（电力系统及其自动化专业论文）电压扰动类型识别方法研究及装置设计.pdfVIP

华北电 力大学硕士学位论文 摘要 近年来，电能质量问题己经成为众多领域共同关心的问题。对各种电压扰动进 行检测和识别，并根据不同的扰动采取有效措施，是提高电能质量的前提，具有重 要意义。本文主要探讨电力系统电压扰动类型识别的研究方法和装置设计。提出了 一种d q 变换与p r o n y 分析方法相结 合的方 法， 对电 力系统电 压扰动加以 识别， 同时 给出相应扰动的参数。根据扰动对系统的影响程度和出现频度，分析了最常见的几 种扰动类型:电压暂降、电压暂升、中断、 脉冲、 相位跳变、 低频振荡、高频振荡、 频率偏移、谐波、噪声，通过理论分析与大量的仿真研究，验证了所提方法的正确 性，取得了满意的结果。并在此基础上，对扰动识别装置进行了初步设计。 关键词:电能质量，扰动识别，p r o n y分析，电压扰动 abs tract i n r e c e n t y e a r s , p o w e r q u a l i t y h a s b e c o m e a p r o b l e m w h i c h a t t r a c t s t h e c o n c e r n i n m a n y f i e l d . t h e d e t e c t i o n , i d e n t i f i c a t i o n a n d a c t i o n s t a k e n d e c i d e d b y t h e c o r r e s p o n d in g d i s t u r b a n c e a r e t h e p r e c o n d i t i o n o f p o w e r q u a l i t y i m p r o v e m e n t , o f g r e a t i m p o r t a n c e . we w i l l t a l k m a i n l y a b o u t i d e n t i f i c a t i o n o f p o w e r s y s t e m d i s t u r b a n c e , a n d w e o r i g i n a t e a m e t h o d u s i n g d q t r a n s f o r m a n d p r o n y a n a l y s i s t o r e a l i z e t h e i d e n t i f i c a t i o n o f p o w e r s y s t e m d i s t u r b a n c e a n d c a l c u l a t e t h e p a r a m e t e r s o f e a c h d i s t u r b a n c e . we d e a l w i t h s o m e k i n d s o f d i s t u r b a n c e s : i n t e r r u p t , s w e l l , s a g , i m p u l s e , p h a s e s t e p , l o w f r e q u e n c y o s c i l l a t i o n , h i g h f r e q u e n c y o s c i l l a t i o n , f r e q u e n c y d e v i a t i o n , h a r m o n i e s , n o i s e i n t h i s t h e s i s a c c o r d i n g t o t h e e f f e c t a n d f r e q u e n c y o f t h e s e d i s t u r b a n c e s . we d e m o n s t r a t e i t s f e a s i b i l i t y b y m e a n s o f p r o g r a m s i m u l a t i o n , a n d g e t q u i t e i d e a l r e s u l t . t h e n m a k e a p r i ma r y d e s i g n o f t h e d e v i c e a c c o r d in g t o t h i s m e t h o d . y i x i n c h a o ( e l e c t r i c a l e n g i n e e r i n g ) d i r e c t e d b y v i c e p r o f . x u y o n g h a i k e y wo r d s : p o w e r q u a l i t y , d i s t u r b a n c e i d e n t i f i c a t i o n , p r o n y a n a l y s i s , v o l t a g e d i s t u r b a n c e 侧片 尸明 本人郑重声明: 所呈交的学位论文， 是本人在导师指导下， 独立进行研究工作所取 得的成果。 