（电力系统及其自动化专业论文）电力系统暂态电能质量检测研究.pdf

a b s t r a c t p o w e r e n e r g y , a sac l e a na n de f f i c i e n te n e r g y ，p l a y sam o r ea n dm o r ei m p o r t a n t r o l ei nt h ei n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n dp e o p l e sd a i l yl i f ei nt h ef o r m o fs p e c i a lc o m m o d i t y p o w e re n e r g y e m p h a s i z e st h eq u a l i t i e s a sl i k ea so t h e r c o m m o d i t i e s h i g hq u a l i t yp o w e re n e r g yc a ne n s u r et h ep o w e rg r i da n dp o w e r e q u i p m e n t s s a f ea n de c o n o m i c o p e r a t i o n ，i ta l s oh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei n i m p r o v i n gt h ep r o d u c tq u a l i t ya n dg u a r a n t e e i n gt h er e s i d e n t s n o r m a ll i f e w i t ht h e w i d ea p p l i c a t i o no fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n ti nt h ep o w e rs y s t e m ，t h et r a n s i e n t p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e sh a v eb e c o m ear e s e a r c hf o c u si nm a n yf i e l d s i ti st h e e s s e n t i a lp r e m i s ea n db a s i sf o rt r a n s i e n tp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c e s m o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n tt od e t e c ta n dl o c a t et h et r a n s i e n tp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e sa c c u r a t e l y t h ep a p e rd i s c r i b e sf i v ec o m m o nt r a n s i e n tp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c e si nd e t a i l ， w h i c ha r ev o l t a g es w e l l ，v o l t a g es a g ，v o l t a g ei n t e r r u p t i o n ，s u r g ea n di m p u l s e t h e d e t e c t i o nm e t h o dt h e o r i e sr e l a t e dt ot r a n s i e n t p o w e rq u a l i t ys u c h a sw a v e l e t t a n s f o r ma n df o u r i e rt r a n s f o r ma r ei n t r o d u c e d ，t h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e n t h e mi sc a r r i e do nd e t a i l e d w a v e l e tt r a n s f o r ma san e wd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g m e t h o di sa d o p t e da c c o r d i n gt ot h en o n s t a t i o n a r yp r o p e r t yo ft r a n s i e n tp o w e r q u a l i t ys i g n a l s ，w h o s ef i n et i m e f r e q u e n c yl o c a l i z i n gc h a r a c t e r i s t i cc a