（电力系统及其自动化专业论文）电能质量的时频域综合分析方法研究.pdf

频谱分布上。小波变换( w t ) 具有变焦能力，可以把信号在时域和频域同时局 部他，为电力系统电磁暂态扰动信号的检测、识别与分类提供了强有力的工具。 本文运用小波分析法对信号进行频域分析。通过小波变换及其多尺度分析，得 到各尺度下的小波系数。然后根据小波变换的模极大值原理( w t m m ) 判定电 磁暂态扰动发生的起、止位置；根据小波变换的最大极大值原理( g m m ) 分析 扰动的主要频率分布。 最后通过四个常见的扰动现象( 电压波动、电压凹陷、电压膨胀、冲击暂 态) 的算例分析，详细演示了该方法的具体分析步骤。分析结果表明本文提出 的新算法综合性能指标优异，具有广泛的实用性和可行性。在对扰动信号的特 征提取上，取褥了令入满意酌效果。能够对各牵争常见的电力系统电能质量扰动 现象进行有效的分析。 关键词：电能质量扰动现象瞬时负荷特性偏离因子小波变换模极大 值 r e s e a r c ho n ac o m b i n a t i o no ft i m e d o m a i n & f r e q u e n c y - d o m a i na n a l y s i sm e t h o d t op o w e rq u a l i t y m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t s a u t o m a t i o n g r a d u a l e ：g a oy i n 8 a d v i s o r ：y a n gh o n g g e n g w t t ht h er a p i dd e v e l o p r n a n to f i n d u s t r i a lt e c h n o l o g ya n dn a t i o n a le c o n o l r l e s p o w e rq u a l i t y h a sb e c o m ea ni m p o r t a n ti n d e xt h a te v e r yd e p a r t m e n to fe l e c t r i c a lc o m p a n i e sp a y sm u c h a t t e n t i o nt o w i t ht h ef o r m i n ga n db i n go fe i n e t r i e i t ym a r k e tr e f o r m a t i o n ，t h eu t i l i t ym a s t m e e tt h ei n a r e a r i n gr e q u i r e m e n te fr i o to n l yp o w e rq a a n t i t yb u ta l s op o w e rq n a l i t yf r o m c u s t o m e r t oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t y , w en e e dt or e s e a r c ho nt h ed i s t u r b a n c e p h e n o m e n a n ，ei d e n t i f i c a t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fd i s t u r b a n c ei st h ep r e m i s et o d e p r e s st h ew i c k e di n f l u e n c e sp r o d u c e db yt h e m t h i sp a p e rp r o p o s e sa l la p p r o p r i a t e c o m b i n a t i o no ft i m e - d o m a i na n df r e q u e n c y - d o m a i na n a l y s i sm e t h o dt or e s e a r c ho d p o w e rq u a l i t y e v e n t s i nr i m e - d o m a i n t h ea n a l y s i sm e t h o do i lc h a r a c t e r so f i n s t a n t a n e o u sl o a di st a k e n ，i nf r e q u e n c y - d o m a i n ，t h ew a v e l e tt r a n s f o r mi su s e di n t h i st h e s i s 1 1 1 er e s u ho f t h es i m u l a t i o nl a d i c a l e st h eu s e f u l n e s sa n dv e f a e i t yo f t h i s n e wm e t h o d f o u r i e rt r a n s f o r m ，t h em o s tc l a s s i c a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n a l y s i sm e