尽我所知， 除文中己 经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内 容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体， 均 已 在文中以明确方式标明。 特此中明。 签名:日期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了 解华北电 力大学有关保留、 使用学位论文的规定，即: 学校有权保管、并向 有关 部门送交学位沦 文的原件与 复印件:学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学 位论文; 学校可允许学位论文被查阅 或借阅; 学校可以学术交流为目 的， 复制赠送和交换学 位论文:同意学校可以 用不同方式在不同媒休上发表、传播学位论文的全部或部分内容 ( 涉密的学位论文在解密后遵守 此规定 ) 作者签名导师签名: 日期:日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪论 1问题的提出 现代社会，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平 的重要标志之一。关系着国民经济的总体效益。 一个理想的电力系统应以恒定频率( 5 0 1 1 2 ) 和正弦波形，按规定电压水平对用户 供电。且在三相交流电力系统中，各相电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差 1 2 0 的对称状态。由于系统各元件( 发电 机、变压器、线路等) 参数不是理想或对称 的， 加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机性以及运行操作、各种 故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，因此就产生了电压扰动，影响了 系统的电能质量。电能从生产到消耗是一个整体， 发、 供、用始终处于动态平衡中， 因此，发、输、供、用各个环节都会对电能质量产生影响。影响电能质量的原因大 体可以分为:( 1 ) 内因。系统本身接有炼钢电弧炉、整流装置、电力机车、单相负 荷、大功率电动机、家用电器等千扰性负荷。这些负荷对电网产生负面影响，如谐 波、无功冲击、负序等，而且这些负面影响可能通过公共连接点( p c c ) 波及其它终 端用户。( 2 ) 外因。雷电、外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器投切、线 路切换等都可能干扰系统，造成断电或电压变动，甚至影响到相邻线路，导致有害 影响蔓延。电能质量低劣产生的危害会对供用电 双方在经济上造成伤害。一方面， 劣质电能将使供电方不能顺利对用电方多供电，影响电网的安全和供电方的信誉， 同时将导致电气设备寿命缩短，网损加大，对供电方造成一定的经济损失;另一方 面，它会影响生产的工效和产品质量，可能造成工业用户的生产线作业中断，对现 代社会广泛应用的电子设备影响也很大。对用电方造成巨大地经济损失。所以，要 求对各种电压扰动电能质量的重要体现，进行补偿和抑制，为此我们需要对各 种电 扰扰动加以检测和分析，当电压扰动发生时，能够自 动对其进行识别与统计， 以便对各种扰动类型，有针对性地采取相应的措施对电压扰动进行补偿。同时，获 取详细资料，还可作为以后进一步研究的资料和数据来源。 本论文正是要对电力系统电压扰动辨识和分类的方法进行研究，并作相关的参 数计算和在一定时间段内各种电压扰动类型发生频次统计，以及相应的0件开v 2电压扰动的主要类型 关于电压扰动问题，一直引起各国的密切关注。目前，世界各国对电能质量的 定义都不完全相同。概括起来，电能质量主要包括电压质量、频率质量和供电可靠 华北电力大学硕士学位论文 第一章 绪论 1问题的提出 现代社会，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度是一个国家发展水平 的重要标志之一。关系着国民经济的总体效益。 一个理想的电力系统应以恒定频率( 5 0 1 1 2 ) 和正弦波形，按规定电压水平对用户 供电。且在三相交流电力系统中，各相电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差 1 2 0 的对称状态。由于系统各元件( 发电 机、变压器、线路等) 参数不是理想或对称 的， 加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机性以及运行操作、各种 故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，因此就产生了电压扰动，影响了 系统的电能质量。电能从生产到消耗是一个整体， 发、 供、用始终处于动态平衡中， 因此，发、输、供、用各个环节都会对电能质量产生影响。影响电能质量的原因大 体可以分为:( 1 ) 内因。系统本身接有炼钢电弧炉、整流装置、电力机车、单相负 荷、大功率电动机、家用电器等千扰性负荷。这些负荷对电网产生负面影响，如谐 波、无功冲击、负序等，而且这些负面影响可能通过公共连接点( p c c ) 波及其它终 端用户。( 2 ) 外因。