nc h a r a c t e r i z e t h es i g n a l s i n g u l a r i t yt h r o u g ht h ew a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l u sm a x i m a u s i n gt h e m a l l a ta l g o r i t h m ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l u sm a x i m ao fs i g n a ls i n g u l a r i t yi s e x t r a c t e d t h r o u g h m u l t i r e s o l u t i o n d e c o m p o s i t i o n o f s i g n a l ，s o t h ea c c u r a t e l o c a l i z a t i o no ft h et r a n s i e n tp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c es i g n a l sc a nb er e a l i z e d ，a tt h e s a m et i m et h ed u r a t i o na n da m p l i t u d eo fw h i c hc a na l s ob eo b t a i n e d t h et r a n s i e n t p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e ss i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u tu s i n gt h em e t h o dt h r o u g ht h e m a t l a bs i m u l a t i o ns o f t w a r e t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s e a r c hs h o w t h a tt r a n s i e n t p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e sd i s t u r b a n c eo fp o w e rs y s t e mc a nb e d e t e c t e dr o u n d l y , r e a l t i m e l ya n da c c u r a t e l yw i t ht h ew a v e l e tt r a n s f o r m ，a n dp r o v i d e v i d e n c ef o rt h ee v a l u a t i o na n dg o v e r n a n c eo ft r a n s i e n tp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s a i m i n ga tt h et r a n s i e n tp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e si np o w e rs y s t e m ，at r a n s i e n t p o w e rq u a l i t yd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi sp r o p o s e da n d d e s i g n e d ，w h i c ha d o p t st h ee m b e d d e dl i n u xt e c h n o l o g ya n dt h ea r me m b e d d e d p r o c e s s o r t h es y s t e m h a r d w a r ep a r tc o n s i s t so ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d s p p r o c e s s i n gm o d u l ea n dm c um a n a g e m e n tm o d u l e t h em u l t i c h a n n e ls i g n a ls a m p l i n g h o l dc i r c u i ti s d e s i g n e dw i t h t h ea d 8 3 6 4c h i pi nt h e p r a e v i am e a s u r i n ga n d a c q u i s i t i o nm o d u l ea c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n g t h es y s t e m s o f t w a r ep a r tc o n s i s t so fd s ps o f