（电力系统及其自动化专业论文）暂态电能质量问题研究.pdf

a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fp o w e rq u a l i t yh a sa r o u s e dg r e a tc o n c e mo fp o w e rc o m p a n i e sa n d c o n s u m e r s r e c o g n i z i n g ，l o c a t i n g a n dc l a s s i 毋i n gt h e p r o b l e ma r e o f伊e a t s i g n i 6 c a n c e t h ep a p e ra n a l y z e sa u t o m a t i cr e c o g n i t i o n ，l o c a t i o n 锄dc l a s s i f i c a t i o no f t r a n s i e n tp o w e rq u a l i t ) ，p r o b l 锄，锄ds o m ei m p r o v e m e m sh a v eb e e na c h i e v e d d i 侬r e n t 够p e so fl o a dw i i lc h a n g et h er e s o n a n t 舶q u e n c yo fp o w e rs y s t e m st 0 d i f r e r e n tw a y s a c c o r d i n gt ot h i sc h a r a c t e r i s t i c ，ar e c o g n i t i o na l g o r i t h n lu s i n gt h e e n 的p yf - e a t u r ev e c t o r so ft l l e w a v e l e t 咖n s f o ms p e c i a ll a y e ri sd e v e l o p e df o r c a p a c i t o rs w i t c h i n gd i s t u r b a n c e a tl o wv o l t a g e ，f h r t h e m l o r e ，m el o c a t i o no ft h e d i s t l 盯b a n c ec 柚b ed e t e n n i n e da c c u r a t e l y t h ed i s t u r b a n c ep o w e ra n de n e 理黟i sac o m m o n l yu s e dm e t h o dt 0l o c a t et h e p o w e rq u a l i 够d i s t u r b a n c e s b u ti ti ss u s c 印t i v et oo t h e rd i s t u r b a n c e so c c u r r i n ga tt h e s a m et i m ea n di tm a k e sm i s t a k ew h e nt h ed i s t u r b a n c ei n j e c t se n e r g yt 0t h es y s t e m 。 n l i sp a p e rc o n s i d e r so n l yt h ei n i t i a ld i s t u r b a n c ee n e r g ya n dv o l t a g ea sc r i t e r i o n ， w h i c hl e s s e n sg r e a t l yt h ei m p a c to fo t h e rd i g t u r b 锄c e 柚do b v i a t e st h en e e df 0 rt h e c l a s s i f i c a t i o nb e f o r et h el o c a t i o n a l lt ) r p e so fd i s t u r b a n c e sa 佗s u m m a r i z e da n dar i g h t l o c a t i o nm e m o di sp r o p o s e d w h e nc l a s s i 匆i n gt h ed i s t u r b a n c e s ，廿l el i n e a rd e c i s i o nm e 廿l o d 粕dk - n e a r e s t n e i g h b o rm e t h o d h a v et h es 锄es h o n c o m i n g s ：e n o 彻o u sa m o u n t so fc o m p u t a t i o n 锄d 哟r a g ea sw e l la si m p a i r e dc l a s s 讯c