雷电、外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器投切、线 路切换等都可能干扰系统，造成断电或电压变动，甚至影响到相邻线路，导致有害 影响蔓延。电能质量低劣产生的危害会对供用电 双方在经济上造成伤害。一方面， 劣质电能将使供电方不能顺利对用电方多供电，影响电网的安全和供电方的信誉， 同时将导致电气设备寿命缩短，网损加大，对供电方造成一定的经济损失;另一方 面，它会影响生产的工效和产品质量，可能造成工业用户的生产线作业中断，对现 代社会广泛应用的电子设备影响也很大。对用电方造成巨大地经济损失。所以，要 求对各种电压扰动电能质量的重要体现，进行补偿和抑制，为此我们需要对各 种电 扰扰动加以检测和分析，当电压扰动发生时，能够自 动对其进行识别与统计， 以便对各种扰动类型，有针对性地采取相应的措施对电压扰动进行补偿。同时，获 取详细资料，还可作为以后进一步研究的资料和数据来源。 本论文正是要对电力系统电压扰动辨识和分类的方法进行研究，并作相关的参 数计算和在一定时间段内各种电压扰动类型发生频次统计，以及相应的0件开v 2电压扰动的主要类型 关于电压扰动问题，一直引起各国的密切关注。目前，世界各国对电能质量的 定义都不完全相同。概括起来，电能质量主要包括电压质量、频率质量和供电可靠 华北电 力大学硕士学位论文 性3 个方面。 工 e e e 第2 2 标准协调委员会( s t a n d a r d s c o o r d i n a t i n g c o m m i t t e e 2 2 ) ( 电 能质量) 和其他国际委员会最近推荐采用 1 1种专用术语来说明电能质量的主要扰 动，现介绍其名称和定义于后。 ( 1 ) 断电( i n t e r r u p t i o n s , o u t a g e ) :在一定时间内，一相或多相完全失去电 压( 低于 0 . l p . u . ) 称为断电。断电按持续时间分为三类: 瞬时断电。 . 5 周波至3 s ; 暂时断电3 s 至6 0 s ; 持续断电 6 0 s o ( 2 ) 频率偏差( f r e q u e n c y d e v i a t i o n s ) :各国均己 作出各自的具体规定。 ( 3 ) 电压暂降( s a g s )( 电压跌落，d i p ) :持续时间为 0 . 5周波一l m i n ，幅值为 。 . l p . u . 至0 . 9 p . u . ( 标么值) ，系统频率仍为标称值。 ( 4 ) 电压暂升( s w e l i s ) :电压( 或电流) 暂时性超过标称值 1 0 % 者称为电压暂升。 系统频率仍为标称值。持续时间为 0 . 5周波一l m i n ， 典型幅值为 1 . 1 p . u . 至 1 . 8 p . u . ( 标么 值) 。 ( 5 ) 瞬时脉冲或突波( t r a n s i e n t s ) :瞬时脉冲表示了在两个连续稳态之间的一 种在极短时间内发生的现象或数量变化。瞬时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振荡波的第一个尖峰。 ( 6 ) 电压波动( v o l t a g e f l u c t u a t i o n s )与闪变( f l i c k e r ) :电压波动是在包络线 内的电压的有规则变动，或是幅值通常不超出 0 . 9 p . u . 至 1 . 1 p . u . 电压范围的一系 列电压随机变化。这种电压变化往往称作闪变( f l i c k e r ) 。闪变这个专用术语是来 自电压波动对照明灯的视觉影响。对输配电系统产生电压闪变的最常见原因是电弧 炉。 ( 7 ) 电压切痕( n o t c h e s ) :电压切痕是一种持续时间小于0 . 5 周波的周期性电压 扰动。电压切痕主要由于电力电子装置在有关两相间发生瞬时短路时电流从一相转 换到另一相而产生的。电压切痕的频率会非常高，因此用常规的谐波分析设备是很 难测量出电压切痕的。这就是过去从未有过此项电 压扰动内容，直到最近才正式列 入的原因。 ( 8 ) 谐波( h a r m o n i c s ) :含有基波整倍数频率的正弦波电压或电流称为谐波。 产 生畸变后的波形可分解为基波和许多谐波之和。谐波是由于电力系统和电力负荷中 设备的非线性特性造成的。谐波有奇次( 又可分为3 的倍数和非3 的倍数) 和偶次之 分。随着用电装置对谐波敏感性的日 益增加，高次谐波越来越受到注意并规定了限 额。 其他扰动尚有: ( 9 ) 间谐波( i n t e r - h a r m o n i c s ) :含有基波非整倍数频率的正弦电压或电流称为 间谐波。小于基波频率的分数谐波( f r a c t i o n a l h a r m o n i c s ) 亦属于此类。间谐波的 华北电力大学硕士学位沦文 主要 来 源 是静止 变频 器 ( s t a t i c f r e q u e n c y c o n v e r t e r )、循 环换 流器 ( c y c l e - c o n v e r t e r ) ,感应电动机和电弧发生装置等。间谐波会使显示装置引发视 觉闪变。 ( 1 0 ) 过电压( o v e r v o l t a g e s ) :过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间 大于l m i n 。