t w a r e ，m e ns o f t w a r ea n dp e s o f t w a r e t h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tb a s e do na r ma n dl i n u xi s c o n s t r u c t e da n dt h ee m b e d d e dl i n u xk e r n e li st a i l o r e da n dt r a n s p l a n t e dt oa r m p r o c e s s e rs u c c e s s f u l l ya c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n sw h i c ht h ee q u i p m e n tn e e d st o r e a l i z e b a s i ch a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g na r ea l lc o m p l e t e d k e yw o r d s ：t r a n s i e n tp o w e rq u a l i t y ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；d e t e c t i o n ；e m b e d d e d t e c h n o l o g y l i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 鼍亳 日期：- 咿5 月j 弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时 授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论文全文数据库，并 通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：二垆 日期：文p 1 年 5 月多弘日 歹月训日 第一章绪论 1 1 暂态电能质量研究背景和意义 1 1 1 研究背景 电能既是一种经济实用的能源形式，又是一种由电力部门向电力用户提供， 并由供用双方共同保证质量的特殊商品。如今，这一特殊商品正在工农业生产和 人民日常生活中扮演着越来越重要的角色。同其他商品讲求质量一样，电网电能 也有其质量要求。高质量的电能对于保证电网和电气设备安全、经济运行，提高 产品质量和保障居民正常生活有着重要的意义。 一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦波形，按规定的电压水平向用户 供电，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差l2 0 0 的对称状态。但 在实际情况下，由于实际中各元件参数的非理想线性和对称，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，这种理想的状态并不存在，到达电 力用户的电能偏离正弦波形而发生畸变。特别是当前不对称负荷、冲击性负荷在 容量和数量上日益增大，使得干扰成分不断增加，使得电能质量日益恶化。 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分稳态和暂态两大类。由于 谐波、电压和频率波动等是电能质量中较为突出的问题，所引发的事故不断，给 电力系统的安全运行带来了巨大的隐患和影响，因此过去对电能质量的研究主要 集中在与谐波相关的稳态电能质量问题上，主要包括元件建模、谐波潮流分析、 谐波抑制等问题，比如在电力系统、电力电子、电机、供用电等专业中以及涉及 电力电子应用的工业部门中，都把谐波干扰及其分析处理作为重要技术课题。对 有关稳态电能质量指标也制定出相应的国家标准。 由于受到各种技术限制等诸多原因，对电力系统中存在的如电压凸起、电压 凹陷、脉冲暂态及振荡暂态等暂态电能质量问题的研究则相对较少。由于暂态电 能质量扰动具有突变、非平稳、持续时间短等特性，需要了解它们在时域和频域 中的全局特性。暂态扰动信号中的奇异点通常与电力系统的电气参数有着重要的 联系。奇异性检测的目的就是对电能质量扰动进行检测定位，抓住其特性，进而 采取适当的保护控制措施。随着电能质量水平与用户对其要求之间的差距日益加 大，所带来的问题已引起了各国电力工作者的高度重视，暂态电能质量也逐渐成 为供电部门和广大用户所共同关心的问题，研究和开发电能质量领域的新技术已 成为近年来电力系统研究领域的新热点n 3 1 。 1 1 2 研究意义 随着现代科学技术的高速发展，工业生产过程已高度自动化和智能化，这些 高技术工业对供电质量要求非常高，许多电力电子设备对供电质量特别敏感，只 能在供电质量达到非常高的条件下才能正常工作。低质量的供电水平有可能将导 致低质量的产品，特别是在重要的工业生产过程中，各种电能质量扰动都可能会 带来巨大的经济损失，在这种情况下，广大用户必然会对电能质量提出越来越高 的要求。 与此同时，随着电力工业市场化进程的不断加快，供电部门把对用户服务放 到很重要的位置，这就要求供电部门采取措施来提高供电质量，以满足广大电力 用户对电能质量新的要求。