（电力电子与电力传动专业论文）电压暂降源的识别和暂降检测算法研究.pdf

i i ii i ii i iii iii i i iii ii y 1 7 9 6 912 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电压暂降源的识别和暂降检测算法研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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：翌童 日期：竺! ! ：! ：! ? 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论文的原件与复印件；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体上发表、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：址导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 摘要 随着用电技术的日益发展，各种敏感设备的大规模应用，电压暂降带来的 危害越来越多的引起人们的关注。本文分析研究了各种电压暂降源引起的不同 暂降现象，基于不同数据提出了针对电压有效值和电压瞬时值的不同暂降源识 别方法。有效值方法能够在监测仪器无法提供瞬时值的情况下进行准确判断， 已在某电能质量监测系统中实现。基于瞬时值的识别方法利用模糊推理对电压暂 降源进行识别，克服了以往方法中由于单一的阈值造成的误差，仿真验证了方 法的有效性。同时本文针对电压暂降检测方法进行了改进，提出利用p q ，变换 理论结合数学形态滤波对电压暂降数据进行分析处理，能够快速准确的提取电 压中的基波信号，得到相应的暂降幅值和相位跳变，将所提出方法与已有方法进 行比较，结果证明了所提方法的快速性和可靠性，是d v r 检测的一种实用方法。 关键词：电压暂降识别，模糊推理，检测，p g _ ，变换，数学形态滤波 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c i t ya n dl a r g e s c a l ea p p l i c a t i o n so fd i f f e r e n tk i n d so f s e n s i t i v ee q u i p m e n t s ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nt h ei m p a c to fv o l t a g es a g s d i f f e r e n tp h e n o m e n o n so f v o l t a g es a g sc a u s e db yd i f f e r e n ts a gs o u r c e sa r ea n a l y z e da n d t w om e t h o d so fv o l t a g es a gd i s t u r b a n c er e c o g n i t i o nb a s e do nr m sv a l u e sa n dm a m d a n i f u z z yi n f e r e n c ei si n t r o d u c e ds e p a r a t e l yi nt h i sp a p e r t h er e s u l t sc a nb eg o t t e nu s i n gt h e m e t h o db a s e do nr m sv a l u e sw h e nt h ei n s t a n t a n e o u sv a l u e so fv o l t a g ec a nn o tb eg i v e nb y t h em o n i t o r , a n dt h em a m d a n if u z z ym e t h o do v e r c o m e st h el i m i t a t i o no ft h es i n g l et h r e s h o l d u s i n gt h ei n s t a n t a n e o u sv a l u e so fv o l t a g e t h ec