过电压的幅值为 1知 u至1 . 2 p . u。 ( 1 1 ) 欠电压( u n d e r v o l t a g e s ) :欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续时间 大于l m i n 。欠电压的幅值为0 . 8 p . u . 至0 . 9 p . u . o 上述的电能质量不良( 以及三相不平衡或负序电压、电流) 可能造成工业生产的 非计划停工或设备损坏，使用户遭受相当大的经济损失。 1 . 3国内外的研究现状 理论研究方面，一些电压扰动分析方法只能对电压扰动进行检测，不能进行扰 动的识别。文献 1 介绍了几种电压暂降的检测算法:有效值算法、峰值电压法、 基波分量法和考虑电压相位跳变时的单相电 压变换平均值法和瞬时电压d q 分解法， 井提出了瞬时电压 d q 分解平均值法和瞬时电压 d q 分解低通滤波器( l p f ) 法，分析 了 各种暂降检测方法的适用性，但此文没有涉及其他扰动类型的检测与识 别。文献 2 提出采用基于虚拟仪器技术和远程控制技术的电能质量在线监测，实现对电力 用户电能质量的在线监测、数据远传和远程监控。该装置能够在线、长时间( 连续 监测可多达三年以上) 、高速、可靠地监测分析大量数据。具有超大容量的数据记 录能力，能够进行多种显示选择并能自 动生成电能质量分析报告。上面的方法都只 能对电能质量扰动进行检测、定位等功能，而不能对扰动类型进行分类识别。文献 3 将 d q变换和人工神经网络( a n n ) 相结合对低频振荡、高频振荡、脉冲暂态、电 压暂降、电压暂升、短时电压间断、谐波、噪声等电能质量问题进行了离线识别， 取得了良 好的实验结果。该方法由单相电 压构造一个虚拟的三相系统以进行 d q变 换，再用从d 轴和q 轴有效值中提取的特征量和a n n 一起进行电能质量扰动的检测 与识别，此方法对电压暂降、电压暂升或间断的识别率可达 1 0 0 yd，并且还可以给 出发生的时刻、幅值与相移。文献【 4 提出一种基于 d q o变换和专家系统的电能质 量信号辨识方法。利用 d q o 变换后的d , q 和0 序分量，对单相、两相或三相电压 出现电能质量问题的电压进行准确有效的信号特征提取:利用这些信号特征，结合 相应的基于规则的专家系统能有效地进行电能质量信号辨识。取得了较好的结果， 主要的 p q波形都能精确识别。 但该文献未对电力系统中出现较多的谐波、振荡等 问题作说明。文献1 5 1 提出 用时域分析和小波多 分辨率分解相结合的方法以 提取电能 扰 动信号的 特征量， 建立扰动特征矢量， 并可 对扰动发生的时刻、 持续时间和扰动畸变度 进行准确计算。 结合可扩展规则基专家系统可对8 种电 能扰动进行分类。 它具有较高的 华北电力大学硕士学位沦文 主要 来 源 是静止 变频 器 ( s t a t i c f r e q u e n c y c o n v e r t e r )、循 环换 流器 ( c y c l e - c o n v e r t e r ) ,感应电动机和电弧发生装置等。间谐波会使显示装置引发视 觉闪变。 ( 1 0 ) 过电压( o v e r v o l t a g e s ) :过电压是指电压幅值超过标称电压且持续时间 大于l m i n 。过电压的幅值为 1知 u至1 . 2 p . u。 ( 1 1 ) 欠电压( u n d e r v o l t a g e s ) :欠电压是指电压幅值小于标称电压且持续时间 大于l m i n 。欠电压的幅值为0 . 8 p . u . 至0 . 9 p . u . o 上述的电能质量不良( 以及三相不平衡或负序电压、电流) 可能造成工业生产的 非计划停工或设备损坏，使用户遭受相当大的经济损失。 1 . 3国内外的研究现状 理论研究方面，一些电压扰动分析方法只能对电压扰动进行检测，不能进行扰 动的识别。文献 1 介绍了几种电压暂降的检测算法:有效值算法、峰值电压法、 基波分量法和考虑电压相位跳变时的单相电 压变换平均值法和瞬时电压d q 分解法， 井提出了瞬时电压 d q 分解平均值法和瞬时电压 d q 分解低通滤波器( l p f ) 法，分析 了 各种暂降检测方法的适用性，但此文没有涉及其他扰动类型的检测与识 别。文献 2 提出采用基于虚拟仪器技术和远程控制技术的电能质量在线监测，实现对电力 用户电能质量的在线监测、数据远传和远程监控。该装置能够在线、长时间( 连续 监测可多达三年以上) 、高速、可靠地监测分析大量数据。具有超大容量的数据记 录能力，能够进行多种显示选择并能自 动生成电能质量分析报告。上面的方法都只 能对电能质量扰动进行检测、定位等功能，而不能对扰动类型进行分类识别。文献 3 将 d q变换和人工神经网络( a n n ) 相结合对低频振荡、高频振荡、脉冲暂态、电 压暂降、电压暂升、短时电压间断、谐波、噪声等电能质量问题进行了离线识别， 取得了良 好的实验结果。该方法由单相电 压构造一个虚拟的三相系统以进行 d q变 换，再用从d 轴和q 轴有效值中提取的特征量和a n n 一起进行电能质量扰动的检测 与识别，此方法对电压暂降、电压暂升或间断的识别率可达 1 0 0 yd，并且还可以给 出发生的时刻、幅值与相移。文献【 4 提出一种基于 d q o变换和专家系统的电能质 量信号辨识方法。