合格的电能质量是电力系统安全稳定、经济运行的必 要条件，是电网运行水平高低的重要标志，同时也是用电企业管理水平考核的重 要指标。 在这种情况下，电能质量检测分析具有巨大的现实意义。对于电力用户来说， 电能质量直接关系到企业的效益情况；对于供电部门，有责任采取措施保证高质 量电能质量的供应。全面保障电能质量既是电力企业的责任，也是电力用户应尽 的义务，对电能质量进行检测分析是获得电能质量信息的直接途径，是约束发、 供、用三方共同遵守国家电能质量标准。 但由于暂态电能质量问题产生的原因较为复杂，发生的频度较为偶然，它主 要是系统遭受外来干扰、内部故障时发生，但即便在正常操作情况下也有可能发 生，另外，暂态电能质量扰动的随机性大、持续时间短，传统的基于有效值的检 测技术已不适用。这些因素使暂态电能质量分析与检测的难度增大。这也是目前 的暂态电能质量分析和检测方法还不成熟的原因。 对于暂态电能质量问题，不仅要对其进行检测和辨识，还要进一步对其进行 分析，提取扰动特征，确定扰动源位置。但是，暂态电能质量扰动检测与识别以 及扰动源检测和溯源问题的研究大部分还处于理论阶段，实用化装置的研究开发 进展较为缓慢，随着小波变换以及其他各种算法的发展，专家学者们正在不断深 入地研究更为实用化的暂态电能质量检测方法。 1 2 国内外研究现状 随着电网结构和负荷构成愈加复杂，近几十年来，在全球范围内，在能源与 环境友好型社会的一片呼声中，电能质量问题已经引起国内外电气工程界的极大 关注，许多国家和团体成立了专门的研究机构，许多学者进行了深入研究，在关 于电能质量评价体系、电能质量检测方法及电能质量监测装置等方面取得迅速发 展。 2 1 2 1 电能质量检测方法 电能质量扰动检测是电能质量扰动问题分析的必要前提，在电能质量问题的 研究中具有重要的现实意义，而目前检测方法研究的主要方向是如何快速准确、 简单有效地实现各种扰动的检测，对此国内外相关学者提出了他们研究的一些方 法。归纳起来，电能质量检测方法可以分为傅立叶变换、小波变换等基于变换的 方法、人工智能方法、p o r n y 分析法及基于数学形态学法等几大类。 ( 1 ) 傅立叶变换 1 8 2 2 年，法国著名数学家傅立叶提出了傅立叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，f t ) 。 它是最常见的一种将时域特征和频域特征联系起来的工具。目前，基于快速傅立 叶变换及其改进算法的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法 6 1 。文 献 7 提出了基于最小二乘法原理与快速傅里叶变换( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 相结合的改进型谐波分析方法。使用f f t 方法测量谐波，能够得到合适精度， 但是需要一定时间的采样值，计算时间会因所分析数据的数量增大而增大，从而 使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，当信号频率和采 样频率不一致时，使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应。 ( 2 ) 小波变换 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ，w t ) 由于具有时频局部化的特点，克服了以上 缺点，特别适合于突变信号和非平稳信号的分析。小波变换作为一种数字技术被 引入工程界后，己在图像处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。由于 小波函数本身衰减很快，也属一种暂态波形，将其用于电能质量分析领域，尤其 是暂态过程分析领域将具有无法比拟的优点。围绕着怎样通过小波变换检测和分 析电能质量问题，国内外许多专家和学者已经做了大量的研究工作，并取得一定 的成效阳 2 引。 小波变换的出现为电能质量扰动检测和定位提供了有力工具。19 9 4 年，s a n t o s o 首先在文献【l5 】提出小波变换是评估电能质量的有效方法。该文用d b 4 和d b l0 小波函数分别对电压跌落、平项波和谐波畸变进行小波变换，实现了对 电能质量扰动的检测与时间定位。但并未讨论小波母函数的选择对检测结果的影 响。文献 1 6 】中，a n g r i s a n i 提出一种基于小波变换的电压暂降检测新方法。对扰 动信号进行连续变换后，通过小波系数模极大值实现电压暂降开始时刻和结束时 刻的准确定位。由于该方法采用连续小波变换，计算时间长、计算量大，不适合 实际应用。文献【17 】针对短时电能质量变化和暂态扰动现象的不同特点，提出了一 种暂态电能质量分类的新方法。先提取基波频段所在的小波系数将电压凹陷、电 压凸起和电压中断分别检测出来；然后将小波包分解结果中的最佳子空间的熵值 作为特征量，结合人工神经网络区分暂态脉冲和振荡。该方法利用小波和小波包 3 各自的时频分解特点，实现了暂态电能质量扰动的自动检测和分类。文献【18 】介绍 一个基于d s p 的暂态电能质量小波变换检测新方法，分析暂态电能质量小波变 换测量的基本原理，阐述暂态电能质量小波变换测量运算的d s p 实现电路与编 程策略；模拟实验结果证明该方法的有效性。