t h o d ，i si d e a lf o rt h e c a l c u l a t i o no fm a g n i t u d eo fs i n u s o i d a ls i g n a l si nt h e i rs t e a d ys t a l e b a r e dd nt h i s t h i st h e s i s b r i n g so u tae x e r t i o no f f e rf o u r i e r t r a n s f o r m ( f f t ) t od a t e c tt h ew a v ed i s t o r t i o nd i s t u r b a n c e b yt l ew a y , i ta l s oe x t r a c t so f t h em a g n i t u d ef e a t u r e so f s h a r t - t e r md i s p , a b a n e ea n dl o n g - t e r m d i s t u r b a n c e t h ec h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e so fs h e r t - t e a ld i s t u r b m a o sa n dl o n g - t e r md i s t u r b a n c e , s u c h v o l t a g es a ga n dv d m g cs w e l l ，a r ec o n c e n t r a t e do i lm a g n i t u d ea n dt i m ed u r a t i o nt h e r e f o r e ，i ti s s u i t a b l et ob ea n a l y z e di nt i m e - d o m a i na r e a t h i sp a p e r n a o v a t e st h ec h a r a c t e r so fi n s t a n t a n e o u s l o a dt oa n a l y z et h e s ed i s t u r b a n c ee v e n t s a f t e rc a l c u l a t i n gt h e d e v i a t i o nf a c t o rb ya c c o u n t i n gt h e i m i t a t i o nr e s i s t a n c ea n di m i t a t i o ni n d u c t a n c e ，w ec a np o i n tt h eo n s e ta n dt h ee n dt i m eo ft h e d i s t u r b a n c eb yr u l ea n dl i n e ，t h e nt h ei d i o g r a p h i ct y p eo f t h ed i s t u r b a n c ec a l lb eg i v e no u t i np o w e rs y s t e m t h et r a n s i e n td i s t u r b a n c es i g n a la l w a y sr e p r e s e n t sa st h es i n g u l a rs i g n a l t h ec h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e so ft h e ma r em a i n l yd i s t r i b u t e di n 疔e q u e n c yd o m a i na r e a ，w a v e l e t t r a n s f o r m ，a ne f f i c i e n tm a t h e m a t i c a lt o o lf o rs i n g u l a r i t yd e t e c t i o n ，c a no f f e rp l e m i f u l t i m e f r e q u e n c yi n f o r m a t i o n o nt h e s i g n a lp r o c e s s i n g i n t h i s p a p e r , am e t h o du s i n g m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i sa n dm o d u l u sm a x i m u mb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r mi sp r e s e n t e d ，b y w h i c ht h es i n g u l a r i t ya n dt h em a i nf r e q u e n c yc o n t a i n i n gc a nb ea c c u r a t e l ya c h i e v e d t h ep r a c t i c a l i t yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi nt h i st h e s i si sv a l i d a t e db yf o u rd i g i t a l s i m u l a t i o n s ，w h i c ha r ev o l t a g ef l u c t u a t i o n ，v o l t a g es a g , v o l t a g es w e l l ，a n di m p u l s i v ed i s t u r b a n c e t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h en e wa n a l y s i sm a t h o db a s e do nt l l ec o m b i n a t i o no f t i m e d o m a i na n d 疗e q u e n c y d o m a i n ，i nw h i c ht h ee n t r o p yi su s e da sf e a t u r ee x t r a c t i o n ，p o s s e s s e s e f f i c i e n c ya n df e a s i b i l i t y 。 k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y , d i s t u r b a n c e ，c h a r a c t e r o fi n s t a n t a n e o u s l o a d ， d e v i a t i o nf a c t o r , w a v e l e tt r a m f o r m ，m o d u l u sm a x i m u m 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 1 绪论 1 1 选题背景和研究意义 2 0 世纪9 0 年代以来，国内外电力部门和电力用户对电能质量的关心程度与 日俱增。随着我国现在工业技术的发展和电力市场的逐步形成，电能质量( p o w e r q u a l i t y ，p q ) 已经成为电力系统发、供、用电部门十分关注并且去刻意完善的 重要指标。近十多年来，随着高新技术尤其是信息技术的发展，一方面由于电 力、电子技术的迅速发展，特别是电炉炼钢、多项可控硅整流以及洗衣机、空 调等家电设备的广泛应用，使得电网中的电压、电流波形发生畸变，造成电能 质量闷题的严重恶化i 另一方面由于众多基于计算机、微处理器、电力电子装 置控或管理的现代化工业与民用用电设备，而这些精细过程控制更容易受到电 力系统扰动的影响，电网质量问题正变得日益严峻【”。受电能质量影响所造成 的经济和社会损失问题日益突出，因此对电能质量提出了新的更高的要求。电 力用户正在了解和熟悉如“电压凹陷”、“电压膨胀”、“短时停电”等电能质量 扰动问题对生产流程造成的损失并依法追究赔付。越来越多的电力用户向供电 部门提高质量的供电要求，甚至通过签订供用电合同和保证电能质量的协议等 方式，保障自己可靠韵用电权益1 1 1 , 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。电能质量问题是指电力系统扰 动产生的电力系统电压或频率问题，它常用电压骤升、电压骤降、短时停电、 电压不平衡和谐波五个指标来描述。电能质量问题从电力部门的观点可表示为 频率和供电质量；从用户的的观点可表示为电压质量冈。进入2 1 世纪后，国内 外电力电力企业都把提高电力系统的电能质量问题作为电力建设和发展的重要 课题之一进行研究。提供电能质量已成为当前电力行业创建国际一流供电企业 的只要内容和发展策略。 市场化已成为世界各国电力工业改革的目标。目前，我国电力市场化改革 也正在积极推进与形成之中。但世界各国在改革初期普遍对电网的发展重视不 够，这必然要引起一系列与电网安全稳定性和电能质量相关的问题，应引起关 注【3 】。在开放与竞争的电力市场中，电网可以择优选择电能质量高、报价低的 电厂上网，电力用户也可以选择电价合适，同时电能质量较高的供电公司来为 其提供电力【4 】。电能是电力部门向电力用户提供，由发、供、用三方共同保证 质量的一种特殊产品 】，电力体制改革在追求以最小成本获得最大效益的同时， 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 应保证电力系统的安全、经济、优质运行。在竞争的电力市场中，大多数监管 机构会明确提出供电质量的要求，并把电力公司的经济效益和供电质量联系起 来【3 】，所以，电能质量应成为制定电价的重要约束条件之一。 随着各种敏感电力电子设备在工业中的广泛应用，诸如短时低电压、短时 过电压等电能质量扰动问题已成为近年来各方面关注的焦点之一【6 ，7 1 。目前电能 质量检测的难点是对突变的、暂态的、非平稳电能质量扰动的检测。我国对暂 态电能质量问题( 如电压骤降、骤升、短时间断等现象) 的检测、辨识研究大 多停留在实验室研究阶段，在工程中应用得不多。 由于电网中非线性、冲击性、波动性负荷越来越多，敏感设备的大量使用， 致使电能质量问题日益突出。为提高电能质量，减少电力系统事故，对电能扰 动实行正确监测、识别和分类是十分必要的。因为一旦识别出扰动的类型就可 以确定引起扰动的负荷并可分析其产生原因，所以扰动分类是其中最重要的环 节。