a t i o na c e u r a c y t h i sp a p e ri m p r o v e st h eb a y e s o p t i m a lm e t h o d ，、沛_ i c hc h a n g i n gi tf b m 廿l ep a r a m e t e rc l a s s i f i c a t i o nm e t h o dt o a n o n p a r a m e t e r o n ea n dm a k i n gi t 印p l i c a b l e t 0t h ec l a s s i f i c a t i o no fl i m i t e d i n t e r c r o s s e ds a m p l e s b a s e do nt h ec o n c l u s i o n ，t l i sp a p e ri m p r o v e st h em e t h o d so f l i n e a rd e c i s i o n 锄dk - n e a r e s tn e i 曲b o r ，o v e r c o m i n gt h e i rs h o r t c o m i n g sa n di m p r 0 v i n g t h ec o m p u t a t i o na c c u r a c y w h e na p p l i e dt o 也ep r o b a b i l i s t i cn e u r a ln e 铆o r k s ，t h e 印p r o a c hi m p r o v e si t st w oi n h e r e n ts h o r t c o m i n g s k e yw o r d s ： p o w e rq u a l i 劬w a v e l e tt 啪s f o h n ， r c c o g n i z e ， l o c a t i o n ， c l a s s i f i c a t i o n ，n 烈，k - n e a r e s tn e i 曲b o r ，b a y e sm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢绷签字瞧徊毋 月彬日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞逮盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一虢钎讶 签字日期：加毋年二月多日 导师签名：弋沙v i 雯， 签字日期：岁制年，2 月j 圭日 天津大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着现代科学技术的发展，一方面，造成电能质量下降的因素不断增长， 如以电力电子装置为代表的非线性负荷的使用、各种大型用电设备的启停等； 另一方面，各种复杂的、精密的、对电能质量敏感的用电设备不断普及，人们 对电能质量和可靠性的要求越来越高。上述问题的矛盾越来越突出。统计资料 表明，微机应用系统故障中的三分之一以上都是由电能质量问题引起的；一个 计算中心失去电源2 秒就可能破坏几十小时的数据处理结果或上百万元的经济 损失；自动化设备控制的连续精加工生产线，几分之一秒的不正常供电就可能 造成生产混乱；著名的“北美防空系统”曾在1 9 7 9 年和1 9 8 0 年由于负责自动 监控的中心计算机被电网干扰误触发两次错误的报警，而使基地导弹推出弹井， 几乎酿成重大事故n 1 。可见，电能质量变差会对用户造成严重的损失。 自2 0 世纪8 0 年代以来，随着新型电力负荷的迅速发展以及他们对电能质量 的要求不断提高，电能质量逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。改善电能 质量对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学试验以及人民 生活和生产的正常均有重要意义嘲。据美国电力科学研究院j a n ec 1 e 衄e n s e n 估 计，当今和电能质量相关的问题，在美国每年造成的损失高达2 6 0 亿美元口1 。随 着大量精密仪器和电力电子装置的使用，电力用户已提高了对电能质量的认识， 越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求。提高电能质量，满足生产 发展需求已经成为供电双方的共同的愿望。深入分析和研究电能质量问题，探寻 在一定条件下发生电磁干扰的因果关系，明确责任和义务，是电力工业适应市场 竞争和可持续发展所必须的。 1 2 电能质量的定义和分类 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z 或6 伽z ) 和正弦波形，按规定 第一章绪论 的电压水平( 标准电压) 对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电 流应处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 0 的对称状态。