o r r e c t i o n so ft h e s et w om e t h o d sa r ep r o v e db y s o m es i m u l a t i o n st a k e ni nt h ep a p e r a tt h es a m et i m e , av o l t a g es a gd e t e c t i o nm e t h o ds u i t a b l ef o rd v rb a s e do np - q - r t h e o r ya n dm o r p h o l o g i c a lf i l t e ri si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e r ei sn op l l i nt h em e t h o d , s o t h ed e l a ya n de r r o rc a nb er e d u c e d b e c a u s et h e r ea r em a l r a ys o m eb o o l e a no p e r a t i o n sa n da f e wm a i no rs u b t r a c ti nt h em o r p h o l o g i c a lf i l t e r , c o m p a r i n gw i t ht h en o r m a ll o w - p a s sf i l t e r s ， t h ec o m p u t a t i o na n dt h et i m ed e l a ya r es i m p l ea n ds h o r t t h es i m u l a t i o n sp r o v et h er a p i d i t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h i sm e t h o d d i n gn i n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e s ) d i r e c t e db yp r o f x uy o n g h a i k e yw o r d s ：v o l t a g es a gd i s t u r b a n c er e c o g n i t i o n ，f u z z yi n f e r e n c e ，d e t e c t i o n ，p q - r t r a n s f c l r m a t i o n ，m o r p h o l o g i c a lf i l t e r 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 国内外的研究现状2 1 3 本文开展的主要工作内容4 第二章电压暂降源特征分析及提取。5 2 1 电压暂降的起因5 2 2 不同暂降源引起的暂降现象分析5 2 2 1 故障引起的电压暂降5 2 2 2 变压器投运引起的电压暂降7 2 2 3 感应电动机启动引起的电压暂降8 2 3 小结9 第三章基于有效值和瞬时值的两种电压暂降源识别方法1 1 3 1 基于有效值方法的电压暂降源识别1 l 3 1 - 1 基于有效值的识别过程1 1 3 1 2 基于有效值方法的流程图1 2 3 1 3 仿真结果1 3 3 1 4 仿真分析1 4 3 1 5 捕捉波形仿真分析1 5 3 2 基于m a m d a n i 型模糊推理的电压暂降源识别1 7 3 2 1m a m d a n i 型模糊推理基本原理1 7 3 2 2 基于模糊推理的电压暂降源识别1 9 3 2 3 识别算例分析2 3 3 3 小结2 5 第四章基于p 1 - 厂变换结合数学形态滤波的电压暂降检测算法2 6 4 1 传统检测算法分析2 6 4 1 1 幅值检测2 6 4 1 2 同时检测电压暂降幅值与相位跳变2 8 4 2p 1 _ r 变换结合数学形态滤波的电压暂降检测算法3 5 4 2 1p 1 - ，理论介绍3 5 4 2 2 参考电压的获得3 8 华北电力大学硕士学位论文 4 2 3 数学形态滤波器理论介绍3 9 4 2 4 暂降检测中结构元素参数的确定4 1 4 2 5p 1 - ，变换结合数学形态滤波器检测算法流程图4 1 4 3 改进方法与传统方法比较4 2 4 3 1 电压暂降过程中无谐波成分4 2 4 3 2 电压暂降过程伴随谐波产生4 4 4 3 3 电压暂升的检测4 7 4 4 小结4 8 第五章结论与展望5 0 参考文献5 2 致 射5 5 在学期间发表的学术论文5 6 作者在攻读硕士期间参与的项目5 7 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 电能作为二种走进市场的商品，也和其他商品一样，需要讲求质量。