文献【1 9 1 针对暂态电能质量扰动现 象的内在特征，提出了小波变换和模糊逻辑相结合的暂态电能质量扰动分类方 法。该方法使用小波变换提取扰动的时间特征，将扰动持续时间、扰动幅度、扰 动频率、电压变化率绝对值作为暂态电能质量扰动的特征向量，输入到4 输入2 输出的模糊逻辑推理系统，自动判别暂态电能质量的扰动类型及扰动强度。文献 2 0 中，提出了一种利用小波变换实现动态电能质量特征量扰动的提取以及分类 方法，利用小波变换的奇异性检测原理提取动态电能质量信号中的突变，并进行 定位，确定信号变化的时间，并用电压均值法确定扰动的类别，并通过仿真表明 方法的有效性。最后讨论了该方法在d s p 上的实现。 以上文献表明，小波变换非常适合用于暂态电能质量问题的检测、识别和定 位方面的研究。近年来，小波变换也被用于分析电压波动与闪变心1 23 1 、谐波心4 2 6 1 和间谐波瞳7 2 9 3 等稳态电能质量扰动现象，且取得了不少的成果。 ( 3 ) 人工智能 所谓人工智能( a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e a i ) ，即伴随人类思维的一种自动化的 行为。人工智能方法包括神经网络、遗传算法及专家系统等。将人工智能应用于 电能质量分析也是目前从事电能质量的科研工作者研究的热点。 人工神经网络 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n ) 是一种模仿动物神经网络 行为特征，进行分布式并行信息处理的算法数学模型。这种网络依靠系统的复杂 程度，通过调整内部大量节点之间相互连接的关系，从而达到处理信息的目的。 人工神经网络具有自学习和自适应的能力，可以通过预先提供的一批相互对应的 输入一输出数据，分析掌握两者之间潜在的规律，最终根据这些规律，用新的输 入数据来推算输出结果，这种学习分析的过程被称为“训练”。神经网络已广泛应 用于许多重要领域，如模式识别、信号与图象处理、控制与优化、预测与管理、 通信等。神经网络在电能质量的谐波、问谐波测量口0 3 3 1 和扰动识别口“3 朝中得到 了较好的应用。文献 3 5 提出一种基于量子行为粒子群优化的改进算法，用于优 化人工神经网络，实现电能质量扰动识别。采用2 个神经子网络，分别用于事件 型和变化型电能质量( p o w e rq u a l i t y , p q ) 扰动识别。p q 扰动信号的特征量通过信 号的投影分析、动态测度计算、分形技术获取，作为2 个子网络的输入量。改进 的量子行为粒子群( q u a n t u m b e h a v e dp a r t i c l e s w a r mo p t i m i z a t i o n ，q p s o ) 算法主 要增加了学习因子、粒子聚集度和进化速度等参数，改进了q p s o 算法的参数迭 代更新过程，从而优化了神经子网络的训练结果。6 种典型现场采集的p q 扰动 4 数据识别结果表明，与加入动量因子的前馈式神经网络的训练方法相比，该算法 具有更好的收敛性和稳定性。 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) 是模拟达尔文的遗传选择和自然淘汰的 生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法，它 是有美国m i c h i g a n 大学j h o l l a n d 教授于l9 7 5 年首先提出来的。它的长处在于 不需要建立严格的数学优化表达式便可以寻找到复杂问题的最优解。遗传算法用 于电能质量检测，主要通过与其他方法相结合来实现口6 7 1 。文献 3 7 】提出了一种 改进遗传算法，该算法采取了有效的选择和交叉策略，设计了自适应变化的交叉 概率和变异概率，以及随进化代数自适应变化的移民算法。该改进遗传算法稳定 性和收敛性能较好，将其应用到基于多层前馈( b a c kp r o p a g a t i o n ，b p ) 网络的电能 质量扰动识别中，提高了识别的稳定性和收敛性能，并使基于b p 网络的电能质量 扰动识别系统更具实用性。 模糊逻辑 1 9 6 5 年美国数学家扎德首先提出了模糊集合的概念，标志着模糊数学的诞 生。模糊逻辑可适用于解决各种确定性和应不确定的问题，其模糊知识库使用语 言变量来表示专家系统的经验，更接近人的表达习惯。模糊逻辑的这些优点使其 迅速发展并广泛应用，也出现了一些用于暂态扰动检测的研究文献一9 1 。但是， 模糊逻辑在推理时需要搜索知识库内的规则集，当客观实际发生变化，模糊系统 知识库和规则集要进行修改、维护；另外，当知识库不完善时，模糊系统可能得 到错误结论，而且没有自我学习和纠错能力。模糊逻辑的不足使其不能单独完成 繁重的暂态扰动检测任务。 专家系统 专家系统( e x p e r ts y s t e m ) 是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某 个领域专家水平的知识与经验，能够利用人类专家的知识和解决问题的方法来处 理该领域问题。它是由e f e i g e n b a u m 于l9 6 5 年提出。