（电力系统及其自动化专业论文）电压暂降检测及其补偿方法的研究.pdf

a b s t r a c t t h ei m p r o v e m e n to fp o w e rq u a l i t yi np o w e rs y s t e mh a sa t t r a c t e dm o r ea n dn l o r e a t t e n t i o n so f p e o p l ei nt h ef i e l do fs c h o l a r , p o w e ra p a r t m e n t sa n du s e r sb o t hd o m e s t i c a n d a b r o a d v o l t a g es a g sh a sb e e nt h em o s ts e r i o u sp r o b l e mi np o w e rq u a l i t y s o ，t h e e x a c td e t e c t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fv o l t a g es a g sa n df a s tv o l t a g ec o m p e n s a t i o n c a nb r i n gt r e m e n d o u se c o n o m i cb e n e f i t i ti si m p o r t a n tt or e s e a r c ht h es u b j e c ta b o u t v o l t a g es a g s i nt h i sp a p e r ，f i r s t l y , m e t h o d so fd i s t i n g u i s h i n gi n t e r r u p t i o nc o l l l s er e s u l t e di n v o l t a g es a g sa r eg i v e nc o m p e n d i o u s l y t h ef o l l o w i n gc o n t e n ti st h ec o r eo ft h i s p a p e r - - s t u d y i n go i lt h ed e t e c t i o nm e t h o d so fv o l t a g es a g s a b o v ea l l ，t h ep a p e r a n a l y z e dt h em e r i t sa n dd e f a u l t so fa l lk i n d so fp r e s e n tm e t h o d st od e t e c tv o l t a g e s a g s ，a n dc o m p a r e do n ew i t ha n o t h e r t h e n ，a tt h eb a s i so f n e w e s td e t e c t i o nm e t h o d n a m e d 筇t r a n s f o r m a t i o nm e t h o da p p l i e d0 1 1s i n g l ep h a s e ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa l l i m p r o v e dd e t e c t i o nm e t h o do fv o l t a g es a g sc h a r a c t e r i s t i c sw h i c hu s e sd i f f e r e n t i a l c o e f f i c i e n ti n s t e a do fp h a s ed e l a yt h a ti se m p l o y e di n 础t r a n s f o r mm e t h o df o rt h e v o l t a g es a g sd e t e c t i o n t h ei m p r o v e dm e t h o da c h i e v e sf a s ta n da c c u r a t ed e t e c t i o no f v o l t a g es a g sc h a r a c t e r i s t i c s , w h i c hn o to n l ya c c e l e r a t e st h ed e t e c t i o ns p e e d ，b u ta l s o o v e r c o m e ss h o r t - t i m ed i s t u r b a n c ea p p e a r i n gi nt h ed e t e c t i o nw a v e f o r mc a u s e db y p h a s ed e l a yi n 础t r a n s f o r mm e t h o d s o ，t h ei m