随着科学 技术的进步，越来越多的高科技产品走入人们的生活，对电能质量的要求也越来越 高，是否能够提供高质量的电能是电力部门需要面临的重要问题之一n 1 。公用电网 的理想状态是以恒定频率、正弦波形及规定的电压水平对用户进行供电。在三相交 流系统中，三相的电压和电流的幅值应大小相等、相位对称并互差1 2 0 。但系统中 运行的发电机、变压器、电力线路等设备不同程度的存在非线性或不对称性，并且 因为调控手段不尽完善，运行操作、外来干扰、故障和各种不可预见的原因等随时 可能发生，理想的状态并不存在，由此带来了电网运行及供用电环节中的各种问题， 即电能质量问题。 一 现代电力工业快速发展，使得动态电能质量问题引发的事故增多，如计算机系 统紊乱、调速设备跳闸及机电设备误动作等，从而导致重大人身伤亡和经济财产损 失。而动态电能质量问题中，电压暂降引发的问题居所有问题之首。严重的电压暂 降，将使用电设备停止工作，或引起所生产产品质量下降。而电压暂降影响的严重 性则随用电设备的特性而异。一般而言，工业过程设备对电压暂降特别敏感，因为 设备内任何一个元件由于电源出现问题都会使整个流程停止运转。这些工业过程涉 及汽车、半导体、太阳能光伏、钢铁、塑料、石化、纺织、光纤、饮料乳业、移动 通信等领域，常受电压暂降影响的重要设备有冷却装置控制、数控机床、加工中心、 直流电机驱动、可编程逻辑控制器( p l c ) 、机械装置、可调速驱动装置等。 电压暂降并不是一个新问题，但由于以往的大部分设备对短时的电压突变并不 敏感，所以一直并未引起人们的关注。随着越来越多计算机等精密仪器在人们生活 中普及，这些敏感设备很容易受到电压暂降的危害，造成很大的经济损失，电压暂 降问题逐步引起了相关部门及研究人员的广泛关注。在现代电力系统中，电压暂降 和电压短时中断已成为最重要的电能质量问题。有监测数据表明，现有电能质量问 题中，8 0 或者更多的是电压暂降所引起的。 通常提到的电压暂降是指短时电压波动中的瞬时现象，即供电电压有效值快速 下降到额定电压的9 0 - - 一1 0 ，而后又恢复到正常值附近的电能质量问题，其典型 持续时间为0 5 - 3 0 周波n 1 。当流经系统电源阻抗的电流突然增大，造成电源阻抗 分压增加时，通常会引起公共连接点电压暂降。电压暂降通常以电压的下降幅值( 故 障电压有效值与正常电压有效值的比值表示) 与故障持续时间来表征。 引起电压暂降的原因包括短路故障、变压器投切、感应电动机启动和雷击等。 l 。 华北电力大学硕士学位论文 如何能够确定电压暂降源，从而有针对性的减少相应暂降事件对电力系统及电力用 户的影响，降低相应的经济损失是电压暂降研究控制领域一个重要的内容。通过对 某一地区电压暂降的监测，结合电压暂降的随机预估，能够很好的了解各个地区何种电 压暂降发生的幅值和频次，对于影响较大的用户，可以通过此结果确定是否需要改变供 电节点，从而减小由于电压暂降带来的经济损失。同时，将电压暂降源的判断结果与经 济性评估相结合，能够为用户接入点的选择提供一定的依据，提高其经济效益。电压暂 降源的准确识别也可以为解决系统与用户间的纠纷提供一定的依据。 当电压暂降事件发生后，如果能够及时有效地补偿，将降低的电压在尽可能短； 的时间恢复到正常状态，将会在很大程度上减少电压暂降造成的危害。动态电压恢 复器( d v r ) 广泛的被运用到这个领域内，而快速准确的对电压暂降进行检测是 d v r 补偿的基础。 综上，电压暂降源的准确识别和暂降的快速检测对预防和治理电压暂降起着非 常重要的作用，在很大程度上将提高电力系统和用户的社会和经济效益。 1 2 国内外的研究现状 由于电压暂降的发生会给电力用户造成巨大的经济损失，许多国家已经开展了 有关电压暂降长期的监测工作，如在系统的敏感处加装专门的电能质量监测仪器， 以便及时准确的对发生的电压暂降进行检测和统计，为电压暂降的预防和治理工作 提供可靠的数据基础。如美国e p r i 对电压暂降进行了长期、广泛的实测。