利用 d q o 变换后的d , q 和0 序分量，对单相、两相或三相电压 出现电能质量问题的电压进行准确有效的信号特征提取:利用这些信号特征，结合 相应的基于规则的专家系统能有效地进行电能质量信号辨识。取得了较好的结果， 主要的 p q波形都能精确识别。 但该文献未对电力系统中出现较多的谐波、振荡等 问题作说明。文献1 5 1 提出 用时域分析和小波多 分辨率分解相结合的方法以 提取电能 扰 动信号的 特征量， 建立扰动特征矢量， 并可 对扰动发生的时刻、 持续时间和扰动畸变度 进行准确计算。 结合可扩展规则基专家系统可对8 种电 能扰动进行分类。 它具有较高的 华北电力大学硕士学位论文 识别准确度。通过仿真分析验证了该方法的有效性，8 种扰动类型还不完备，该方法适 用的范围还有待扩 一 展。文献 6 针对电能质量扰动问题，提出了基于小波包能量谱的电 能质量短期扰动检测与识别的方法。 给出了可视化的简单易行的识别方法， 并取得了 较 好的效果，但这种方法对谐波等稳态扰动分析效果则不够理想。文献 7 1 提出了一种无 时 延的改进d q 变换法， 该方法所用数据具有同时性， 克服了常规d q 变换只适用于识 别 三 相对称电 压扰动及延迟6 0 “ 构造三相电 压的 镜像扰动等缺点， 能够对三相或单相电 力 系统的电压扰动进行识别， 还有所提取的特征量物理意义明确、实时性好、 容易检测突 变和对某些扰动( 如:高频振荡、 脉冲等) 进行放大等特点， 并在动态电 压扰动仿真识别 中取得了较好效果， 但该方法实现上还需要作一些工作。 文献 8 1 提出了短时电能质量 扰动分类和检测的双小波分析法。利用双小波( dbi和d b 2 4 ) 各自的优点，把电 能质量 5 种扰动( 电压暂降、电压暂升、电压间断、暂态脉冲和暂态振荡) 有效地从 含有噪声的采样信号中鉴别出来，并能实现扰动的各项指标测定。该方法能够实现 扰动的各项指标测定并对一些扰动进行识别，但它还不够全面，系统中常出现的一 些扰动没有作说明。文献【 9 提出在小波变换方案中采用m o r l e t 小波能精确检测出 扰动并对扰动进行时间定位。目前利用小波变换往往只能对电能质量扰动进行检 测，识别的方法还很少，因此常将小波变换与其它方法相结合，实现电能质量扰动 的类型识别。文献 1 0 1 提出一种基于小波变换检测和识别扰动的方法，采用先将信 号去噪，然后运用小波变换，利用求得的小波系数，可以检测到电压扰动并可确定 其起止时间，电压扰动类型也能够被识别。通过对电压暂降、电压暂升、短时中断 等信号的分析，取得了良 好的仿真效果，表明该方法快速、有效和准确。此外，在 电能质量问题检测很有效且具有对噪声有很好的承受度。文献【 1 1 先用小波变换的 奇异性检测，对暂态信号的初始突变点进行精确定位，然后在暂态信号邻近无千扰 时段( 至少两个周期) 中确定该突变点的相同相位，将突变点后暂态波形与相应正常 波形进行点对点比较以判断扰动类型。随着拓扑学的引入和训练算法的发展，a n n 在电力系统中的应用日 益显示其有效性。为了更好得进行电能质量扰动分析，常将 小波变换与a n n 相结合， 如文献 1 2 - 1 6 孔一般先进行小波变换判别扰动是否发生， 之后提取电能质量扰动信号的特征信息作为a n n的输入数据，a n n 进行训练后可识 别出扰动类型。这样结合可以使神经网络具有迅速收敛性、抗干扰性等优点。若是 用多个a n n 判断不同的扰动类型， 则可采用投票方案最终决定扰动的类型。 文献 1 7 1 就是先用f o u r i e r 和小波变换提取扰动的 特征量，之后利用模糊专家系统进行检测 和识别，此方法的扰动识别率能达 9 9 9 6 ，但是在实际系统中，一般都有噪声影响， 文章中没有讨论噪声情况下的扰动识别。而且这种方法涉及到的算法比 较多，计算 量非常大。 文献【 1 8 利用多刻度数学形态学由 粗到细地对信号进行分层处理的 特点， 从 动态电能质量扰动的波形出发， 建立一种全新的多层次描述和多层次处理的电 压扰动辨 识方法。 该方法不以 传统的基于有效值理论的波形分析和基于稳态信号的频谱分析为辨 4 华北电力大学硕士学位论文 识依据，而是直接从波形的儿何形态出发，采用不同刻度的结构元素对波形进行变换， 通过形态学膨胀、 腐蚀、开、闭运算， 得到各刻度下的形态谱并获得对所研究对象的直 观的理解。 仿真结果证明该方法弥补了傅立叶变换和小波变换的一些缺陷。为动态电能 质量扰动的 检测、 识别提供了 新的思路。 文献【 1 9 利用p r o n y 分析方法对电力系统中 的低频振荡问题进行了分析，取得了很好的效果，可以实现多振荡信号的准确检测 和参数求解，但该文献中涉及到的主要是基频附近，频率很低的低频振荡，而且频 率跨度很小，对较高的低频和中、高频信号没有进行分析。文献 2 0 利用p r o n y 分 析方法对电力系统中的谐波进行了分析，据该文献介绍，p r o n y方法用于谐波分析 能够准确的得到信号中的谐波成分，并求出相应的参数，很适合谐波问题的分析。 许多发达国家还对一些动态电能质量问题如电压暂降进行了多年的监测，如美 国 e p r i对电压暂降进行了长期、广泛的实测，英国、加拿大等发达国家也进行了 类似的电能质量监测工作，为抑制和改善电能质量获取了直接的信息。 我国仅对暂时过电压和瞬态过电压制定了国家标准，对于动态电能质量的检测 方法、方式和检测内容还没有一个明确的国家标准。此外至今国内尚无成熟的动态 电能质量识别与参数测量仪器。 1 . 