这种理想状态在实际当中并 不存在，主要原因是由于系统各元件( 发电机、变压器、线路等) 参数并不是理 想的线性或对称的，负荷性质各异且随机变化，另外还有调控手段的不完善以及 运行操作、外来干扰和各种故障等原因，因而产生的电网运行、电气设备和用电 中的各种各样的问题，也就产生了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的概念。 1 2 1 电能质量的定义 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但是迄今为止，人们对电能质量 的技术含义却存在着不同的认识，还不可能给出一个准确统一的定义。这是因 为人们看问题的角度不同所致乜4 】。例如电力部门可能把电能质量定义为电压与 频率的合格率，并且用统计数字来说明：电力系统9 9 9 是安全可靠运行的。 电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向负荷正常供电。因此，在如供电 中断持续时间等问题上，供受双方意见就不相一致。这种故障事件应当归属输 配电工程问题，还是电能质量问题说法不一。而设备制造厂家则可能定义电能 质量就是指电源持性应当完全满足电气设备的正常工作需要。但实际上不同厂 家和不同设备对电源特性的要求可能相去甚远。 i e e e 标准化协调委员会已正式采用“p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 这一术 语，并且给出了相应的技术含义：合格电能质量的概念是指，给敏感设备提供 的电力和设置的接地系统，是均适合于该设备正常工作的乜3 。 但是i e c 并没有采用“p 0 w e rq u a l i t y ( 电能质量) 这一术语，而是提出 了使用“e m c ”( 电磁兼容) 术语，指出和强调设备之间的相互作用和影响，以 及电源和设备之间的相互作用与影响1 。 电能质量问题的研究是由电力用户的生产需求驱动的，用户的衡量标准应占 有优先的位置。基于同样的看法和认识，有专家主张采用如下的电能质量定义b 3 ： 表现为电压、电流或频率的偏差，造成用户设备故障或错误动作的任何电力问题 都是电能质量问题。根据这一定义，电能质量除了保证额定电压和额定频率下的 正弦波形外，还包括所有的瞬变现象，如冲击脉冲、衰减振荡等。 1 2 2 电能质量的一般分类 为了系统地分析研究电能质量现象，将电能质量问题进行分类和给出相应的 2 天津大学博士学位论文 定义或规定是很重要的，这也是为了能够对其测量结果进行分析，找出引起电 能质量问题的原因和采取有效措施来解决电能质量问题。i e e e 第2 2 标准协调委 员会和其他国际委员会推荐采用1 1 种专用术语来说明主要的电能质量问题哺们， 其中的一些术语目前在国内尚无统一翻译，在本文中采取如下定义： ( 1 ) 电压下陷( s a g s ) ：电压或电流有效值降至额定值的1 0 一9 0 持续时间 为o 5 个周期至1 分钟。 ( 2 ) 电压中断( i n t e r r u p t i o n s ) ：一相或多相线路中完全失去电压( 即电压 降至额定值的10 9 6 以下) ，其中持续时间在0 5 个周期至3 s 之间的称为瞬时中断， 持续时间3 s 至6 0 s 称暂时中断，持续时间在6 0 s 以上的称为持续中断。 ( 3 ) 电压上升( s w e l l s ) ：电压或电流有效值升至额定值的1 1 0 以上，典型 值为额定值的1 1 0 一1 8 0 ，持续时间为0 5 个周期至1 分钟。 ( 4 ) 电压瞬变( t r a n s i e n t s ) ：指在一定时间间隔内两个稳态量之间的变化。 瞬变可以是任意极性的单方向脉冲，或是第一个峰值为任意极性的衰减振荡波。 ( 5 ) 过电压( o v e r v o l t a g e ) ；电压为额定值的1 1 0 一1 2 0 ，持续时间大于1 分钟。 ( 6 ) 欠电压( u n d e r v 0 1 t a g e ) ：电压为额定值的8 0 一9 0 ，持续时间大于1 分钟。 ( 7 ) 谐波( h a 珈o n i c s ) ：频率为电源基波频率整数倍的正弦电压或电流。由 电力系统中的装置和负载的非线性特性引起的波形畸变。 ( 8 ) 间谐波( i n t e r h a r m o n i c s ) ：电压和电流的频率不是基波频率的整数倍。 间谐波主要由静止变频器周波变频器感应电机和电弧设备产生。 ( 9 ) 频率偏差( p o w e rf r e q u e n c yv a r i a ti o n ) ： 偏差具体标准各国均已做出具体规定。 ( 1 0 ) 脉冲暂态( i m p u l s i v et r a n s i e n t ) ： 脉冲暂态表示了在两个连续稳态之间的一种在极短时内发生的现象或数量 变化。