p r o v e dm e t h o dp r e s e n t e di n t h i s p a p e re r h a n c e st h ed e t e c t i o na c c u r a c ya n ds p e e dw h i c hi sv e r yu s e f u lf o rt h e f o l l o w i n gc o m p e n s a t i o nd e v i c e ( d v r ) t h es i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t yo f t h em e t h o dp r o p o s e df o rd v r i nt h i sp a p e r , t h em o s ts e r i o u sp o w e rq u a l i t yp r o b l e m - v o l t a g es a g s i si n t r o d u c e d c o m p r e h e n s i v e l y ， f o r mi t sc o n c e p t i o n ，c o u r s e sa n dr e s u l t st o d i s t i n g u i s h i n gi t s i n t e r r u p t i o nc o u r s e s ，d e t e c t i n gi t sc h a r a c t e r i s t i c s ，s t u d y i n go ni t sc o m p e n s a t i o n m e t h o d sa n di n t r o d u c i n gt h es t r u c t u r e so fi t sc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t i tc a np r o v i d e t h ep r o f o u n db a s i sf o r 也ef u t u r er e s e a r c ho nt h i ss u b j e c t k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，v o l t a g es a g s ，叩t r a n s f o r m a t i o n ，c o m p e n s a t i o n m e t h o d ，d y n a m i cv o l t a g es a g s ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 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，也不包含为获得墨凄盘茎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。 学位论文作者签名：齑玉器 签字日期：州年2 月礴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘茎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) 学位论文作者签名：自如茹 签字日期：加啊f 年二月仍日 导师签名： 旅兵巡 签字日期：加口厂年2 月二牙日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的意义和现状 1 1 1 电能质量的概述、定义及分类 由于供电电源的电能质量下降而影响电气设备正常工作的问题，早在电力供 应一开始就引起了供用电双方的关注。人们首先把电力系统运行中电压和频率偏 离标称值的多少作为检验电能质量的主要指标。之后，随着工业规模的扩大和科 学技术的发展，国民经济各部门的用电量不断增加，电气化程度越来越高，新工 艺、新技术广泛应用于工业生产和人民生活的各个方面，越来越多的用户采用了 性能好，效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备，因此，电力用户对电能质 量的要求在不断提高。与此同时，许多新型的电气设备在其运行中会向电力系统 注入各种电磁干扰，对电力系统的安全运行和用户设备的正常工作造成的危害和 影响不断增加，电能质量问题日益突出，引起了供电部门和广大电力用户的普遍 重视。劣质电能引发电网大面积停电，造成用户生产力下降，其社会影响和经济 损失是相当严重的。据国际会议报告介绍，在美国每年由于电能质量下降所引起 的经济损失高达数百亿美元。电力系统运行和工业生产过程对电能质量的要求在 逐步扩大和深化，提高电能质量已经成为保证供用电系统安全稳定运行的基本要 求。 在现代电力系统中，电能质量这一术语涵盖着多种电磁干扰现象。国际电气 电子工程师协会( i e e e ) 标准化协调委员会已正式通过采用“p o w e rq u a l i t y ( 电能 质量) 术语的决定。 电能质量从普遍意义上讲，是指优质供电。