结果表 明许多电压暂降的幅值是变化的，有的还伴随相位跳变、不对称及波形畸变；绝大 多数的电压暂降深度小于4 0 的额定值，且持续时间不足2 0 0 m s 。因此，如果能够 持续十个周期补偿3 0 的负荷容量，则大概可以消除9 5 以上的电压暂降情况【2 1 。 其他国家也进行了相近的监测工作，为电压暂降的预防和抑制提供了直接的数据基 础。i e e e 、i e e 、i e c 等组织也一直致力于制定包括电压暂降在内的电能质量相关 标准。如何对电压暂降现象进行有效地预防和治理是很多相关专家重视的研究方 向。 现有的暂降源识别方法主要通过对不同的暂降原因进行分析，对不同原因引起 的不同波形进行比较，总结差异点，提取电压波形中相应的特征值，确定阈值对电 压暂降的原因进行辨别。由于短路故障、变压器投切以及感应电动机启动所引起的 电压暂降现象在电压波形的三相平衡性、结束特征和谐波方面有一定的区别，故对 电压暂降原因进行识别的方法均基于这几个特征，对数据进行提取分析，实现其功 能。 文献 3 ，4 ，5 】均采用小波变换的方法。文献 3 】采用b 样条小波提取电压暂降 的特征值，根据不同的暂降特点对特征值进行分析，从而对不同的暂降源进行辨识： 2 华北电力大学硕士学位论文 小波变换模极大值表现突变点，模极大值的大小反映信号突变大小。利用突变点个 数分辨短路引起的暂降、多级暂降和变压器投运或感应电动机启动引起的暂降；通 过对三相暂降幅值的分析计算，辨别暂降波形相似性，以区分变压器投运或感应电 动机启动。文献 4 ，5 】均是基于小波变换与人工神经网络理论的电压跌落扰动源的 自动识别方法。通过小波变换将信号分解到对应不同频段的各个尺度上，从而得到 信号在各个频段上的构成信息，利用这些信息，通过对神经网络进行训练来识别扰 动源。 文献 6 ，7 】采用短时傅里叶变换对电压暂降扰动源进行分析辨别。文献 6 】通过 对电压数据进行短时傅里叶变换，提取三相电压幅值相似性、电压扰动时间和电压 暂降幅值的频度分布，分别确定阈值，对短路故障和感应电动机启动引起的两种电 压暂降现象进行了辨识；文献【7 】通过对不同暂降进行特征值提取，如波形形状、各 相电压对称性、暂降期间的谐波含量等，对不同的扰动源进行区分。 文献【8 】利用s 变换对电压数据进行分析，提取幅值凹凸性、谐波、幅值突变次 数、相位跳变和多级电压暂降等特征，并确定相应的阈值。由工作存储器、推理机 和知识库构成专家系统，将电压数据输入专家系统，对不同的电压暂降原因进行分 析识别；文献【9 】利用一种相移的方法提取电压暂降中的特征值，进而通过神经网络 对暂降源进行区分。文献 1 0 】提出采用卡尔曼滤波方法提取电压暂降特征值，根据郫 三相电压不对称度、谐波干扰度和幅值结束信息对不同暂降源进行区分。 在一些英文文献中比较多地提到了如何对不同的短路故障进行辨别，如空间矢 量分析、“特征幅值 分析、相移与神经网络结合、对电压波形分析、对称分量法 等，大部分用于区分不同故障引起的电压暂降。这几种方法是根据故障时三相电压 对应的矢量大小、波形、正负零序的情况不同来区分不同故障引起的电压暂降【1 1 。1 7 j 。 如上所述，现有的大部分方法中都需要确定阈值对不同暂降原因进行判断。由 于不同的电压暂降原因的电压波形之间没有一条明确的界限，而电压暂降过程中电 压的波形与系统其他因素的关联也十分明显，如系统所带负荷类型、接线方式、故 障点与监测点相对位置等等，因此，在电压暂降源识别方法中确定固定阈值，往往 会因为发生电压暂降的条件变化而变得不准确，从而产生对电压暂降原因的误判。 通过对电压暂降源进行识别，能够有效地对电压暂降的发生起到有针对性的预 防，对补偿设备的选择( 如补偿设备的容量、补偿策略的确定) 有一定的指导作用。 电压暂降的补偿效果与电压暂降检测的速度和精度也有着十分紧密的关系。在电压 暂降的检测方面，国内外的学者也进行了大量相关的工作。对于d v r 来说，电压 暂降的检测要同时保证准确性和实时性，从而更快更好的将已经跌落的电压恢复到 正常的状态。传统的检测方法主要包括幅值检测和幅值、相位检测两个方面。其中 包括有效值检测方法、f f t 检测算法、缺损电压法、单相电压变换平均值法【l 】、瞬 时小g 变换检测算法及其改进算法f 2 5 2 9 3 1 】和动态预测法【3 2 1 等等。这一部分内容将在 3 华北电力大学硕士学位论文 第四章详细叙述。 1 3 本文开展的主要工作内容 本文主要从电压暂降的预防和治理的角度对电压暂降源识别方法和电压暂降 的快速检测进行了分析和研究。