脉冲可以是任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼震 荡波第一个尖峰。 第一章绪论 表卜1i e e e 电力系统电磁现象的特性及分类 类别典型频率典型持续时间典型电压幅值 脉纳秒级5 n s 上升 l m s 现振 低频 5 k h zo 3 5 0 m s 象荡中频5 5 0 0 k h z 2 0 | ls 高频0 5 5 姗z 5 l ls 即 间断o 5 - 3 0 周波 o 1 p u 时凹陷0 5 q o 周波0 1 o 9 p u 短凸起0 5 3 0 周波1 1 一1 8 p u 期瞬间断3 0 周波_ 3 s 1 m i n o 8 旬9 p u 变过电压 1 m i n 1 1 1 2 p u 动 电挑小平衡稳态 o 。5 _ - 2 波直流偏移 稳态o 肾0 1 形谐波 o 一1 0 0 t h 稳态 o _ 一2 0 9 6 畸 问谐波k h z 稳态o 籼 变缺口稳态 噪声宽带稳态0 ， 一1 电压波动 2 5 h z 间歇 0 1 9 一7 频率偏差率 o ，f 尺 ( 2 _ 1 1 ) 称虬，o ) 为依赖于参数口、f 的小波基函数。由于尺度因子口、平移因子f 是取 连续变化的值，因此称虬，g ) 为连续小波基函数。 定义小波母函数y t ) 窗口宽度为& ，窗口中心为f 。，则相应可求得连续小波 以) = 口弓y ( 等) 的窗呻心为 f 。，= 口气+ f ( 2 一1 2 ) 窗口宽度为 馘，= 口& ( 2 1 3 ) 同样，设甲为y o ) 的傅里叶变换，其频域窗口中心为，窗口宽度为缈， 设虬，g ) 的傅里叶变换为咒，则有 t ，0 ) = 口1 胆e 咖7 甲q 功) ( 2 1 4 ) 所以其频域窗口中心为 吃，：! ( 2 1 5 ) 窗口宽度为 q ，：三 ( 2 1 6 ) 可见，连续小波，o ) 的时、频域窗口中心及宽度均随尺度因子口的变化而 伸缩。 2 4 2 连续小波变换 定义2 2 对于信号厂g ) ，设其能量是有限的，即厂o ) r ) ，其连续小波 变换对应为： 吁( 口力= ( 厂 虬必) ) = 去k 厂e 归p 弘 c 2 1 7 ) 第二章小波变换及其在电能质量领域中的应用 称矾i g ，f ) 为小波变换系数，其等效频域表达式为： 吩b ) = 篆坛f 如) 丽户 ( 2 - 1 8 ) 其中f ( 功、甲) 分别为厂g ) 、妙o ) 的傅里叶变换。 由连续小波变换的定义可知，随着尺度因子口发生变化，对应窗口中心频率 堕及窗口宽度丝也发生变化。因此小波变换是一种变分辨率的时频联合分析 口口 方法，当分析低频信号时，其时间窗很大，而当分析高频信号时，其时间窗减小， 这恰恰符合实际问题中高频信号的持续时间较短、低频信号持续时间较长的自然 规律。 连续小波变换的逆变换公式为： 厂o ) = 上f 暇( 口，f 耽，t p f ( 2 1 9 ) j 其中勺：+ 阻 ，即对沙o ) 提出的容许条件。 ： 口 2 4 3 离散小波变换 由连续小波变换的概念知道，在连续变化的尺度因子口及平移因子f 值下， 小波基函数虬，o ) 具有很大相关性，因此信号厂o ) 的连续小波变换系数 暇( 口，f ) 的信息量是冗余的。减小小波变换系数冗余度的做法是将小波基函数 虬，o ) = 击y p 子) 的口、f 限制在一些离散点上。一种最通常的离散方法是将 尺度因子按幂级数进行离散化，取口。= 口孑湎为整数，口o 1 ，一般取口o = 2 ) 。 位移的离散化通常对z 进行均匀离散取值，为了不丢失信息，要求采样间隔f 满 足n y q u i s t 采样定理，即采样频率大于等于该尺度下频率通带的二倍。尺度增加 一倍，对应的频带减小一半，采样率可以降低一半。 如果尺度为_ ，z = o 时，f 的间隔为z ，在尺度因子为2 ”，位移间隔可以取为 2 ”霉，此时虬，0 可表示为 2 4 天津大学博士学位论文 伊2 专y ( 专川) 一柑 泫2 。， 为了简化，往往把f 轴用归一化，这样上式就变成 础) - 2 专y 陪一以) 沿2 1 ) 定义2 3 任意函数厂e ) 的离散小波变换为 吁b ，z ) = 工厂o 厩： ( 2 2 2 ) m 和刀分别为二进离散小波变换的尺度因子和位移因子。若离散小波序列 ，。l ，。e z 构成一个框架，其上下界分别为么和b ，则当4 = 召时( 紧框架) ，由 框架概念可知离散小波变换的逆变换为 o ) 2 丢( ，吩。t ) 奶，t g ) 2 去丢吁( ，后) 吩，t o ) ( 2 2 3 ) 当彳曰，而彳、占比较接近时，作为一阶逼近，可取 呒，t g ) 2 忐o ) ( 2 - 2 4 ) 则重建公式近似为 厂( f ) 2 丢( 厂，t ) 奶，t o ) 2 i 苦丢眄( ，尼耽，t o ) ( 2 2 5 ) 逼近误差的范数为悯i i 鲁等| o 由上式可见，鸦磁接近，逼近误差就越小。只有当彳= 曰= 1 时，框架。o ) 蛮为币交基。 