率为 5 0 0 0 H z ， ( b ) 为扰动信号的幅值特征， 其中实线表示根据上述 方法计算所提取到的幅值 ， 虚线表示 预设 幅值变化 曲 线 。由图可知 ， 所提取获得的幅值基本 于预设是 吻合 的 ， 在突变点附近 ， 有一段过渡过程 ， 产生的原因是因 j O 一 1 0 一 1 5 1 2 1 0 0 8 0 6 0 4 2 0 2 ( a )( b ) 图 2 电压暂降及其幅值特征 一 一 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 3 ) 6 3 为 ， 在虚构 采用了平移 的构造方法 ， 导致两分 量幅 值突变的时间点不同。但是 ， 因为构造平移 的均为 1 4周期 ， 因此此过渡段也是有规律可循 的。在本例 中， 扰动信号从第 0 0 5 s 时发生暂降， 0 1 5 s 时结束， 计算 所得的幅值从第 0 0 5 s 开始逐渐下降， 1 4个周期后 降为 0 3 p u ， 0 1 5 s时开始恢复 ， 1 4个周期恢复 为 1 P U。 由以上分析可知 ， 提取到的电压信号中包含 了暂 降的幅值变化幅度和时间信息， 根据 I E E E的定义， 电 压暂降参数包括扰动的幅值 A( 0 1 p U A 0 9 P U ) ， 扰动持续时间 ( T 2t 1 1 ， 则发生了电压暂升 ， 。 即为暂升的幅 值； 若A ： 0 9， 则发生了电压暂降， A 即为暂降的幅 值； 若A 0 1， 则发生了电压凹陷， A 即为凹陷的幅 值 ； 另外一个重要的扰动 时间为扰动持续时间 ， 若获 得扰动起止时刻 ， 则可 以获得准确的扰动时间。在本 算法 中， 将 幅值开始变化的时刻作为扰动的起时刻 t ， 将幅值开始恢复时刻作为扰动终止时刻 t 。为了提取 这两个边沿时刻 ， 采用 数学形态学 T o ph a t 运算 ( 高 帽变换) ， 计算公式如下所示 ： T o ph a t ( U )=U。 gU ( 6 ) 其中 g为结构元素 ， 本算法 中选取长度为 5点 的 扁平结构元素。 1 5 1 0 j 0 - 5 0 0 5 1 0 1 5 图 3 幅值特征及其高帽变换 根据以上算法 ， 得 到幅值特征 的 T O Ph a t 变换 ， 即图3 所示的定位脉冲， 检测定位脉冲的起点( 非零 值) 作为扰动起( 止) 时刻， 由此获得四个参数分别为： 表 1 电压暂降及其扰动参数 4 仿真分析 电压暂升、 暂降和凹陷， 均属于电压幅值变化类扰 动 ， 三者的测定过程相似。 表 2 暂态扰动及其扰动参数 当电力系统中存在 的噪声较 大时， 考虑噪声的影 响， 对第二节中电压暂降扰动添加信噪比为4 0 d B的 高斯 白噪声 ， 获得的电压暂降定位脉冲如图 4所示。 O 1 5 O 1 O j 0 0 5 0 j 型一 0 0 5 蜂 一 0 1 0 一 O 1 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 j 0 05 0 j型一 0 0 5 _ o 1 O O 1 5 ，一 0 2 0 图4 定位脉冲及其阈值处理 由图可知 ， 由于受噪声的影响 ， 所提取到的定位脉 冲存在着一些噪声引起的微小波动 ， 也会表现为奇异 点 ， 为克服此问题 ， 对定位脉冲进行 阈值处理 ， 然后检 测扰动起止时刻。 阈值处理的算法如下 ： T op - hat( U ) = T op h ac (0 ) 一 TT 0pop 一- hh al (at( U ) t r ) l T o ph a t ( )I L 4 0 d B白噪声存在的情况下获得的仿真结果如下 所示 。 表3 暂态扰动及其扰动参数( 含噪声) 电气开关 ( 2 0 1 2 N o 3 ) 由仿真结果可知 ， 在存在噪声时获得的暂变参 数 有一定误差 ， 参数 A误差小 于 lp U ， 扰动 时 间小 于 1ms o 除了上述扰动 ， 还存在一些常见 的电能质量扰动 如谐波 ， 暂态振荡 以及 复合类扰动。