其具体定义可以为：导致用电设 备故障或不正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏 差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与 短时间中断以及供电连续性等。 电能质量问题主要可分稳态和暂态两大类1 1 - 2 ，其性质、特征指标、产生原 因、后果及解决方法归纳于表1 1 【3 】。 第一章绪论 表i - i电能质量问题一览表 类型 扰动性质特征指标， 产生原因后果 解决方法 谐波频谱电非线性负载、设备过热、继有源、无源滤 谐波稳态压、电流波形固态开关负电保护误动、波 载设备绝缘破 坏 设备过热、继静止无功补 三相不对称稳态不平衡因子不对称负载电保护误动、偿 通信干扰 持续时间、幅计时器计时电容器、隔离 陷波稳态值调速驱动器错误，通信干电感器 扰 电压波动与波动幅值、出电弧炉、电机伺服电机运 静止无功补 闪变稳态现频率、调制启动行不正常偿 频率 波形、峰值，线路、负载、设备绝缘破滤波器、隔离 谐振暂态暂态持续时间电容器组的坏、损坏电力变压器、避雷 投切电子设备器 脉冲暂态上升时间、峰闪电电击线设备绝缘破 暂态值、持续时间路、感性电路 坏 避雷器 开合 瞬时电压上幅值、持续时远端发生故设备停运、敏不问断电源、 升和下降暂态闻、相位跳变障、电机启动感负载不能动态电压恢 正常运行 复器 不正常接地、微处理器控正确接地、滤 噪声稳态暂态幅值、频谱固态开关负制设备不正波器 载常运行 1 1 2 电压暂降问题的重要性、研究意义及研究现状 前已述及，电能质量问题主要有稳态和暂态两大类。以前，由于谐波电压和 频率波动等稳态电能质量问题引发的事故不断给系统的安全运行带来了巨大的 隐患和影响，因而，国内外的电力工作者对此已经有了足够的重视。 第一章绪论 随着现代电力工业的快速发展和系统中用电负荷结构的重大变化，暂态电能 质量问题引发的事故越来越多，它有可能引起计算机系统紊乱( 若电压幅值下降 大于1 0 ，持续时间超过0 i s ) 、调速设备跳闸f 若电压幅值下降大于1 5 ，持续时 间为半个工频周期) 以及机电设备误动作等，从而导致较大的工业损失和人身事 故! 在现代工业生产中，电压暂降将引起厂家的产品质量下降，甚至导致全厂生 产过程中断，从而造成巨大的经济损失 4 - 7 。据统计，在欧洲和美国，电力部门 和用户对电压暂降的关注程度比对其他有关电能质量问题的关注程度强得多。这 其中一个重要因素是，在电能质量的诸多原因中，由电压暂降引起的用户投诉占 整个电能质量问题投诉数量的8 0 以上，而由谐波、开关操作过电压等引起的电 能质量问题投诉数量所占不到2 0 【引。电压暂降问题由于其发生的可能性远大于 电压中断，即使几百k m 以外的故障也有可能引起本地的电压暂降，因此在工业 化国家电压暂降已上升为最重要的电能质量问题之一，在国际上受到特别关注 9 - 1 1 1 电压暂降问题存在已久，但是真正对其有认识，也就是近几年的事情，因此 到目前为止还没有统一的国际标准，其相关标准主要有：国际电气与电子工程师 协会1 3 4 6 标准( i e e es t d1 3 4 6 1 9 9 8 ) 和欧洲的e n 5 0 1 6 0 标准等。我国至今还无相 关标准【12 1 。 1 2 电压暂降的定义、起因及危害 电压暂降，又可称为电压跌落，电压骤降( s a g s ，又可称d i p s ) 是指在某一时 刻电压的幅值突然偏离正常工作范围，经很短的一段时间后又恢复到正常状态的 现象【l3 1 。目前，多数文献都用跌落的幅值和持续时间来作为描述电压跌落的特征 量，但对幅值大小和持续时间的界定范围还未形成统一的标准。例如，在i e e e 电能质量标准中对电压跌落特征量的界定范围是幅值标么值在0 1 加9 之间，持 续时间为o 5 3 0 个周期；而i e c 标准则用跌落前后电压的差值与正常电压的百 分比来描述电压跌落的深度，持续时间限定为半个周期至几十秒【13 1 。此外，有的 文献把电压相位偏移角和发生频率也作为描述电压跌落的特征量【1 4 1 。 当输配电系统中发生短路故障、感应电动机启动、雷击、开关操作、变压器 以及电容器组的投切等事件时，均可引起电压暂降。其中，雷击、短路故障和感 第一章绪论 应电动机启动是引起电压暂降的主要原因。 恶劣的天气条件是引起电压跌落的最主要的原因。统计表明，在某些地区， 高达6 0 以上的e g 玉, 跌落都和恶劣的天气( 如雷击，暴风两) 有关【1 5 d 司。雷击引起 的绝缘子闪络和线路对地放电是造成系统电压跌落的主要原因。由于电力系统中 的大多数设备是暴露在露天的，在雨季或多雷地区，暴露在露天的运行设备很容 易受到雷电干扰。因雷击引起的电压跌落约占总数的6 0 左右，并且持续时间超 过5 个周期【1 6 1 。 系统故障，尤其是系统单相对地故障是造成电压跌落的另一个重要原因【1 刀。 目前配电系统中的线路主保护一般是分段式电流保护，该保护最大的缺陷就是在 线路故障时不能做到无延时地切除故障。即使是无延时保护，其固有动作时间也 要3 至1 j 6 个周期，因此在故障期间，线路上的敏感负荷将被迫退出工作。如线路上 装有重合闸装置时，由此引起的电压跌落次数将成倍增加。