电压骤降、短时停电已被公认是影响影响许多用电设备正常、安全运行的 最严重的电能质量问题【2 2 1 。诸如短时的供电中断或3 0 的电压跌落幅度将会造 成整条装配线的可编程控制器重新复位。会给用户带来严重的损失。类似电压 凹陷、电压膨胀等短期电压扰动还可能会引起居民区时钟混乱、敏感负荷的误 操作，甚至某个工业特处理过程的瘫痪。对各种电能质量扰动进行分类是采取 适当措施降低扰动带来影响的前提。因此对电力系统扰动现象进行特征分析和 识别具有重要的理论意义和现实意义。 另一方面，近年来，随着冶金、化工和机械工业的发展，由畸变负荷造成 的电能质量问题日益突出。为了有效的提高电能质量，对电力系统电能质量扰 动现象的研究已经是迫切的需要。这一问题的重要性在一下几个方面显现出来： i 西部大开发和西电东送中的谐波问题严峻。 在西部地区( 如：云南，贵州，四川等) ，水、电、矿产资源丰富，宜 发展高耗能产业。西部大开发要求发展高新技术产业及用商新技术产业改 造传统产业，这样就对电能质量提出了更严格的要求。这就需要我们能够 准确对扰动现象进行检测、识别和归类，从而有效的改善电能质量。同样 的需求也在西电东送的超高压直流输电中存在。 2 我国加入w t o 面对挑战。 我国入关后，在经济、贸易法规方面将和国际接轨。目前不少外资及 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 合资企业已经对电能质量提出了很高的要求。但是，在某种情况下，其本 身也由可能是扰动源，所以需要正确且准确的分析方法对扰动源的特性进 行分析。否则，我们多面临的诉讼、赔偿将相当惊人。 3 新的世纪提出新的要求。 电能质量不仅是对电网管理者的要求，也是电力用户和发点厂对电网 的要求，因此对电力系统中的电能质量扰动现象的分析，对于规划责任、 积极治理十分重要。 1 2 国内外发展动态 白2 0 世纪8 0 年代以来，随着新型电力负荷迅速发展以及它们对电能质量 要求的不断提高，电能质量逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。i e e e 和 l e e 等国际知名学术刊物上曾发表了大量有关电能质量的论文，就电能质量的 定义、分类、数学分析手段、统计分析方法及在电力系统运行中的应用展开了 较为广泛、深入的探讨。目前电能质量中的某些问题已经成为电工领域的前沿 性课题。国内外许多专家、学者对电能质量扰动的检测、识别、分类、建模和 危害等问题进行了大量的研究，许多研究方法和理论被提出和采用。 目前所采用的电能质量分析方法有三种： 1 时域分析方法时域分析法主要包括时域的单一特征值法和时域仿真 法。时域分析的特点是简单、快捷。但是噪声影响是的时域分析存在较大的误 差。 夺单一特征值法：常见的主要有有效值法、电压均方根值法、缺损电压法等。 这些方法除了计算速度校慢外，均存在一个严重得缺陷，只运用了单一特征量， 不能体现短时振荡、谐波、脉冲等电压扰动的综合畸变特性。且计算时至少有 半个周期以上的延时，不能准确界定短时电能质量扰动的起始和终止时间f 8 j 夺 时域仿真法：该方法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要用途是利 用备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。目前通过的 时域仿真程序主要有e m t p 、n e t o m a c 、b p a 等系统暂态仿真程序和s p i c e 、 p s p i c e 、m a t l a b 等电力电子仿真程序。由于这些仿真程序在不断发展中， 其功能日益强大，还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电能质量波形分 析。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 频域分析方法该方法主要用于电能质量中谐波问题的分析，包括频率 扫描、谐波潮流计算等。考虑到一些非线性负载的动态特性，近年来又提出一 种混合谐波潮流的计算方法，即在常规的谐波潮流计算基础上，利用e m t p 等 时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波电流矢量，从而得 到谐波潮流。 3 基于变换的方法 主要指d - q 变换方法、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。 夺 d q 变换法：d - q 变换的算法可对三相对称电力系统的电压扰动进行识 别，但是实际系统中的扰动并不是完全三相对称的，事实上多数电压凹陷就是 单相事件。因此对于三相系统的电压扰动不能直接采取d - q 变换进行分析【h l 。 另一方面，d - q 变换和有效值法、电压均方根值法、缺损电压法等一样，计算 时有延时现象，不能准确晃定短时电能质量扰动的起始和终止时间 令傅立叶变换：是电能质量问题分析中非常重要地一种方法【吼1 0 1 ，作为经典的 信号分析方法f o u r i e r 变换具有正交、完备等许多优点，而且有像f f t 这样的 快速算法，因此在电能质量仿真分析中得到了广泛的应用。但运用f f t 必须 满足以下条件：( 1 ) 满足采样定理的要求，即采样频率必须是信号最高频率的 两倍以上；( 2 ) 采样窗口与被采集信号周期严格同步；( 3 ) 周期内的采样点应 是2 “，n 为整数。