4电能质量问题的分析方法 电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述，需要开发相应 的分析软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析，为改善电能质量提 供 指 导 。 目 前 所 采 用 的 方 法 有 三 种 2 1 7 . ( 1 ) 时 域 仿 真 方 法 。 该 方 法 在 电 能 质 量 分 析 中的应用最为广泛，其最主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的 各种暂态现象进行研究。( 2 ) 频域分析方法。该方法主要用于谐波问题的分析计算， 包括频率扫描，谐波潮流计算等。( 3 ) 基于变换的方法。这里主要指 f o u r i e r变换 方法、短时f o u r i e r 变换方法和小波变换( w t ) 方法。除了上述方法之外，目前还有 很多方法用于电能质量问题的分析，下面就一些常用方法特点作一个介绍: 傅立叶变换:能较好地刻划信号的频域特性，能够将信号的时域特征和频域特 征联系起来，分别从信号的时域和频域观察，它具有正交、完备等许多优点，而且 有像f f t 这样的简单、快速的算法。但必须满足以下基本条件:1 ) 满足采样定理的 要求， 即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上。 2 ) 被分析的波形必须是稳态的、 随时间周期变化的。 否则， 会产生“ 旁瓣” 和“ 频谱泄漏” 现象， 给分析带来误差。 此外，它不能将时、频域有机地结合起来，表示在同一个时一 频相关的平面上;它 只能反映某个频率成分包含在信号中的总强度，不能提供有关频率成分的时间局部 化信息;信号的任何突变，其频谱将散布于整个频带。因此，傅立叶变换只能适用 于 确 定 性 的 平 稳 信 号 ( 如 谐 波 ) 2 2 7 ， 对 时 变 非 平 稳 信 号 却 难 以 充 分 描 述 。 华北电力大学硕士学位论文 识依据，而是直接从波形的儿何形态出发，采用不同刻度的结构元素对波形进行变换， 通过形态学膨胀、 腐蚀、开、闭运算， 得到各刻度下的形态谱并获得对所研究对象的直 观的理解。 仿真结果证明该方法弥补了傅立叶变换和小波变换的一些缺陷。为动态电能 质量扰动的 检测、 识别提供了 新的思路。 文献【 1 9 利用p r o n y 分析方法对电力系统中 的低频振荡问题进行了分析，取得了很好的效果，可以实现多振荡信号的准确检测 和参数求解，但该文献中涉及到的主要是基频附近，频率很低的低频振荡，而且频 率跨度很小，对较高的低频和中、高频信号没有进行分析。文献 2 0 利用p r o n y 分 析方法对电力系统中的谐波进行了分析，据该文献介绍，p r o n y方法用于谐波分析 能够准确的得到信号中的谐波成分，并求出相应的参数，很适合谐波问题的分析。 许多发达国家还对一些动态电能质量问题如电压暂降进行了多年的监测，如美 国 e p r i对电压暂降进行了长期、广泛的实测，英国、加拿大等发达国家也进行了 类似的电能质量监测工作，为抑制和改善电能质量获取了直接的信息。 我国仅对暂时过电压和瞬态过电压制定了国家标准，对于动态电能质量的检测 方法、方式和检测内容还没有一个明确的国家标准。此外至今国内尚无成熟的动态 电能质量识别与参数测量仪器。 1 . 4电能质量问题的分析方法 电能质量的分析计算涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述，需要开发相应 的分析软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析，为改善电能质量提 供 指 导 。 目 前 所 采 用 的 方 法 有 三 种 2 1 7 . ( 1 ) 时 域 仿 真 方 法 。 该 方 法 在 电 能 质 量 分 析 中的应用最为广泛，其最主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的 各种暂态现象进行研究。( 2 ) 频域分析方法。该方法主要用于谐波问题的分析计算， 包括频率扫描，谐波潮流计算等。( 3 ) 基于变换的方法。这里主要指 f o u r i e r变换 方法、短时f o u r i e r 变换方法和小波变换( w t ) 方法。除了上述方法之外，目前还有 很多方法用于电能质量问题的分析，下面就一些常用方法特点作一个介绍: 傅立叶变换:能较好地刻划信号的频域特性，能够将信号的时域特征和频域特 征联系起来，分别从信号的时域和频域观察，它具有正交、完备等许多优点，而且 有像f f t 这样的简单、快速的算法。但必须满足以下基本条件:1 ) 满足采样定理的 要求， 即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上。 2 ) 被分析的波形必须是稳态的、 随时间周期变化的。 否则， 会产生“ 旁瓣” 和“ 频谱泄漏” 现象， 给分析带来误差。 此外，它不能将时、频域有机地结合起来，表示在同一个时一 频相关的平面上;它 只能反映某个频率成分包含在信号中的总强度，不能提供有关频率成分的时间局部 化信息;信号的任何突变，其频谱将散布于整个频带。