故障引起的电压跌落 的幅值大部分都在3 0 额定值以下【1 6 1 。当电力系统输电线路发生故障时，该线路 上甚至几百米开外的电力用户依然会受到影响，其正常工作状态受到干扰。此外， 一些大负荷( 如大电机、炼钢电弧炉等) 突然启动时伴随的电流严重畸变现象也会 导致该负荷所连接的母线电压发生跌落【用。 电压暂降虽持续时间短，但严重干扰了许多现代化设备的正常工作，文【1 8 】 提供的详细统计结果表明，电压暂降给电力设备带来了不良影响。文【1 9 。明中所述 的对电压暂降敏感的设备包括可编程控制器、调速电机、计算机、精密加工机械 等电力电子设备。这些敏感设备已广泛应用于工、商业用户，任一设备的作业中 断都将导致整个流水线、甚至全厂作业的中断，造成巨大的经济损失。据介绍， 由于次电压暂降而使某生产线重新启动需花费5 0 0 0 0 美元；某玻璃制品厂工频 5 周波的电压中断，造成损失约2 0 0 0 0 0 美元；某计算机中心2 s 的供电中断引起 了约6 0 0 0 0 0 美元的损失。对某一用户来说，一次电压暂降带来的危害可能不如 一次中断带来的危害大，但由于暂降发生次数较为频繁，所以从总体上看，暂将 所带来的损失是巨大的。 1 3 本文的主要工作 电压暂降是最严重的电能质量问题之一，补偿电压暂降能够带来巨大的经济 第一章绪论 效益，而实现电压暂降特征量的快速、准确检测是电压暂降补偿的前提。本文对 现有的电压暂降特征量检测方法进行了全面的研究后，提出一种改进的电压暂降 检测方法。该方法利用求导来代替叩变换方法中的相位延迟算法，不但克服了 叩变换方法中相位延迟算法所造成的短时扰动现象，提高了检测精度，而且还 明显加快了检测速度，提高了算法的实时性，从而实现了电压暂降特征量的快速、 准确检测，为后续的d v r 补偿装置铺平了道路。 本文的具体工作归纳如下： 第一：用小波变换实现了电压暂降干扰源的辨识。 第m - - ：研究了目前已有的电压暂降检测方法，比较了各自的优缺点。提出了 一种改进的电压暂降检测方法，并进行了m a t l a b 仿真分析，结果证实了该方法 的有效性。 第三：对电压暂降补偿装置的串联侧补偿策略进行来了详细的研究，分析了 各自的优缺点和使用范围。 第四：对本课题发展的前景和所需要解决的问题作出了展望。 第二章电压暂降干扰源的辨识 第二章电压暂降干扰源的辨识 在上一章中提到输配电线路故障、变压器投运、感应电动机启动以及其它启 动电流较大的大型负荷接入电力系统时均会引起一定范围的电压暂降。随着微电 子电力电子和自动化技术的发展，过程控制器、可编程逻辑器件和调速驱动器等 设备使用范围也越来越广，它们对电压暂降越来越敏感，因此对于工业电力用户 来说，电压暂降已经逐渐成为最主要电能质量问题。另外，电压暂降会导致企业 生产率和产品质量下降，制造成本增加，阻碍企业正常的生产计划。文【2 1 彩1 中对 几家大型敏感工业用户调查结果表明：电压暂降会影响各种电子监控设备的正常 工作，导致其控制的其它设备失控，从而造成严重的经济损失。同时，对各电力 部门来说，由电压暂降引发的客户抱怨以及经济纠纷增多阱】，会影响其在电力市 场环境下的竞争力。 电压暂降问题的解决需要电力部门和用户的通力合作，同时也须得到设备供 应商和标准化组织的支群2 5 1 。从目前采用的电压暂降的治理措施【2 1 缁2 6 1 来看， 主要从干扰源消除、电压暂降传播途径的抑制以及提高用电设备的工作电压范围 3 个方面进行综合考虑。由于各种治理措施的效果和成本不同，因此，考虑治理 措施时必须结合待治理区域的电压暂降综合指标。 电压暂降的干扰源辨识是指根据检测到的电压暂降数据特征识别其产生原 因，它是消除干扰源的前提。另外，准确的干扰源辨识还有助于评估区域配电系 统和选择合理的治理措施，以及作为电力市场环境下供电部门、用户和设备供应 商之间协调纠纷的重要依据。 2 1 电压哲降干扰源的分析 2 1 1 电压暂降的仿真系统模型 引起电压暂降的根本原因是线路故障或大型感性负荷启动引起短时线路电 流突然增大几倍甚至几十倍的额定电流【圈，导致邻近变压器电压和公共联接点 - 6 第二章电压暂降干扰源的辨识 口c c ) 电压，甚至发电机端电压短时下降。电压暂降的发生是随机的，监测点附 近的电动机启动、线路故障均能引起电压暂降，几百公里远的输电线路故障也能 引起电压暂降。 图2 1 给出了一种电压暂降仿真系统结构图。这是一个包含1 1 0 k v 输电、1 0 k v 配电和0 4 k v 用电系统的辐射型系统。图中，变压器t 1 、t 2 采用y n y 型，t 3 、 t 4 采用y y 型接线方式，考虑了变压器的铁心饱和特性；线路上，1 、f 2 表示故障 点( f p ) ，m 1 、 抖是测量点( m p ) ，k i k 5 表示三相开关；负载端的蹦。、幢b 表 示感应电动机。仿真系统的采样频率为1 0 0 0 h z ，因为电压信号本身的特征不明 显，且为了减少谐波干扰，所以，文中给出的电压暂降波形仿真结果都是经过 滤波后的基波有效值。 图2 - 1 配电网电压暂降仿真的系统结构图 2 1 2 线路故障引起的电压暂降 线路故障是引起系统中电压暂降的主要原因，它通常由雷电、大风、雨雪等 天气因素造成，动物或树枝搭接线路、绝缘差、工程运输活动等也会引起线路故 障。