主要包括以下几点： ( 1 ) 在p s c a d 中搭建不同电压暂降源的仿真模型，分析了三种主要的电压暂 降源( 短路故障、变压器投切和感应电动机启动) 引起的不同电压暂降现象，结合相 关文献资料，从三相电压是否平衡、暂降结束时是否产生突变以及暂降中伴随产生 的谐波大小三个方面总结了不同暂降源的特征，为后面的电压暂降源识别提供数 据。 ( 2 ) 结合现有电能质量监测仪器在某些状态下无法给出电压瞬时值的情况， 提出一种基于有效值的电压暂降源识别方法，能够利用有限暂降数据进行分析计 算，准确度能够满足工程需要。 ( 3 ) 针对能够得到电压瞬时值的电压暂降事件，建立适用于电压暂降源识别 的模糊推理模型，提出了基于m a m d a n i 型模糊推理的电压暂降源识别方法。从分析 得出的三种不同的暂降现象的特点，建立输入输出关系。利用大量p s c a d 仿真结 合m a t l a b 编程，实现暂降源的识别分类。 ( 4 ) 详细分析研究现有的电压暂降检测方法，并针对主要的传统检测方法进 行了论述。将现有的电压暂降检测方法分为只能检测幅值和能够同时检测幅值和相 位跳变两类，介绍了各种检测方法的理论及特点。 ( 5 ) 从实时性上对基于d - q 变换及其改进算法的电压暂降检测方法进行了优 化。p q ，变换理论不需要传统d - q 变换中的p l l 锁相环节，能够减少相关误差和延 时，同时，基于数学形态学的滤波器由于计算中仅需要进行布尔运算及一些加减运 算，相比传统的滤波器计算简单，延时短。本文提出基于p q ，变换结合数学形态 滤波器的算法对电压暂降进行检测，并通过仿真验证了其准确性和实时性。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章电压暂降源特征分析及提取 2 1 电压暂降的起因 电压暂降通常是由于流经系统阻抗的电流突然增加，造成系统电源分压上升， 从而引起公共连接点( p c c 点) 发生电压跌落的现象。 导致电压暂降的原因非常复杂，有自然因素，也有人为因素，有供电部门系统 保护的因素，也有企业内部的设备原因和误操作等的因素【l 弘1 9 】。其中，自然因素包 括雷击闪电等击打在输电线或绝缘子上，大风导致输电线摆动、杂物搭在输电线上 引起短路，造成保护设置动作等；人为原因包括车辆造成输电线杆倒塌，建筑施工 造成埋地线路破坏等；供电部门原因包括重合闸等；企业内部的原因，包括感应电 动机启动时，需要从电源汲取的电流最大可达到满负载的五到六倍，大电流经过系 统阻抗时，系统分压突然增加，引起p c c 点电压突然下降，此外，误操作短路也可 能会引起系统远端供电电压较为严重的跌落等。一个企业内部产生的电压暂降反馈 回电网，从而一定程度上影响其他企业的电压。 根据对电压暂降的分析，短路故障、变压器投切和感应电动机启动是引起电压 暂降比较重要的原因。通过对这三种暂降源进行分析，可以一定程度上区分系统和 用户的责任，对解决其纠纷有着十分重要的意义。 2 2 不同暂降源引起的暂降现象分析 2 2 1 故障引起的电压暂降 短路故障是引起公共连接点电压暂降的重要原因之一。电力系统在运行过程 中，雷击、大风等自然因素，以及动物、树枝搭接线路、绝缘差等原因都会引起电 力系统的短路故障。短路发生时，系统电流升高，短路点附近电压下降，电压暂降 发生。不同的短路故障会引起不同的电压暂降现象。与其它两种引起电压暂降的原 因相比，短路故障引起的电压暂降最严重，是灵敏设备误动作的主要原因。由于电 压暂降在系统中的传播，这种情况会使很多用户受到不同程度的影响。 图2 1 是短路故障引起电压暂降的系统示意图。 5 一 华北电力大学硕士学位论文 _ = 二二= 一 7 s 叼 吨 l。 p c c , 毂 瓴 图2 0 l 短路故障引起电压暂降系统示意图 图2 - 1 中p c c 点是同时给馈线线路和负荷线路供电的网络节点，即负荷电流与 故障电流分流的节点，五是p c c 点与电源点的系统阻抗，2 r ，是故障点与p c c 点间 的线路阻抗，厶是流过系统阻抗的电流。当短路故障发生后，引起厶增大，因此系 统分压增加，造成p c c 点电压下降，即电压暂降现象。距离p c c 点越近的短路故 障，引起的电压暂降越严重。暂降现象通常伴随着保护装置的动作而清除，因此认 为持续时间是与保护设备的动作时间密切相关的，一般在半个周期( 对应于熔断器 而言) 至几秒钟之间。电压暂降过程中电压是否对称是与短路故障类型有着直接的 联系，其中三相短路故障引起的电压暂降是三相对称的，其他故障类型，如单相短 路、两相短路和两相短路接地故障将引起三相不对称的电压暂降现象。 