因此，傅立叶变换只能适用 于 确 定 性 的 平 稳 信 号 ( 如 谐 波 ) 2 2 7 ， 对 时 变 非 平 稳 信 号 却 难 以 充 分 描 述 。 华北电力人学硕士学位论文 短时傅聚叶变换( s t f t ) :是一种局域化的时一 频分析方法，它在一定程度土克 服了标准傅里叶变换不具有局部分析能力的缺陷，但其自身也存在很大的不足:短 时傅里叶变换实质上是具有单一分辨率的分析，若要改变分辨率，则必须重新选择 窗函数。因此， 这种方法只适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺 度过程和突变过程。 在逆变换时， 其解不唯一且存在交叉项， 实际使用有 一 定困难。 小 波 变 换 ( w t ) 9 ,2 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 1 : 小 波 变 换 是 一 种 多 尺 度 分 析 ， 它 在 动 态 电 压 质 量 检测应用中有以下优点:1 )小波变换最显著的特点是它对信号具有自适应性，同 时 具 有 时 域 局 部 化 和 频 域 局 部 化 性 质 (z e l e 2 ) . 小 波 变 换 对 突 变 信 号 非 常 敏 感 ， 可 以 准确判断扰动的发生与否，实现对扰动的时间定位。3 ) . 小波变换具有良好的消噪 能力。4 ) . 小波变换提取特征量丰富，信息不丢失。同时，小波变换方法的应用还 处于起步阶段，也存在着许多问题:1 ) .小波变换在很大程度上倚赖于小波基的选 择。不同小波的变换的结果有时相差很远。因此，如何选择最优的小波基，以及不 同小波基对结果的影响如何评价是小波在电压扰动识别的研究中要解决的关键问 题之一。2 ) . 小波变换结果没有明确的物理意义，许多扰动在某同一尺度上的特征 可 能 相 近 2 9 1 ， 因 此 选 用 哪 一 尺 度 的 小 波 变 换 进 行 判 断 也 时 该 领 域 的 关 键 问 题 之 一 。 另外，仅利用小波变换往往只能对电压扰动进行检测，不能对其进行辨识，所以常 需要将其与其它方法相结合，完成扰动的识别，等等。 二次变换( q t ) :是一种基于能量考虑的时一 频表示方法，它可以准确地测量基 波和谐波分量的幅值， 还能准确地检测到信号发生尖锐变化的时刻。其不足之处是 无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值，以及不具有时域分析功能口 神经网络( a n n ) :这种方法的优点是不必对被研究对象建立明确的数学模型， 而只关心对象的输入输出关系。此外，还具有多输入和多输出，便于用超大规模集 成电路( v l s t ) 或光学集成电路系统实现，或用现有的计算机技术实现，以及能进行 学习，以适应环境的变换等优点。当前应用神经网络的缺点是:1 ) 存在局部极小问 题，造成网络的局部收敛，影响系统的控制精度;2 ) 理想的训练样本提取困难，影 响了网络的训练速度和训练质量;3 ) 网络结构不易优化，特别是隐层节点数的选取 常带有盲目 性;4 ) 为了 保证识别的准确性和a n n 的适应性，如何选择a n n 的类型、 结 构 和 算 法 ， 将 是 一 个 难 点 12 1 p r o n y分析:该方法认为信号总是可以由一系列的衰减的正弦波构成。当分解 结果求出来后，信号中各个频率成分的信号的其幅值、衰减系数、频率和初相角就 完全确定，能够很好地说明系统受到的扰动状态。这种分析方法可以做多尺度的信 号分析，用来做电力系统的数据分析十分有用。p r o n y分析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。p r o n y 分析的原理将在下一章中作详细介绍。 专 家 系 统 : 专 家 系 统 2 5 具 有 知 识 表 述 简 单 而 完 备 ， 推 理 过 程 明 晰 ， 易 于 扩 充 等 6 华北电刀大学硕士学位论文 优点。此外， 规则建立后整个专家系统移植很方便。 与a n n 相比， 专家系统对于问 题 求解具有推理过程明晰， 推理结果可控制( 通过修改、增加、删除规则实现) 等优点。 专 家系统的规则修改完全基于原有基础， 不必像a n n 一样， 结构或功能的小改动都需要对 整个系统进行重新训练。 此外专家系统还加入了容错规则， 对于无法辨识的信号予以提 取，并据此进行规则修改，使系统的能力不断得到增强d d q 变换: 其作用是在一旋转坐标中，以两正交直流分量代替一静止三相对称交 流分量。该方法首先将母线电 压由a b c 坐标系变换到叨 坐标系，然后再变换到d q 坐 标 系】变换 后得到、 和v 9 ， 通 过、 可 瞬 时 确定电 压的 有效 值， 能 够克 服有 效 值 计 算 由“ 历史 ” 数 据 所 引 起 的 计 算 延 迟 问 题 此 外 还 可由 变 换 得 到v e v y a 瞬 时 获得暂降的相移大小等。下一章将详细介绍这种方法的原理。 综上所述，电压质量分析识别很多，各有优势和不足，所以要根据实际需要选 取合适的分析方法，以达到更好的分析效果。 1 . 5本论文的主要工作 通过对电压扰动检测与分析识别重要性的认识，以及对该领域研究现状的分 析，本论文主要对如何检测常见的十种电 压扰动做了深入的研究，提出了一种 d q 变换与p r o n y 分析相结合的实用分析方法，用来实现电力系统电压扰动类型识别。 主要包括以下几个方面: 1 .