2 4 4 二进小波变换 二进小波变换是连续小波变换与离散小波变换的折衷，它只对尺度因子口进 行二进离散，而平移因子f 保持连续变化，即取口= 2 ，七z ；f r 。称这类小 波为二进小波，相应的小波函数为 伊2 孝睁) 2 6 ， 设小波函数为y o ) ，其傅里叶变换为、王，) ，若存在二常数o 0 和e ， 0 时，也有丝 0 ，可得出u 0 的结论。说明此时有扰动发 生，且这类扰动是向系统中注入能量的，结果是此处的电压会比无扰动时升高， 从而电网中各处的电压也会比无扰动时升高。本文举例的扰动方式就属于此类情 况。 由此可得结论：扰动初始时刻电压的降低或升高，可以作为区分此类扰动是 从系统吸取还是向系统注入能量的标准。而初始扰动功率和初始扰动能量的极性 不能作此标准。 在对扰动电压图4 2 和图4 6 的比较也可直观的发现，从系统中吸收能量的 扰动初始电压是下降的，而向系统中注入能量的扰动初始电压是上升的。这也是 符合一般的常识的。 天津大学博士学位论文 电网 图4 1 0 分析电网中功率流动的示意图 由于要得到的结论是方向，因此只需再添加一个符号函数即可做到改进。 改进的方法是：在扰动功率( 能量) 的波形上乘一个符号函数，即视扰动类 型决定是否把波形沿x 轴翻转。这样综合考虑更改了的扰动功率( 能量) 的波形 和原定位方法，即可得正确结论。 改进用的符号函数为： 踮：嚣黜h 圳 m 7 ， s g n i u s o + 1 ) i i 【，g + 1 ) l 、2 式( 4 7 ) 中，刀是扰动开始的时间点，属于离散值，它可在扰动功率波形 上得到。刀+ l 即扰动开始后的第一个时间点。u ，g + 1 ) 是刀+ 1 时刻的有扰动电 压值。虬o + 1 ) 是甩+ 1 时刻的若无扰动时应有的电压值，此值要在前一个稳态周 期时的对应时刻找到，取绝对值是要使在电网电压为负时发生扰动也适用。 也0 + 1 ) 是，l + 1 时刻的扰动能量的值。s g n 是符号函数。 由于式( 7 ) 用于已经确定发生扰动后的定位改进，所以s 只有+ 1 和一1 两 个结果。式( 4 7 ) 综合了初始功率和初始电压变化的影响，可以作为暂态扰动 的定位依据。 式( 4 7 ) 的含义为： ( 1 ) 若扰动初始电压u ，比正常运行时应有的电压值u 。小，式( 7 ) 右边 第二部分的结果应是+ 1 。而按上述的结论，此类扰动应是从系统中吸取能量的。 结合式( 4 7 ) 中右边第一部分的结果，即扰动功率和能量法的结论，则s = + 1 时， 扰动在测量装置的前方，s = 一l 时，扰动在测量装置的后方。这和文献 1 2 1 中 扰动类型的结论相同。 ( 2 ) 若扰动初始电压u ，比正常运行时应有的电压值u ，高，则式( 4 7 ) 中 右边第二部分的结果应为一1 ，它相当于把原扰动功率( 能量) 的波形沿x 轴翻 4 5 第四章电能质量暂态扰动的定位 转。此类扰动应是向系统中注入能量的，也是本文举例的扰动类型。结合式( 4 7 ) 中右边第一部分的结果，综合结果是：当s = + 1 时，定位扰动在测量装置的前方， 当s = 一l 时，定位扰动在测量装置的后方。这就正确定位了本文提出的扰动类型。 综合上述两种扰动类型，可以得出对从系统吸收能量和向系统注入能量的扰 动类型都适用的改进定位方法。即式( 4 7 ) 中，当s = + 1 时，暂态扰动在测量 装置的前方，当s = 一1 时，暂态扰动在测量装置的后方。 扰动能量法通过扰动能量的正负来判断扰动的方向。扰动能量法能够将扰动 支路和非扰动支路区别开来，但系统侧的扰动能量表现为不确定性，有正有负。 有时是一负荷支路发生扰动，但系统侧的扰动能量也与其同号，因而不能判定扰 动是负荷支路还是系统造成的。 电网中存在多种复杂情况，如：弧光放电、非线性负载、容性负载、感线负 载的瞬时接入等。本文提出的判据，只考虑扰动初始时刻的情况，本质是扰动处 的电势差的方向问题，它决定初始时刻的扰动能量流动的方向问题。这决定了是 系统释放能量扰动还是注入系统能量的扰动，并对其定位。所以上述问题在扰动 初始时刻的扰动能量流动方向问题上，是同一问题的。只考虑扰动初始时刻的扰 动功率或扰动能量，而不是在一个时间段内考虑所有的问题，在很大程度上避免 了上述的问题。 在实际应用中，采样率也有很大的影响。对持续时间很短的扰动，如电压脉 冲和电压缺口，至少要有一个采样点探测到扰动功率，且幅值要大于设定的阀值。 对振荡扰动，要探测到它的第一个振荡周期，也要大于设定的阀值。由此可见： 只要在采样波形上，瞬时扰动或振荡扰动的第一个振幅可见，就可以使用本文改 进的方法来定位扰动。 4 4 仿真分析 图4 1 1 是定位扰动的仿真用支路图。支路上带有负荷s l s 3 ，并在负荷处 加入高斯噪声。测量装置m 1 和m 2 ，箭头规定了定位的正向，并假定在f 1 一f 4 处分别发生暂态电能质量扰动。 在仿真时，我们分别使用原扰动定位法和改进的扰动定位方法，对失电压、 和电压脉冲扰动进行定位仿真验证。每种扰动的参数随机的取5 0 种。使用图中 天津大学博士学位论文 两个测量装置测得的数据进行定位仿真，定位仿真结果见表4 1 和表4 2 。 在表中