当采样频率或信号不满足要求时，利用f f t 变换是对整个 时间段的积分，时间信息得不到充分利用，信号得任何突变。其频谱将散布于 整个频带。因此只适用于确定性的平稳信号( 如谐波) ，对时变非平稳信号却 难以充分描述。 夺 短时f o u r i e r 变换：为解决上述问题。g a b o r 利用加窗，提出了短时f o u r i e r 变换方法，即将不平稳过程看成是一系列短对平稳过程得集合，克服了一般傅 立叶变换不具有局部分析能力的缺陷，将f o u r i e r 用于不平稳过程的分析。由 于这种时一频窗口是固定不变的，不具有自适应性，难以适应在非平稳信号波 形变化剧烈的时段内( 主要是高频) 要具有较高的时间分辨率，而在波形变化 比较平缓的时段内( 主要是低频) 又要求有较高的频率分辨率的情况，因而只 适合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，而且 这种方法的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法。 小波变换：小波变换是一良好的时域、频域分析工具，克服了f f t 的缺点， 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 适合于突变信号和不平稳信号的分析。小波变换被称为“数学显微镜”。由于 小波变换的正交性、紧支撑，将小波变换用于电能质量非稳态扰动信号的分析 具有f f t 所无法比拟的优点。小波变换特有地尺度伸缩功能使其具有很强地 突变点检测能力，能有效检测到非平稳信号地瞬时成分，使其在设备状态监测 和时变信号分析领域具有明显优势1 ”。 作为一种数学分析工具，小波变换将时域信号分解为不同分辨率，不同 水平的频域信息，由于它在时域和频域都有很好的分辨率，因而特别适用于分 析需要信号时、频信息的问题( 如分析电能扰动问题) 。多分辨率分析能够逐 级地提取给定信号地细节部分与平滑部分地信息。在电能扰动信号中。很大扰 动信号中包含尖蜂、跳跃和下降，可以通过多分辨率分析将其分解为平滑信息 和包含尖峰等特征地细节信息，再进行分别分析。但是也就是因为它是对信号 频域成分的提取，将信号按频带分解为平滑信息和细节信息，而对一些扰动的 分类存在困难，仍需要时域的辅助。 近年来，已有文献介绍应用小波变换方法进行电能质量评估、识别、分类 和电能质量扰动建模等电能质量问题的研究。 文献 1 5 1 用m o r l e t 小波对电力系统扰动进行分析、对扰动进行检测和定位， 取得了较好的效果。 文献【1 8 】对电压骤降、短时停电、电容器投切暂态进行模拟，并用小波重 构对模拟信号进行重构，对重构结果进行了分析。 文献 1 3 1 使用小波变换对电力系统暂态、谐波进行了研究。文中对电力系 统元件如电阻、电感、电容用小波域的模型进行模拟，并建立了小波域的系统 状态方程，用以电力系统暂态、谐波研究，为电能质量扰动建模进行了有意义 的探索。 文献【1 7 】使用连续小波变换对电压骤降和暂态进行检测和特征分析。通过 对电压骤降和暂态时频图的分析可大致确定扰动发生时间：高频峰值代表扰动 信号突变点，即扰动发生时刻。这种检测方法对小波基和频率间隔要求很严格， 对一些低频振荡，时频图显得较为模糊。 文献 1 6 1 使用傅立叶变换和小波变换对电能质量扰动进行特征分析。文中 主要对变压器充电扰动、换流器操作、电容器充电暂态进行分析。变压器充电 扰动主要由变压器充电时产生的励磁涌流引起。变压器铁芯饱和时，励磁涌流 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 将产生二次、五次谐波电流，因而使电压波形产生畸变。对电压波形进行小波 变换，在充电周期内，小波系数模的平方出现极大值。通过傅立叶变换，可检 测出电压波形的谐波次数。换流器操作将引起电压缺口。电压缺口是由多相换 流器操作时电流多次换相引起的。对电压波形进行小波变换，通过计算一个周 期内小波系数模平方极大值数可得到一周期内发生电压缺口扰动的次数。电压 缺口扰动也要产生大量的谐波。通过谐波频谱可清楚地了解谐波地次数和大小。 电容器充电暂态是电力系统中最普通地暂态现象，其振荡频率为3 0 0 1 0 0 0 h z ， 持续时间一般少于半个工频周期。由小波变换高频系数地模平方极大值能确定 扰动时间，通过傅立叶分析可得到振荡频率。通过仿真得到了预期的效果。 基于小波变换的多分辩分析，能对电力系统短期扰动进行检测、定位和确 定扰动持续时间。但却不易区分到底是那一种扰动类型。文献f 2 l ，1 8 】提出用小 波变换标准差曲线来区分电压骤降、电压骤升和短时停电。当电压降到基准电 压的3 0 以下时，电压骤降和短时停电的标准差曲线发生了交叉，使二者不易 区分。文献 1 9 ，2 0 提出用小波神经网络分类器进行电能质量扰动识别。整个识 别过程是在小波域中进行。在神经网络末端通过投票机制进行表决，从而识别 电自质量扰动。识别结果的好坏予神经元网络的训练有很大关系，且抗干扰的 能力不强。文献【2 1 】提出用一个模糊专家系统和傅立叶线性组合器进行电力系统 扰动识别，其识别过程较为复杂。 对电能质量扰动现象的判定包括短期、暂态扰动判定和稳态扰动判定。短 期、暂态扰动包括电压骤升、电压骤降、短时停电、暂态等电能质量扰动。稳 态扰动包括闪变、谐波等电能质量扰动。文献 4 9 1 利用扰动能量流对电压骤降、 充电暂态进行扰动方向的判定。