首先介绍了d 。 变换、 p r o n y 分析方法的原理， 并根据d q 变换对于不同的扰 动进行推导，从理论上得出各种扰动d q 变换结果。 2 .在对比各种分析方法的基础上，提出一种d q 变换与p r o n y 分析相结合的实 用分析方法。将其应用于电压暂降、电压暂升、短时中断、谐波、振荡等十种电压 扰动的类型识别中。 3 根据提出的d q 变换和p r o n y 分析结合的方法，应用m a t l a b 仿真对多种常 见的扰动进行识别。仿真取得了良好的效果，验证了该分析方法的可行性。 4 .在仿真的基础上，对电压扰动辨识装置的研制进行了软、硬件的初步设计。 因为所选 d s p 芯片上不支持 m a t l a b 程序语言所编写的程序，所以所编写的m a t l a b 程序需要转化为相应的c程序。本文对部分m a t l a b 程序进行了修改与转化，得到 了在d s p 芯片上可以执行的c 语言程序。 华北电刀大学硕士学位论文 优点。此外， 规则建立后整个专家系统移植很方便。 与a n n 相比， 专家系统对于问 题 求解具有推理过程明晰， 推理结果可控制( 通过修改、增加、删除规则实现) 等优点。 专 家系统的规则修改完全基于原有基础， 不必像a n n 一样， 结构或功能的小改动都需要对 整个系统进行重新训练。 此外专家系统还加入了容错规则， 对于无法辨识的信号予以提 取，并据此进行规则修改，使系统的能力不断得到增强d d q 变换: 其作用是在一旋转坐标中，以两正交直流分量代替一静止三相对称交 流分量。该方法首先将母线电 压由a b c 坐标系变换到叨 坐标系，然后再变换到d q 坐 标 系】变换 后得到、 和v 9 ， 通 过、 可 瞬 时 确定电 压的 有效 值， 能 够克 服有 效 值 计 算 由“ 历史 ” 数 据 所 引 起 的 计 算 延 迟 问 题 此 外 还 可由 变 换 得 到v e v y a 瞬 时 获得暂降的相移大小等。下一章将详细介绍这种方法的原理。 综上所述，电压质量分析识别很多，各有优势和不足，所以要根据实际需要选 取合适的分析方法，以达到更好的分析效果。 1 . 5本论文的主要工作 通过对电压扰动检测与分析识别重要性的认识，以及对该领域研究现状的分 析，本论文主要对如何检测常见的十种电 压扰动做了深入的研究，提出了一种 d q 变换与p r o n y 分析相结合的实用分析方法，用来实现电力系统电压扰动类型识别。 主要包括以下几个方面: 1 .首先介绍了d 。 变换、 p r o n y 分析方法的原理， 并根据d q 变换对于不同的扰 动进行推导，从理论上得出各种扰动d q 变换结果。 2 .在对比各种分析方法的基础上，提出一种d q 变换与p r o n y 分析相结合的实 用分析方法。将其应用于电压暂降、电压暂升、短时中断、谐波、振荡等十种电压 扰动的类型识别中。 3 根据提出的d q 变换和p r o n y 分析结合的方法，应用m a t l a b 仿真对多种常 见的扰动进行识别。仿真取得了良好的效果，验证了该分析方法的可行性。 4 .在仿真的基础上，对电压扰动辨识装置的研制进行了软、硬件的初步设计。 因为所选 d s p 芯片上不支持 m a t l a b 程序语言所编写的程序，所以所编写的m a t l a b 程序需要转化为相应的c程序。本文对部分m a t l a b 程序进行了修改与转化，得到 了在d s p 芯片上可以执行的c 语言程序。 华北电 力大学硕士学位论文 第二章 有效值求取、d q 变换方法和p r o n y 方法原理介绍 本文主要针对电力系统中常出现的十种电压扰动，即:电压暂降、电压暂升、 电压间断、脉冲、相位跳变、频率偏移、噪声、高频振荡、低频振荡和谐波进行分 析识别。通过查阅大量的资料和文献，了解和对比了资料中提出的各种方法，考虑 到这些扰动多数是短时电压扰动， 属于非平稳信号， 频谱跨度大， 特征尺度变化大， 所以不适于用傅立叶和短时傅立叶变换;由于二次变换无法准确估计原始信号的谐 波分量幅值，以及不具有时域分析功能，也不适于用它;对于神经网络法，由于多 种扰动的复杂性，理想的训练样本提取困难，影响了网络的训练速度和训练质量， 而且对于新加入的改动要求整个系统重新训练，为了保证识别的准确性和a n n的适 应性，如何选择a n n 的类型、结构和算法，将是一个难点，由于上述原因，所以不 采用这种方法;小波变换在很大程度上依赖于小波基和分析尺度的选择，而小波基 的选择还没有成熟的方法，这两者也是小波变换用于电压扰动识别领域需要解决的 关键问题，此外，仅利用小波变换往往只能对电压扰动进行检测，不能对其进行辨 识，所以常需要将其与其它方法( 如:专家系统和神经网络等方法) 相结合，完成扰 动的识别，另外小波变换用于分析电压扰动分类在所选硬件上实现起来有较大困 难，所以也不使用。 通过对多种分析的比较， 我们认为d q 变换、 p r o n y 分析方法是比较合适的方法。 考虑到 d q变换可瞬时确定电压的有效值， 瞬时获得暂降的相移大小，能够克服有 效值计算由“ 历史” 数据所引起的计算延迟问题， 并可瞬时获得暂降的相移大小等。 适用于电压扰动类型识别中的多数类型，稍加补充就可以实现设计要求的识别功 能。同时对于 d q变换分析失效的高、低频振荡和谐波扰动利用 p r o n y分析却能很 有效地加以识别，采用p r o n y 分析时，