故障类型可分为单相、两相、三相接地和两相、三相短路，不同的故障类型 会导致不同的三相电压暂降。检测点的电压暂降幅值不但受故障类型的影响，而 且也受到变压器接线方式、故障点位置、故障阻抗大小的影响【加。 配电网或工厂内部发生的故障一般只在本条支路及邻近支路产生电压暂降， 而发生在输电线路上的故障则会引起较大范围的电压暂降。暂降电压波形中的陡 降处对应故障的发生，而回升电压对应故障自消除或被保护装置切除，因此，故 障引起电压暂降的持续时间基本和保护装置发现并清除故障时间一致。 由于故障转换、电动机负荷、重合闸等因素的影响，故障引起的暂降波形还 第二章电压暂降干扰源的辨识 会呈现以下几种特征： ( 1 ) 故障转换和保护装置动作不同步导致多级电压暂降。图2 - 2 是单相接地故 障转换为两相接地故障的多级电压暂降及相角变化的仿真结果，在t l 时刻f l 处发 生a 相接地故障，纪时刻故障转换为a 、b 两相接地故障，f 3 时刻故障被清除。 从图2 - 2 中的相角变化也可以看出两相接地故障会引起相角剧变。图5 ( a ) 是断路器 相继动作引起的故障相多级暂降电压波形，f 2 发生短路故障后，k 4 和k 5 需要同 时开断以切除故障线路，然而实际上k 4 和k 5 的开断往往并不同步，k 4 先开断， 改变了原系统结构，故障阻抗变大，因此暂降电压在f 2 时刻有所回升，直到k 5 也开断，清除整条故障线路。 ( 2 ) 电动机的转子惯性和再启动将导致暂降波形开始和恢复发生畸变。电压 暂降发生时，由于转子惯性，电动机工作于发电机状态，因此暂降电压不会立即 降到最小；当故障切除时供电电压恢复，电动机开始加速或重新启动，这时，暂 降电压恢复波形会再有一个小的衰减后再恢复。 ( 3 ) 故障后重合闸操作会引起连续几个电压暂降的发生，文口习中已经分析了 多次电压暂降现象，并建议实际检测中应把重合闸引起的多次电压暂降看作一次 电压暂降进行处理。 翟 囊 o o0 2o 4o 6o 8 如 o o0 20 4 0 6 o g 妇 图2 - 2 转换故障引起的电压暂降( 故障点在f 1 ，监测点在m 1 ) 由上述分析可得故障引起的暂降电压波形的典型特征为：电压暂降发生和恢 复波形陡；故障期间可有多级电压暂降；突变信号间的电压幅值基本不变；不同 的故障类型会引起不同的三相电压电压暂降程度和相角变化。此外故障时线路电 流陡增，随后设备保护动作，这样的设备故障所引起的暂降电压波形也和线路故 第二章电压暂降干扰源的辨识 障引起的电压暂降波形相似。 2 1 3 变压器投运引起的电压暂降 变压器在投运时，由于铁心饱和特性，会在送电端产生数倍于额定电流的涌 流，其大小和变压器投运时正弦电压的初相角及铁心剩磁有关。初相角为0 。时产 生最大的涌流，此时电压暂降程度也最深：相角为9 0 0 时，则不会产生涌流。由 于变压器投运时三相的初相角始终互差1 2 0 0 ，因此，变压器投运引起的电压暂降 总是三相不平衡。线圈铜损导致暂降电压的恢复是个逐渐过程，小型变压器的电 阻较大，电抗较小，约几个周期就达到稳态；而大型变压器由于电阻较小，电抗 较大，因此一般需要几十个周期才能达到稳态嘲。 图2 3 给出了图2 1 中变压器t 2 投运时在监测点m 1 处测得的电压暂降波形，从 图中可以看出三相电压暂降程度是不同的，变压器投运前后系统电压有轻微跌 落。基于上述分析可以得到变压器投运引起的暂降电压波形特征：三相电压暂降 程度不同；暂降电压逐渐恢复，无突变；暂降电压波形中含有高次谐波。 o 且n 20 4o 6雌缅i 图2 3 变压器投运引起的电压暂降( t 2 投运，在3 1 检测) 2 1 4 三相感应电机启动引起的电压暂降 感应电动机是电网中的重要负荷，它在启动时会引起附近区域的电压暂降。 感应电动机启动时，初始转子转速为0 ，定子上产生很大的启动电流，启动电流 大小取决于电动机的类型和启动方式，一般是正常工作电流的2 8 倍【2 8 】。启动电 流大是引起电压暂降的根本原因，但它并不是电压暂降程度的决定因素。电动机 启动容量和上级变压器的剩余容量以及局部电网容量共同决定了电压暂降程度， 如果电动机启动容量接近上级变压器剩余容量，则会引起较大的电压暂降，并对 其它用电负荷造成影响，否则电压暂降程度轻微。 第二章电压暂降干扰源的辨识 仿真分析证明转子初始转角对电压暂降程度没有影响，且电动机是三相对称 负荷，因此，三相感应电动机启动时引起的三相电压暂降波形相同。线圈铜损和 转子转速逐渐升高，引起启动电流逐渐衰减，因此，暂降电压恢复过程是缓慢的。 图2 _ 4 给出了三相感应电动机i m a 启动时在监测点m 1 引起的电压暂降波形， 从图中可以得到感应电动机启动引起的电压暂降波形特征：三相电压暂降相同； 电压暂降达谷底后立刻恢复；恢复过程是渐变的；相角基本不变。感应电动机启 动所引起的电压暂降程度和持续时间决定于电动机的固有延时和电磁特性及启 动方式和所带的机械负荷大小。三相同步电动机通常采用异步启动法启动，因此 它在启动时也可能产生和感应电动机同样的电压暂降。而直接启动的直流电动机 也可能引起同感应电动机启动时同样的电压暂降。 