对于一个电网络，在一负荷支路发生故障或接 入扰动负荷将引起公共连接点的各支路潮流发生变化。扰动功率在时间上的积 分定为扰动能量。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。对电压骤升、短时停电等 电能质量扰动方向判定很少有文章介绍。 对稳态电能质量扰动，特剐是谐波扰动也有许多专家和学者进行过大量的 研究。文献 5 0 】提出参考阻抗和等效电流源的思想把电网侧和用户侧的对谐波的 6 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 贡献在公共连接点区别开来。文中把一个电力网络划分为电网侧和用户侧，在 电网侧，参考阻抗为根据电网资料确定的系统阻抗：在负荷侧，参考阻抗为根 据负荷资料确定的用户阻抗。该方法能大致确定用户和电网对谐波扰动的责任， 无论是谐波阻抗的变化还是谐波电流的变化。但它需要事先知道参考阻抗和谐 波电流源的大小，由电网及负荷资料确定的参考阻抗与实际运行值有较大偏差， 因而存在许多问题。文献【5 1 从负荷的角度来研究负荷支路对谐波污染的贡献。 文中把负荷分为畸变负荷和非畸变负荷。畸变负荷指引起电压波形畸变的负荷。 非畸变负荷指在电压波形畸变情况下不引起电压变化的负荷。畸变负荷又分为 三种：良性畸变负荷、非良性畸变负荷和畸变源负荷。良性畸变负荷是指在谐 波畸变环境下降低谐波水平的负荷，非良性畸变负荷指在谐波畸变环境下使谐 波水平上升的负荷。谐波源负荷指即使在正弦电压下，电流波形也发生畸变的 负荷。由于线路阻抗的作用，电压也发生畸变。文中分6 中情况对谐波扰动进 行了分析，虽然没能真正识别扰动源，但对谐波扰动进行了有意义的探索性研 究。文献【5 2 】提出了负荷支路的诺顿等效法，但它把系统侧支路用戴维南等效电 路等效，这造成系统侧参数的计算非常繁琐，有时甚至无法求出。文献 5 3 】对谐 波分析的几种率结构机制进行了分析和评价。文献 5 4 1 提出了畸变功率的概念， 并用跌代法进行谐波潮流的计算。 1 3 本文所做工作 本文首先概述了电能质量的定义以及电力系统电磁现象的分类和特征。随 后本文研究了一种电能质量的时频域综合分析的新方法。通过频域的小波变换 分析法和时域的瞬时负荷特性分析法，对电力系统电能质量扰动现象进行分析。 并在最后对该新方法进行了四个常见的扰动现象( 电压波动、电压凹陷、电压 膨胀、冲击暂态) 的算铡分析。详细演示了该方法的具体分析步骤和判定结果。 本文提出的电力系统扰动现象的时频综合分析法，同时吸取了信号的时域 分析和频域分析的各自的优点，并有效回避了两种方法在信号在分析方面的不 是之处。 1 本文首先利用快速傅立叶变换( f f t ) 对波形失真的电力系统扰动现象 进行分析和识别。在对采样信号进行快速傅立时交换( f f t ) 后，提取 被分析信号在幅值上的典型特征，根据该特征可以准确对波形失真的电 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 力系统扰动现象进行识别。与此同时，还对短对电压扰动、长时电压扰 动进行了初步的信号特征分析。 2 在对域分车厅中，本文提出了一秘基于瞬时负荷特性的新的时域分柝方 法。对短时电压扰动、长时电压扰动进行识别和分类。首先由电压、电 流的采样信号，计算瞬时负荷的模拟参数( 模拟电阻r 及模拟电抗l ) ； 然后计算由模拟参数重构出的计算电匿；通过计算电压与实际采样电压 信号的比较，得到偏离因子。通过对偏离因子的分析可以对扰动出现的 起、止位置进行准确判定，并得到扰动的持续时间。 3 在频域分析中，本文研究了运用小波变换的模极大值原理( w t m m ) 以及最大极大值原理( g m m ) 对电磁暂态的电力系统扰动现象进行分 拆的算法。首先，将快速傅立时变换( f f t ) 后的扰动信号中豹基频分 薰滤出，然后对剩余的信号进行傅立叶反变换，得到纯扰动信号。接下 来对该纯扰动信号进行连续小波变换，和多尺度分析，得到不同尺度下 的小波系数。随后根据小波交换的模极大值原理( w t m m ) 计算各级 小波系数对应的模极大值，通过模极大值出现的时刻准确的判定电磁暂 态扰动现象发生的起、止时刻，并推算出扰动发生豹持续时间。最后通 过跟踪小波模极大值线，找到最大极大值点，根据小波变换的最大极大 值原理( g m m ) 可以比较准确的估算出扰动的主要频率分布， 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 2 电能质量概述 现代社会中，电能是一种最为广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家 发展水平的主要标志之一。随着电力市场的形成和推进，电力部门不仅要满足 用户对电力数量不断增长的需求，还必须满足较高电能质量的要求。电能质量 问题已经受到电力部门和用户的广泛关注【2 吲。下面对电能质量有关问题做一个 介绍。 2 1 电能质量的概念 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公 用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流电力系 统中，各桶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。