在上述过程 中已 获得 了幅值变化类扰动的相关参数 ， 则可 以通过这些 参数反 向获得准确 的基波成分 ， 将其 与原扰动信号相 减 ， 即可获得加性的扰动成分 ， 对加性扰动成分做简单 的傅里叶变换和过零点数检测 ， 就 可获得加性扰动 的 频率成分和扰动时间。 5 结论 ( 1 ) 本文所提 出的采用瞬时无功功率分解理论及 广义形态滤波 ， 数学形态学高帽变换进行参数测定的 方法 ， 对 电压暂降 ， 电压暂升和电压 凹陷的参数测定是 行之有效别的 ； ( 2 ) 在噪声存在 的情况下 ， 该 方法存在 一定 的误 差 ， 但误差较小 ； ( 3 ) 利用该方法可以反构获得扰动信号的基波成 分 ， 进而获得加性扰动成分 ， 为加性扰动参数的获得打 下基础 ； ( 4 ) 如何对更多类型的电能质量扰动信号进行参 数测定 ， 并进一步提高在强噪环境下 的准确率 ， 是进一 步进行 的工作 。 参 考文献 1 徐永海 ， 肖湘 宁 电力市场环境下的 电能质量 问题 J 电网技 术 ， 2 0 0 4， 2 8 ( 2 2) ： 4 8 5 2 2 林 海雪 现代 电能质量 的基 本 问题 J 电网技 术 ， 2 0 0 1 ， 2 5 ( 1 O ) 5 1 O 3 陈磊， 许永海 浅谈 电能质量评估的方法 J 电气应用， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 1 ) ： 5 86 5 4 张斌 ， 刘晓川 ， 许之晗 基 于变换 的电能质 量分析 方法 J 电网技 术 ， 2 0 0 1 ， 2 5 ( 1 ) ： 2 52 9 5 赵 凤展 ， 杨仁刚 时频分析 方 法在 电 能质量扰 动检测 与识别 中的 应 用 J 华北 电力 大学 学报 ， 2 0 0 6， 3 3 ( 5 ) ： 3 33 7 6 任 震 ， 石志强 小波分析及 其在 电 力 系统 中的 应用 ： ( 三)工程应 用技术 J 电力系统 自动化 ， 1 9 9 7 ， 1 2 ( 3 ) ： 91 2 7 R e n Z h e n ， S h i Z h i q i a n g Wa v e le t A n My s i s a n d i t S a p p l i ca t i o n i n p o w e r s y s t e ms ： ( 3) E n g i n e e rin g A p p l i ca t i o n s J Au t o ma t i o n o f E l e ct ric P o w e r S y s t e ms ， 1 9 9 7 ， 1 2 ( 3 )： 91 2 8 曾纪 勇， 丁 洪发 ， 段 献忠 基 于数学形态学的谐波检测 与电能质 量 扰动定位 方法 J 中国电机工程 学报 ， 2 0 0 5， 2 5 ( 2 1 ) ： 5 7 6 1 9 崔屹 图象处理与分析一数学形态学方法及应用 M 北京： 科学 出版 社 。 2 0 0 2 1 O 王丽 霞， 何 正友 ， 赵静 ， 等 小波 变换和数 学形 态学在 电力扰动 信 号 消噪 中的应用 J 电力 系统保护 与控制 ， 2 0 0 8 ( 3 6 )： 3 03 5 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 2 2 8 作者简 介： 王 丽霞 ( 1 9 8 5 一) 。 女 硕 士研 究生 。 助理 工程师 研究方 向为轨道 交通 供 变电技术及电能质量 问题 。 ( 上接第 6 0页) 而产生 P WM触发脉冲， 控制 P WM逆变器功率器件 的 通断 ， 进而实现 电能传输 。 基于电网电压定向的并网逆变器控制结构如图 4 所 示 。 图4 同步旋转坐标系下电压定向控制框图 直流电压控制的输 出为 d轴 电流 的参考值 ， 调 节该 电流值能够实现有功功率 的调节 。在本文 中， 无 功电流 的参考值是 由外部给定 的， 为了实现单位 功率 因数控制 ， 可令无功功率为零。 4结束语 并 网光伏逆 变器是连 接逆变 器与 电网 的重要部 分 ， 并 网控制策略尤为重要 。三相光伏并 网系统是光 伏并网最常用