它的优点是可以集中前人 或专家的知识积累和经验，有少量用于暂态扰动检测的研究文献h 0 4 2 1 。但是， 专家系统除了具有模糊逻辑的大部分缺点之外，另有不能解决模糊问题的缺点。 此外，国外专家学者也在研究将小波变换与人工神经网络、专家系统、模糊 逻辑等相结合的方法。 ( 4 ) p r o n y 分析法 1 9 7 5 年，法国数学家p r o n y 就提出了使用指数函数的线性组合来描述等间距 数据的数学模型。p r o n y 分析法认为信号总是可以由一系列的衰减正弦波构成， 这些衰减正弦波类似于小波函数( 但不满足容许性条件，故不能构成小波函数) 。 由这个设想出发，当分解结果求出后，信号中的各个频率的幅值和相角就一览无 5 余了。从这个意义上讲，这种分析方法和小波一样，可以做多尺度的信号分析， 用来做电力系统的数据分析十分有用。它的缺陷就是计算时间太长，以至于不可 能在实时系统中应用，但用来做离线的数据分析确实是相当好的一个工具。目前， 方法已在谐波3 “们、间谐波h 孔4 6 1 以及暂念电能质量的检测n7 删中获得了广泛的 研究和应用。文献 4 7 应用p r o n y 法对配电系统中的电容器操作事件和电压放大 问题进行了机理分析，并将仿真信号分解为不同的分量。测试结果表明p r o n y 法 能够对暂态信号中的衰减谐振分量进行建模，提取各分量的幅值、频率、相位和 阻尼参数，验证了p r o n y 法对暂态扰动信号分析的有效性。 ( 5 ) 数学形态学 数学形态学( m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y , m m ) ，是基于积分几何和随机集论而 建立起来的一种非线性的数学方法。其主要内容是设计一整套变换运算、概念和 算法，来描述图像的基本特征。用形态学进行信号处理，只取决于待处理信号的 局部形状特性，因此比传统的线性滤波更为有效。数学形态学在电力系统中已经 成功应用于暂态线路保护钔、继电保护们以及电力系统数据预处理随等。将形 态学应用于电能质量领域在国内外还刚刚起步。文献【5 2 】介绍了一种用多刻度形 态学对电能质量问题分类的方法，它是根据各扰动在形态谱上表现出的刻度和幅 值变化的差异来实现。由于形态谱本身是一种形状的定量描述，分析结果不可避 免要受结构函数的幅值和形状的影响。文献 5 3 1 提出了一种基于数学形态学的动 态电能质量扰动检测与分类方法。该方法先对整流信号进行开运算以滤除尖峰噪 声，再用长度为1 2 工频周期的扁平结构元素进行膨胀运算提取其幅值特性；同 时对差变信号进行短扁平结构元素的梯度运算来检测和定位奇异点，克服了以往 方法可能漏检奇异点的不足。并进行仿真，仿真结果表明，该方法能够有效地对 动态电能质量扰动进行检测和分类。文献 5 4 】分析了三种基于数学形态学的扰动 检测和定位方法，仿真比较了三种方法在分析电压暂降、电压暂升、电磁暂态振 荡等信号方面的适应性。 除此之外，还有二次变换、正交变换等方法。人们还将证据理论、最大似然 率判据法、曲线形状识别法、特征矢量、瞬时功率理论、空间矢量变换等方法与 小波变换或各种人工智能相结合用于电能质量特别是暂态电能质量检测。但是， 相关的研究文献很少，理论上也不完善，能否走向工程应用有待观察。 1 2 2 电能质量控制技术 电能质量控制是一个复杂的系统工程，主要涉及电力系统、电工理论、电力 电子技术、自动控制理论等学科，包括电源畸变、不平衡的功率理论，电能质量 的实时检测与控制等技术还与国家政策和管理机制有关拍5 1 。 国外电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行，已提出并开发了许 6 多改善和提高电能质量的装置。其中包括： 有源电力滤波器( a p f )静态电子分接开关( s e t c ) 无源滤波器( t f )固态转移开关( s s t s ) 电池贮能系统( b e s s )固态断路器( s s c b ) 配电用串联电容器( d s c )静止无功补偿器( s v c ) 动态电压恢复器( d v r )晶闸管开关电容器( t s c ) 不间断电源( u p s )避雷器( s a ) 统一电能质量调节器( u p q c )超导磁能贮存系统( s m e s ) 配电用静态同步补偿s 1 瑚r c o m ) 这些装置主要是采用电力电子技术，一些装置已相当成熟。其中，西门子公 司生产出的电能装置调节器( p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r , p q c ) 装置s i p c o n ，它是 基于i g b t 的p w m 换流器，是并联型有源电力滤波器和串联型有源电力滤波器 的组合，为众多此类研制品中较有代表性的产品。 目前，国内在电能质量控制方面的研究，大多局限在谐波问题的范围内，也 提出和开发了一些改善和提高电能质量的电能质量补偿装置，如有源电力滤波器 ( a p f ) 和无源滤波器( t f ) 、配电用静态同步补偿器( d s t a t c o m ) 、动态电压恢复 器( d v r ) 、统一电能质量控制器( u p q c ) 等，但与国外的差距是非常明显的。在 我国有源电力滤波器方面的研究，仍处于起步阶段，有关有源电力滤波器的研究， 主要集中在并联型混合型。