但 由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称珈之调控手段的不 完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不 存在，而由此产生了电网运行、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。 从普遍意义上讲。电能质量是指优质供电，它包括频率、供电持续性、电 压稳定和电压波形【”j 。迄今为止，人们对电能质量的技术含义还存在着不同的 认识，这一方面是由于人们看问题的角度不同，如电力部门可能把电能质量简 单地看成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 是符合质 量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统看成是否向负荷正常供电：而设备 铸8 造商则认为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况 的需要，但实际上不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相差甚远。另一 方面，对电能质量的认识也受电力系统发展水平的制约，特别是用电负荷的性 能和结构。 什么是电能质量? 国内外对电能质量确切的定义至今尚未形成统一的共 识。i e e e 技术协调委员会正式采用“p o w e r q u a l i t y ”这一术语，并且给出了相应 的定义：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适 合该设备正常工作的。这个定义的缺点是不够直接和简明。文献【2 】采用的电能 质量定义为：导致用户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。这 个定义较简洁，也概括了电能质量问题的成因和后果。当然这里的偏差应广义 9 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 理解，甚至应包括供电可靠性。 除此之外，在这一研究领域的许多文献和报告中还采用了一些未得到公认 的术语和补充定义。如： 1 电压质量( v o l t a g eq u a l i t y ) ，即用实际电压与理想电压间的偏差( 应理 解为广义偏差，即包含幅值、波形、相位等) ，以反映供电部门向用户供给的电 力是否合格。 2 电流质量( c u r r e n tq u a l i t y ) ，即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波 形要求并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以商功率因数运行。这 个定义有助于电网电能质量的改善，并降低线损，但不能概括大多数因电压原 因造成的质量问题，而后者往往并不总是由用电造成的。 3 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( q u a l 的o f s e r v i c e ) ，它包括供电部门对用户投诉与抱怨的反映速度和电力价格( 合理性、 透明度) 等。 4 用电质量( q u a l 毋o f c o n s u m p t i o n ) ，包括电流质量和非技术含义，如用 户是否按时、如数缴纳电费等。它反映供用电双方相互作用与影响中用电方的 责任和义务。 实际上，供电系统只能控制电压的高低，不能控制某一负载汲取的电流的大 小。因而大多数情况是在讨论电压质量问豚。本文中的电能质量主要指电压质 量。 2 2 电能质量现象分类 为了系统地分析研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分析，从而 找出引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决办法，将电能质量进行分类 和给出相应的定义或规定是很重要的。对于电能质量现象可以从不同角度分类。 国际电工委员会( i e c ) 从电磁干扰现象及相会干扰的方式考虑，给出了引起电 磁干扰的基本现象分类： 1 低频传导现象：谐波、间谐波、信号系统( 电力线载波) 、电压波动、 电压骤降、短时停电、电压不对称、电网频率波动、低频感应电压、交 流网中的直流。 2 低频辐射现象：磁场、电场。 1 0 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 3 ，高频传导现象：感应连续波( c w ) 电压与电流、单相暂态、振荡暂态。 4 高频辐射现象：磁场、电场、电磁场、连续波、暂态。 