图2 - 4 感应电动机i m a 启动引起m 1 点的电压暂降 2 2 小波变换及其在电压暂降干扰源辨识中的应用 2 2 1 小波变换的奇异性检测理论 若函数删( 酝) 励在某处间断或某阶导数不连续，则称该函数在此处有奇异 性，若函数触) 在其定义域有无限次导数，则称触) 是光滑的或没有奇异性。信号 奇异性的位置可以通过小波变换的局部极大值( 即模极大值) 位置来刻画。这是由 于奇异性检测首先是采用平滑函数口0 ) 对信号在不同尺度下进行平滑，然后从一 阶导数检测出原信号的剧变点例，其中平滑函数口必须满足条件 ，- lo ( x ) d x = l ，l i r a ，8 ( 磅= 0 - z _ ， 假定平滑函数可微，定义 y 。= d 8 ，出( 2 1 ) 由平滑函数的条件可知1 ( x ) 是小波函数【2 9 】，于是有 第二章电压暂降干扰源的辨识 孵，= ，旷= ，+ a d o 。( x ) l d x = 础丁叼0 ，缸 f 2 2 、 r 一 式中a 为尺度因子；w ：f ( x ) 为小波变换结果。 式( 2 2 ) 说明可以将小波变换w ：f ( x ) 理解为函数斛在尺度a 上经过平滑后 的一阶导函数，因此，小波变换结果的大小反映信号在相应位置变化率的大小。 若小波变换在某点取得局部极大值( 模极大值) ，则表示信号在该点变化最强烈， 即小波变换的模极大值点与信号的突变点一致。 2 2 2b 样条小波在电压暂降波形特征量提取中的应用 根据2 1 节对电压暂降干扰源的分析，可将电压暂降的干扰源按照电压波形 特征分为3 类：故障类( 包括多级暂降和多次暂降) ，变压器投运类和感应电动机启 动类。无论电压暂降的起因如何，在暂降发生时刻都伴随着电压有效值的突然降 低。之后由于产生的原因不同，电压有效值或者突然恢复，或者逐渐恢复。实际 上电压有效值的突变、缓变过程中往往包含了暂降幅度、起止时刻、持续时间等 信息，因此提取突变、缓变过程的信息对电压暂降具有重要意义。 小波变换的奇异性检测理论说明，信号的小波变换结果反映信号在相应位置 的变化率，小波变换模极大值位置与信号突变点位置一致；模极大值大小反映信 号突变量大小；模极大值符号表示信号突变方向。因此利用小波变换的奇异性检 测理论可以准确地提取暂降电压信号的突变、缓变过程中包含的各种信息。研究 表明【2 9 1 ，b 样条二进小波变换是实现信号奇异性检测的有效工具，已经在电力系 统的故障信号分析、超高压行波保护等领域有了成功的应用【3 0 - 3 4 1 。因此，本文采 b 样条二进小波变换进行电压暂降波形的干扰源辨识，如图2 5 所示。 2 2 0 萎2 1 0 0 o瑚1 0 0 0 缸 ( a ) 故障引起的多级暂降电压波形 柏 星0 柏 o，l o 抽m 1 1 第二章电压暂降干扰源的辨识 4 0 葛0 童舶 薹。 枷 c o ) 第4 尺度小波变换结果 ( c ) 模极大值结果 o5 1 0 0 t l m l ( d ) 1 0 消噪后的模极大值结果 图2 - 5 断路器( k 4 ，k 5 ) 相继动作引起的电压暂降的b 样条小波变换结果( 第4 尺度) 图2 5 ( a ) 是尼发生单相接地故障i e ik 4 和k 5 断路器相继动作引起的故障相多 级暂降电压波形。图2 5 ( b ) 是图2 5 ( a ) 波形的第4 尺度小波变换结果。图2 - 5 ( c ) 是相 应的模极大值结果，图2 5 ( d ) 是1 0 消噪后的模极大值结果。图2 5 ( d ) 中清楚地显 示了故障发生时刻f l ，k 5 动作时n t 2 和k 4 动作时刻乃，电压暂降持续时间巧n 以 及电压暂降程度( n 处模极大值) ，因此，电压暂降波形的第4 尺度的小波变换结果 可以用来提取电压暂降波形特征量，从而达到辨识电压暂降干扰源的目的。 2 3 电压暂降的干扰源辨识 2 3 1b 样条小波在电压暂降波形特征量提取中的应用 故障引起的电压暂降波形和电动机及变压器启动引起的电压暂降波形相比 有以下区别：故障发生和发展时对应电压向下的跳变，故障清除时对应电压向上 的跳变，此外故障期间没有其它的电压跳变；而电动机和变压器引起的电压暂降 的恢复是缓慢的，而且暂降电压到达最低点后就立刻恢复。因此利用小波变换提 取相应电压暂降波形的奇异特征量，就可以区分线路故障引起的电压暂降和多级 电压暂降。 图2 2 和图2 5 ( a ) 分别是由不同原因引起的多级暂降，图2 5 ( d ) 说明多级暂降 经过消噪的小波变换模极大值一般是3 个( 非多级暂降是2 个) ，且前两个模极大值 第二章电压哲降干扰源的辨识 时间间隔大于l o r e s ，因此可以用这两个条件判断出多级暂降。若i m t l m m t 3 1 ，说 明是上阶梯多级暂降，否则是下阶梯多级暂降，同时也辨识出了电压暂降的干扰 源。 妻： 二 ( a ) 电动机启动引起的电压暂降波形 墓三巨e 三| ( b ) 第4 尺度小波变换结果 嚣三4 巨! 三j ( c ) 模极大值结果 鬟三4 臣三三| 0 2 0 04 0 0 ( 3 0 09 t m s ( d ) 1 0 消噪后的模极大值结果 图2 - 6 电动机启动引起电压暂降的b 样条小波分析结果( 第4 尺度) 图2 - 6 是三相感应电机启动引起a 相电压暂降的小波分析结果，图2 - 6 ( d ) 是其1 0 消噪结果。