也开始研究串联型研究。最成熟的是并联型，而且主 要以理论研究和实验研究为主，理论上涉及到了功率理论的定义，谐波电流的检 测方法，有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。 1 2 3 电能质量监测装置 研制功能齐全、性能优良、安装简单、使用方便的电能质量监测装置，对提 高电力系统供电的安全性、可靠性，是十分必要的。 在电能质量监测装置开发方面，国外很多公司相继开发出多种用于电能质量 监测分析的仪器装置。当前国际上最先进的电能质量监测装置己经集高精度电能 计量、多功能电力测量、电能质量分析、保护与监控、智能逻辑控制、事故记录 与分析、数据记录和波形记录等仪表于一身，功能多达数百种，精度达到0 0 1 级以上。而且还能对暂态电能质量问题进行检测和分析。如美国的福禄克公司、 加拿大电力测量公司、瑞典联合电力公司、美国e i g 公司等生产的电能质量监 测装置具有检测精度高、检测指标多、功能丰富等特点。瑞典联合电力公司生产 的u p 2 2 l 系列在线式电能质量监测装置，其基本电力参数测量有电压、电流、 频率、有功功率、无功功率等；电能质量参数测量有电压和电流至5 0 次的谐波 和间谐波、总谐波失真( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t h d ) 、功率谐波及谐波方向、 7 闪变分析、电压偏差等，能检测目前几乎所有电力和电能质量参数，基本精度达 o 1 。 我国在电能质量方面的研究起步相对较晚，并且主要集中在谐波、三相不平 衡、电压偏差、工频偏差等稳态电能质量问题上，而对暂态电能质量的监测和分 析工作还相当欠缺。此外，我国在电能质量监测手段和管理模式上也存在着明显 的局限性监测指标少、效率低、实时性差等，远远不能满足电力系统经济运行和 电力信息技术发展的要求。 近年来，国内许多公司也热衷于这一研究方向，并相继推出自己的产品。如 上海宝钢安大公司推出p q l0 6 系列电能质量测试仪，其属于我国电能质量监测 装置的最高水平。该系列装置主要可以测量电流真有效值、基波有效值、总畸变 率及基波功率因素等。但这些产品大多只具有稳态电能质量问题的分析功能，而 对暂态电能质量问题则无能为力。然而，随着电能质量对国民经济的影响逐渐加 大和电能质量研究的逐步深入，对电能质量关注的焦点也已经不仅仅是电压、频 率和谐波等各种稳态指标，人们想得到关于电能质量更为准确的实时信息，比如 瞬时扰动等，所以对于电能质量监测装置的实时性和可扩展性的要求也越来越 高。开发基于嵌入式系统的电能质量在线监测系统成为目前电能质量监测系统的 一个重要的发展方向。 从电能质量监测系统的软件设计这一方面来看，重点集中在各种监测算法的 设计上，这也是目前电能质量分析的研究热点。国外电能质量的研究就起步较早， 对各指标的监测算法都做了比较详尽的推导，并且与许多相关技术如信号处理技 术、网络技术、数据挖掘技术等相融合。国内由于研究起步晚，目前主要采用传 统的方法对电能质量进行监测，而且是主要针对电力系统稳态过程。对于一些暂 态指标，还存在标准不统一，算法的精度和实时性不能满足要求等等问题，仍需 进一步的研究和改进。 1 3 本文的主要工作 本文研究电力系统暂态电能质量检测技术，重点探讨小波变换在暂态电能质 量检测中的理论问题和实现策略。 论文共分为五章，具体安排如下： 第一章主要介绍暂态电能质量研究的背景和意义，电能质量国内外研究现 状。 第二章主要介绍暂态电能质量的相关概念，着重介绍电压凹陷、电压暂升、 电压间断、脉冲暂态和振荡暂念五种暂态电能质量扰动现象的定义和产生的原因 以及电能质量的国内外标准。 第三章对暂态电能质量检测方法进行理论分析。主要对傅立叶变换、短时 傅立叶变换及小波变换等检测分析方法的基本原理和特点进行了详细阐述，并对 傅罩叶分析方法和小波分析方法进行比较。 第四章阐述基于小波变换的暂态电能质量检测原理和消噪原理，首先对原 始信号进行消噪处理，并根据信号的奇异性检测原理，结合小波变换的模极大值 理论，以m a l l a t 算法为基础，进行多分辨率分解，提取信号奇异点的小波变换 模极大值，实现故障时间的准确定位，并通过m a t l a b 仿真，能够很好地实现对 暂态电能质量扰动的起止时刻和持续时间的检测。 第五章针对电力系统中的暂态电能质量扰动，采用嵌入式l i n u x 技术和 a r m 嵌入式处理器，设计基于嵌入式技术的暂态电能质量检测系统；构建基于 a r m + l i n u x 的嵌入式开发环境；完成基本的硬件电路设计和软件设计。 第六章对全文进行总结并对未来进行展望。 9 2 1 引言 第二章暂态电能质量概述 随着电力系统结构的复杂化，谐波抑制、高压直流输电及无功补偿等新技术 的迅猛涌现，电力用户的各种非线性、冲击性装置的越来越为广泛的应用，给电 力系统带来了诸多电能质量问题。电力系统中的各种扰动引起的电能质量问题主 要分为电稳态能质量问题和暂态电能质量问题两大类。这其中，以对谐波为代表 的稳态电能质量扰动问题研究历史较长，相应的对其进行检测分析的方法也较为 成熟。相对稳态电能质量问题而言，对暂态电能质量扰动问题的研究则起步较晚。 暂态电能质量扰动问题属于稳态电能质量问题的延伸，但其产生的后果却很严 重。采用什么特征来描述，怎样制定合理指标进行评估等，都需要进一步深入研 究和实践。 