5 静电放电现象( e s d ) 6 核电磁脉冲( n e m p ) 种类典型频谱成分持续时间电压幅值 纳秒级 上升沿5 n s l i n s 扰动 低频 5 k h z0 3 5 0 m s 0 4 p u 振荡 暂态 中频5 k h z 5 0 0 l c h z 2 0 岫 0 8 p u 高频o 5m h z 5 m h z5 u 5 0 4 p u 电压中断0 5 3 0 周波 o 1 p u 即时电压凹陷 o 5 3 0 周波 0 1 0 9 p u 电压膨胀0 5 3 0 周波 1 1 1 8 p u 短期 电压中断3 0 周波3 s l m i n 0 8 0 9 p u 变化 过电压 l m i n 1 1 1 2 p 仉 直流偏移稳态0 0 1 谐波o 1 0 0 m稳态 o 2 0 波形 失真 间谐波0 6 l c h z稳态0 2 缺口稳态 噪声 宽带稳态0 1 电压不平衡稳态0 5 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 电压波动 2 5 h z断续0 1 7 频率偏差 1 0 s1 表2 1 电力系统电磁现象特性与分类 表2 ，1 给出了国际电力电子工程师协会 e e e 根据电压扰动的频谱特性、持 续时间、幅值变化等将电磁系统中典型的暂态现象进行的特征分类，主要列举 了暂态和瞬态扰动现象，根据扰动的频谱特征、持续时间、幅值变化等。将其 分为瞬时、短时和长期的电压变动三大类，在此基础上又进一步细分出1 8 个子 类。其中，短时电压变动，尤其是电压中断和跌落已成为国际上所关注的问题。 这些问题对于具有较强惯性距的传统电机设备也许没有明显的影响，但对敏感 和严格的用电负荷，如集成电路芯片制造和微电子控制的生产流水线等，将可 能造成极大的危害，并已成为现代电能质量的重要问题，使电能质量的内涵也 发生了较大的变化。传统的电能质量问题，如谐波、三相不对称等继续存在， 而且严重性正在增加。目前，随着供电可靠性的不断提高，人们已逐步将注意 力转向新的动态电能质量闯题。如持续时间为毫秒级的动态电压升高、脉冲、 电压跌落和瞬时供电中断等问题。 2 2 1 电磁暂态 电磁暂态表示一种本质上很短暂但并不希望发生的事件，是指电源电压的 正弦波形受到暂态的电压扰动而产生畸变，引起电能质量污染的各种问题。暂 态电能质量问题是以频谱和暂态持续时间为特征的，一般分为脉冲暂态和振荡 暂态两种类型1 2 1 。 2 2 1 1 脉冲暂态 脉冲暂态是指电压或电流在其稳态条件下的一个突发的、非电源频率的变 化。且这种变化是单极性的( 即要么正要么负) 。 其特征指标是电压上升时间、峰值和持续时间，产生的原因是由于线路遭 受雷击或感性电路分合等，造成的后果是破坏运行设备的绝缘。 用以描述脉冲暂态的两个特征参数是上升时间和衰减时间。由于含有高频 成分，脉冲暂态的波形受电路元件的影响变化很快，而且在不同的观察点也呈 1 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 现不同的特征。脉冲暂态可能激发电力系统电路的固有频率并产生振荡暂态。 2 2 1 2 振荡暂态 振荡暂态是电压或电流在其稳态条件下的一个突发的、非电源频率的变化， 且这种变化是双极性的( 即有正也有负) 。 其特征指标为波形、峰值和持续时间，产生的原因是由于线路、负载和电 容器组的投切，造成的后果是破坏运行设备的绝缘、破坏电子设备等。 振荡暂态由瞬时值迅速改变极性的电压或电流组成，可由频谱成分、持续 时间和幅值来描述。表2 1 根据频谱成分把振荡暂态分为：低频振荡、中频振荡 和高频振荡三类。 主要频率成分大于5 0 0 k h z ，持续时间为数微秒级( 或主频的几个周期) 的振荡暂态为高频振荡暂态。 主要频率在5 k h z 5 0 0 k h z ，持续时间为数十微秒级的振荡暂态为中频 振荡暂态。 主要频率成分小于5 k h z ，持续时间在0 3 m s 5 0 m s 的振荡暂态为低频振 荡暂态。电容器组充电暂态就属于这一类暂态。图2 1 是一个电容器组 充电引起的低频振荡暂态的波形。 2 2 2 短时电压变化( s d v c ) 短时电压变化是指电压或电流有效值发生变化且持续时间为0 ，5 个工频周 期1 分钟的电磁扰动现象。引起短期电压变化的原因主要有：系统故障、需 要高启动电流的大型负荷的接入或电力布线接头处有断续的松动等。短时电压 变化信号包括电压骤降、电压骤升、短时停电三类。 2 2 2 1 短时停电( 电压中断) 短时停电是指供电电压或负荷电流的有效值减至低于0 1 p u 且持续时间在 o 0 1 s l m i n 的电磁扰动现象称为短时停电。 短时停电往往是由于电力系统故障、设备故障以及控制失灵等引起的，如 供电线路遭受雷击对地短路，或是系统线路发生外力破坏致使保护动作等。由 电力系统一次故障造成的，用户在一定时间内一相或多相失去电压的短时停电， 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 5 ) 其持续时间由电力系统的保护装置动作时间决定。由设备故障或松动引起的短 时停电，其持续时间是不确定的。图2 , 4 是由单相接地短路引起的短对停电波形。 短时停电也是一种可能造成重大的经济损失或产生严重的后果的动态电能质量 事件。 圈2 1 短时停电( 电压中断) 信号 2 2 2 2 电压骤降( 电压凹陷) 电压骤降是指由于系统故障或干扰造成用户电压降到额定电压的1 0 9 0 ，持续时间o 5 周波至l m i n 内，当幅值为o 1 p u o 9 p u ( 标幺值) 时系 统频率仍为标称值，然后又恢复到正常水平。国际上普遍认为，电压幅值低于 o 9 d u ( 标幺值) 或大于o 5 个周波的供电中断对敏感用户和严格用户雨言都属 于断电故障。电压骤降的深度定义为电压额定值与电压凹陷过程中最小值之差。 大多数的电压骤降持续时间小于1 s ，下凹深度小于6 0 额定电压。 电压骤降可能造成某些用户的生产停顿或次品率增加，而供电恢复时间取 决于自动重合闸或自动功能转换装置的动作时间，因此传统的机械式断路器已 不能满足对敏感和严格用电负荷