和图2 - 5 相比较可以看出，图2 5 ( d ) 仅有t l ，t 2 和t 3 处3 个 模极大值m t l 、m t 2 和m t 3 ，而且t 2 t l l o m s ，是典型的由故障引起的电压暂降； 而图2 6 ( d ) 中紧挨着t l 处模极大值后还有大小不等、方向不定且幅值较小的模极 大值，所以可以判断它不是故障引起的电压暂降。 2 3 2 电压暂降波形相似性判断 小波分析用于电压暂降波形相似性的辨识主要是用于区分三相感应电动机 启动和变压器投运引起的电压暂降波形。小波变换的模极大值的位置对应奇异 第二章电压暂降干扰源的辨识 点，幅值对应信号跳变程度，符号对应跳变方向，因此可以利用模极大值的位置、 方向和幅值进行电压暂降相似性判断。本文主要利用电压暂降相的第4 尺度小波 变换l o 消噪后的模极大值结果中第一个模极大值( 电压暂降开始) 进行计算，并 得到电压暂降相似度。 计算波形相似度公式为 m f ：m a + m b + m c 。 3 ( 2 3 ) = 睦幽锗划 ， 2 睦铲 ， 式中m ，m b 和m c 是同一位置a ，b ，c 相模极大值幅值；r m 为三相波形相 似度；r 。为两相波形相似度。 如果r 。3 0 ，则认为三相波形是不相似的，若r 3 0 ，则认为三相 波形相似；如果r m2 2 0 ，则认为两相波形是不相似的，若r 。q 0 ，则认 为三相波形相似。例如，图2 7 是电动机引起的三相电压暂降波形及其b 样条小波 交换第四尺度模极大值结果。根据三相第一个模极大值( 位置相同) ：m = - 5 9 ， m b = - 6 0 ，m c = - 7 ，可一口一柚v 0 ，r 柚 3 0 ，因此可以认为三相电压暂降是不相似的。 由此得出结论：首先做出电压暂降的小波分析模极大值结果( 第4 尺度) ，判 断出是否属于故障引起的电压暂降，如果不是，再计算出r 。，从而判断出三 相电压暂降的相似性。如果相似，电压暂降就是由电动机启动引起的；否则，就 是由变压器投运引起的。从而实现了辨识干扰源的目的。 2 3 3 小波变换用于电压暂降干扰源辨识的讨论 由于输电线路结构和参数的不同，配电线路的负荷复杂性会导致各种典型电 压暂降波形发生变化，如叠加谐波。电动机负荷也会对故障引起的电压暂降波形 - 1 5 - 第二章电压暂降干扰源的辨识 产生影响，因此在分析时必须要消除这些因素的影响。 对小波变换的模极大值结果进行消噪，可以达到消除干扰，提高辨识准确性 的目的。从图2 5 和图2 6 的分析结果可以看出，较小的干扰性奇异点被消去，而 真正体现波形特征的奇异点被保留，因此对小波变换模极大值进行消噪，可以提 高干扰源辨识的可靠性。消噪门槛值可以取最大模极大值的8 1 5 ，本文计算 中取1 0 作为消噪门槛值。如果门槛值太小，干扰性的模极大值将被保留，故障 引起的电压暂降可能会被误判断为其它干扰源引起的；门槛值太大，体现波形特 征的模极大值可能会丢失，影响辨识可靠性。 用直接比较电压基波幅值变化的辨识方法在一定程度上可以实现电压暂降 源快速辨识，如利用三相幅值最大降落的不对称性可区分涌流和电动机启动，利 用幅值从最低值到恢复的时间长短可辨识故障干扰。与直接比较法相比，基于小 波变换的辨识方法在以下几个方面具有优势： ( 1 ) 从根本上讲，直接比较法是基于信号的奇异性特征的，如用三相电压判 断对称性，则必须要取电压暂降发生时刻的幅值，即电压暂降的第一个奇异点对 应的幅值，而非最小降幅；用恢复速度区分故障引起的电压暂降，也是利用了信 号的缓变和突变信息。而小波变换正是奇异性信号时频分析的有力数学工具； ( 2 ) 直接比较法的抗干扰能力和扩展能力要弱于基于小波变换的辨识方法。 干扰信号的存在将降低这种方法的辨识准确性，而小波变换本身的消噪特性和消 噪门槛值可调，则可保证辨识结果不受干扰信号的影响。此外，故障引起的电压 多级暂降( 图2 5 所示) 和电压复合暂降也较难用直接比较法来区分； ( 3 ) 若要获得较高的识别率，直接比较法的实现更为复杂。因为虽然该方法 看似简单，但其中模糊概念较多，需要的经验判断也多，如同一时刻的三相幅值 对称性、恢复速度等都是比较模糊的概念。而小波变换能对信号进行准确的数学 描述，用数据表达信号特征，便于实现判据； ( 4 ) 从整个电压暂降的检测分析体系来说，b 样条小波变换既可用于电压暂 降信号的检测和特征提取，又可用于干扰源辨识和数据压缩，因此具有较强的系 统性和实用性；而且在工程应用中，对干扰源辨识的准确性要求要高于快速性( 实 时性1 。 第二章电压暂降干扰源的辨识 2 4 结论 本章对故障引起的电压暂降和多级电压暂降，变压器投运和三相感应电动机 启动引起的电压暂降原理进行了分析，结果表明上述干扰源引起的暂降波形奇异 性特征是不同的，根据这些特征可以进行干扰源辨识。据此，本章提出根据电压 暂降的电压波形特征将干扰源分为故障类( 电压多级暂降和多次电压暂降) 、变压 器投运类和感应电动机启动类。b 样条小波变换的多分辨分析和奇异性检测理 论，在本章中被用于电压暂降波形的奇异性特征提取，辨识电压暂降干扰源。