目前，随着供电可靠性的不断提高，人们逐步将注意力转向新的暂态电能质 量问题，暂态电能质量问题已经成为目前电能质量领域的一个研究热点，许多电 力工作者和研究人员在此方面进行深入地研究。为了系统地分析和研究暂态电能 质量，并能够对其进行检测分析，从中找出引起暂态电能质量问题的原因和采取 针对性的解决办法，给出暂态电能质量的相关定义，对暂态电能质量分类、制定 出相应的标准是十分重要的。 2 2 暂态电能质量定义 在现代电力系统中，电能质量这一术语名词涵盖着多种电磁干扰现象。但是 由于工业领域的各行各业对电能质量认识上的不同和使用的名词上的不统一，长 期以来人们在描述电压和电流干扰电气设备正常供电的电能质量问题时，使用的 技术术语不很规范。主要术语有如下几种哺引： 电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) ：给出实际电压与理想电压之间的偏差，以反 映供电部门向用户分配的电力是否合格。 电流质量( q u a l i t yo fc o n s u m p t i o n ) ：电流质量与电压质量密切相关。电 流质量通常包括电流谐波、间谐波等。 供电质量( q u a l i t yo fs u p p l y ) ：它包括技术含义和非技术含义两部分。技 术含义有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量，它包括供电部门对 用户投诉的反应速度和电力价目的透明度。 在1 9 6 8 年发表的一篇关于美国海军电子设备电源规范要求的研究论文中， 1 0 最先使用了“电能质量”( p o w e rq u a l i t y ) 这一词语，用来反映电压幅值的缓慢变动 和电源实际频率与理想频率的偏差。此后越来越多的研究者表现出对电能质量的 关心，并在关于电能质量问题采用规范的技术名词上逐渐趋向一致。 i e e e 标准化协调委员会已正式采用“电能质量”( p o w e rq u a l i t y ) 这一术语。对 电能质量的技术定义为 ：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。国际电工委员会i e c 则提出 了使用“电磁兼容”( e m c ) 随即术语，指出和强调设备与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。给出的电能质量定义是：在电力系 统中某一指定点上电的特性，这些特性可根据预定的基准、技术参数来评价阳9 1 。 而在i e c 提出的电磁兼容概念中，采用“排放”( e m i s s i o n ) 的来表示由设备产生的 电磁污染，反映出电流质量问题哺叫，采用“抗扰”( i m m u n i t y ) 来表示设备免除电磁 污染的能力，反映电压质量问题。 电能质量问题可以划分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题。 国际电力电子工程师协会i e e e 根据电压扰动的频谱特性、持续时间、幅值 变化等，将其分为长时、短时和瞬时的电压扰动三大类，并把长时扰动所引起的 电能质量归结为稳态电能质量问题，把瞬时和短时扰动所引起的电能质量归结为 暂态电能质量问题。 2 3 暂态电能质量分类 暂态电能质量问题的主要表现形式有：电压脉冲、浪涌、振荡暂态、电压跌 落、毛刺或尖峰、电压凸起、电压间断及电压短时闪变等，目前国际国内还没有 此方面的统一标准，目前被普遍接受的评价指标有短时电压变动和电磁暂态。 表2 1 暂态电能质量问题一览表 其中，短时电压波动是指由于系统中发生故障或较大负载变换所引起节点电 压方均根值在短时间内随时间改变的现象，包括电压凸起、电压凹陷以及电压间 断等现象。电磁暂态现象通常是指脉冲暂态和振荡暂态两类。表2 1 对电力系统 中发生的暂态电能质量问题的类型、特征指标、产生原因、后果、以及解决方法 作了系统的归纳。 2 3 1 短时电压变动 短时电压变化是指电力系统中各种变化所引起节点电压方均根值在短时间 内随时间改变现象。造成短时电压变动的主要原因是指由于系统中发生故障、大 容量( 大电流) 负荷启动或电网松散连接的间歇性负荷运作。典型的短时电压变 动包括电压凸起、电压凹陷以及电压间断现象，以下作逐一介绍。 ( 1 ) 电压凸起( v o l t a g es w e l l ) 电压凸起也称为电压上升或电压骤升，是指在工频条件下，供电电压有效值 上升到额定电压的1 1 p u 1 8 p u 之间，然后又恢复至正常电压，这一过程的持 续时间是0 5 个周波l m i n 。电压凸起分为瞬时凸起、暂时凸起和短时凸起。瞬 时凸起持续时间在0 5 - 3 0 周波之间，暂时凸起持续时间在3 0 周波3 s 之间， 短时凸起持续时间在3 s l m i n 之间。图2 1 为电压凸起的典型波形。 图2 1 电压凸起 在一次单相接地故障中，非故障相会出现i 临时性的电压水平升高，这将可能 导致一次电压凸起。除此以外，大负荷的切除或电容器组的充电也会导致电压凸 起的产生。不同的文献描述电压凸起现象特征采用的特征量不同，但大部分采用 幅值和持续时间来描述。 ( 2 ) 电压凹陷( v o l t a g es a g ) 电压凹陷也称为电压跌落或电压骤降，i e