仿 真试验结果表明，这种干扰源辨识方法抗干扰能力强，扩展性好，能准确地辨 识电压暂降干扰源。 第三章电压暂降检测方法的研究 第三章电压暂降检测方法的研究 在第一章中我们了解到电压暂降是最严重的电能质量问题之一，补偿电压暂 降能够带来巨大的经济效益，而实现电压暂降特征量的快速、准确检测是电压暂 降补偿的前提。同时，第二章中提到检测电压暂降也是对电压暂降干扰源进行辨 识的前提。本章对现有的电压暂降特征量检测方法进行了全面的研究后，提出一 种改进的电压暂降检测方法。该方法利用求导来代替筇变换方法中的相位延迟 算法，不但克服了叩变换方法中相位延迟算法所造成的短时扰动现象，提高了 检测精度，而且还明显加快了检测速度，提高了算法的实时性，从而实现了电压 暂降特征量的快速、准确检测。仿真结果表明了该方法的有效性，可望用于d v r 补偿装置。 3 1 现有检测方法概述 供电电压暂降是由系统短路故障、过负荷和大型电机启动引起的电压有效值 短时快速下降。近十几年，工业、商业和民用负荷中复杂电子设备得到了广泛应 用，电压暂降给高技术含量的用电设备带来的严重影响与危害表现得十分突出 3 5 - 3 q 。目前在工业化国家，电压暂降已经上升为最重要的电能质量问题。故研究 和解决电压暂降的质量问题是全局性的，而对电压暂降幅值( 或称暂降深度) 、持 续时间、相位跳变及发生频次等的实时检测就是首先要研究的重要课题。 实际电网运行中电压暂降多数是由突发的短路电流引起的，从解决电压质量 的实际需求考虑，通过计算暂降幅值、持续时间和可能相伴出现的相位跳变反映 其影响程度，利用记录的电压暂降幅值、持续时间和发生频次的三维分布图描述 其统计规律。下面首先介绍电压暂降特征量的基本检测算法。 第三章电压暂降检测方法的研究 3 1 1 有效值计算方法1 3 9 】 可以用多种方法确定电压暂降的幅值大小。其中最常用的是通过计算电压有 效值获得暂降幅值。根据连续周期信号有效值的定义，电压有效值可利用时间域 一个周期数字均方根运算得到： u = ( 3 - 1 ) 式中n 为每周期的采样数，u ；为时间域被采样电压。为了实时检测电压有效值的 骤然变化，实际中常采用一个周期数据序列的滑动平均计算 u ( k ) = ( 3 - 2 ) 即当采集到新的信号样本点时，顺序将最早采集的样本点去除，然后再用1 个周 期的滑动采样值计算电压暂降有效值。在电压暂降实时测量中，计算速度的快慢 非常重要。在检测算法上加速测量过程，一种实用的简便办法是取半个周期的采 样数据量进行滑动平均处理。须注意，此方法只能取半个周期整数倍的采样数据， 否则将受到频移振荡分量影响。这种算法虽然能有效计算暂降幅值，但由于滑动 平均值法使用1 个周期的“历史”数据，因此算法实时性较差，不能用做实时补偿 装置的检测算法，同时，算法也不能很明确地给出电压暂降的起止时间，也无法 检测伴随出现的相位跳变，需要寻求新的解决办法p ”。 3 1 2 峰值电压法 峰值电压是时间r 的函数，可用下式计算： u ，= m a x i u ( t f ) i 式d p u ( t ) 是采样电压波形，t 为半个周期的整数倍。 3 1 3 基波分量法 以时间为函数的基波电压可由下式求得： ( 3 3 ) 第三章电压暂降检测方法的研究 u f ( t ) 2 景ju ( f ) e 蝴7 d f ( s - 4 ) 一t 式中_ 2 石t ，t 是基波周期。 电压的基波分量可利用f f t 进行计算，其变化特性与整周期有效值计算结果 非常相似。若要快速得到电压的变化，则可根据对称性利用半个周期的电压采样 值虚构一个周期的数据序列进行傅氏变换，从而得到基波电压。从半个周期数据 获取基波分量的方法显然要求电压对称，否则将使计算结果产生误差。 但是，虽然上述两种方法能够检测电压暂降的幅值，仍然无法检测持续时间 和相位跳变，因此，它们属于单一特征值检测法，需要与其他方法结合起来才能 实现电压暂降特征量的全面检测。 为此，提出以下能同时检测电压暂降幅值和相位跳变的检测算法。 3 1 4 单相电压变换平均值法 假设电压信号为 u ( t ) = x c o s ( c a o t ) 一y s i n ( a 3 0 t ) ( 3 - 5 ) 式中为基波角频率。 设s i n w o t 和c o s w o t 是与暂降前电压同相位的正、余弦信号，则可得： u d ( t ) = 2 u ( t ) s i n ( 国0 t )( 3 6 ) u 。( t ) = 2 u ( t ) c o s ( c o o t ) ( 3 - 7 ) 还可写成 u d ( t ) = 一y + y c o s ( 2 w o t ) + s i n ( 2 c o o t )( 3 - 8 ) u 日( t ) = x + x e o s ( 2 c o o t ) 一y s i n ( 2 c o o t ) ( 3 - 9 ) 对以上2 个新信号取基波频率半个周期( 或基波整数倍) 的平均值，则可由u 。和u 。 的平均值求出y 和x ，从而得到暂降幅值为( x 2 + y 2 ) 2 ，相位跳变为a r c t a n ( y x ) 。 单相电压交换平均值法虽然能同时检测出暂降幅值和相位跳变，