图2 - 2 、图2 - 3 分别为典型的对称短路和不对称短路的三相电压瞬时波形和有效 值波形。 根据仿真分析及相关文献介绍，可知短路故障引发的电压暂降的典型特征为： ( 1 ) 电压暂降幅值较低，一般低于o 7 p u ；持续时间与保护动作时间有关； ( 2 ) 不同的短路故障会引发不同的电压暂降现象：三相短路故障引发的电压 暂降三相电压幅值相等；其他短路类型引发的电压暂降三相幅值不同；不对称短路 有可能在发生暂降的同时发生电压暂升； ( 3 ) 电压暂降发生和恢复的波形陡，基波电压的幅值变化过程呈矩形；故障 期间可能发生多级暂降；电压暂降开始和结束瞬间，幅值均发生突变，在暂降过程 中，电压幅值基本不发生变化： ( 4 ) 电压暂降中有可能产生相位跳变。 1 1 暑蝴 警0 0 0 也 - 1 1 v v l, i vv 涨 v v 寸 储芦 、 。扩弛船 蚣aq 口、 ( 7 vvy 、，x ，。 ，：) o v 唧 八卢人八少 |a a ；八八月 t s 6 华北电力大学硕士学位论文 o o q 露n 0 2 0 图2 - 2 1 5 0 0 0 口0 5 0 备0 0 0 日 兰m 5 0 ， - 1 ( a ) 电压瞬时值 。勘 惫欹 | ； ，轴 r o 品广百鬲f 1 而r 1 币f 1 币r 1 鬲f 1 而矛函f 掘石瓦 t s ( b ) 电压有效值 三相( 对称) 短路故障三相电压瞬时值波形和有效值波形 、|厂yy 浏。 l 吣j丫vv 1vv v、 i 弧八j 7 、谳 醯趸 驴v妙腹刖 “硼谳一久。八恕八，v四v 踊 认i、。砜、 、一 ， 。? j 川。入n ”uk 0 6 0 0o i o oo i 2 0o i 4 0o i e o0 i e oo 2 0 0 t s ( a ) 电压瞬时值 - u 翻m 慵_ u t r a m_ u a 丌喀 出j | ：二； ii | p ( b ) 电压有效值 图2 - 3不对称短路故障三相电压瞬时值波形和有效值波形 2 2 2 变压器投运引起的电压暂降 变压器在投运时，由于铁芯的饱和特性，会在送电端产生最大8 l o 倍额定电 流的励磁涌流，涌流的大小与电压的初相角和铁芯饱和程度有关。在交流电路中， 磁通总是落后电压9 0 0 相位角。如果在合闸瞬间，电压正好达到最大值时，则磁通 的瞬间值正好为零，即在铁芯里一开始就建立了稳态磁通，在这种情况下，变压器 7 ：华北电力大学硕士学位论文 不会产生励磁涌流。反之，当合闸瞬间电压为零，则涌流最大，电压暂降程度也就 最深。由于变压器投运时三相电压初相角始终相差1 2 0 。，故三相暂降幅值始终是 不平衡的。线圈铜损使电压暂降的恢复是一个逐渐过程，小型变压器约几个周期就 能达到稳态，而大型变压器由于电阻较小，电抗较大，一般需要几十个周期才能达 到稳态。在变压器铁芯磁通饱和期间内，由于激磁电流的影响，系统阻抗分压增加， 引发p c c 电压暂降。电压暂降的程度与开关合闸时刻、电源强度、铁芯中的剩磁和 网络阻尼有关。 图2 4 为变压器投运时典型的三相电压有效值波形。 o 石百石百石i 冒了石1 丽1 焉i 石j i i b o t s ( a ) 电压瞬时值 a t r t m- 8 删 - 坌蝉 o 9 7 5 o 9 5 0 j e 9 2 5 渺9 0 0 兰0 8 7 $ o 8 o 8 2 5 0 8 0 0 | 。_ _ 一 = 一，_ _ p 一 乙，”一 _ 十一 i ，一 ，_ 一一 一- ，。 扩一 一 o ，为0 5 00 7 51 0 0 ( b ) 电压有效值 图2 _ 4 变压器投运三相电压瞬时值和有效值波形 变压器引起的电压暂降的典型特征为g ( 1 ) 三相电压幅值不相等；电压暂降幅值不会低于0 8 5 p u ； ( 2 ) 电压暂降是逐渐恢复的，恢复过程中没有突变点； ( 3 ) 电压信号中有谐波分量。 2 2 3 感应电动机启动引起的电压暂降 当感应电动机启动时，将从电源汲取比正常工作时大得多的电流，其典型值为 额定工作电流的5 6 倍，从而产生电压暂降。这个过程中，电动机转速上升到额定 图2 - 5 表 鬣 鞭缴 獬辩 黼 雠 翳 ；矗。 ；幽赫绷 黼燃粼燃戳蓊 黼 ( a ) 电压瞬时值 | l 一_ 一- 一 ，- 一一 于一一 ； i 一一i 一 一 | j ：一 ， 华北电力大学硕士学位论文 进行判断： l 、三种电压暂降源在三相电压平衡性上有较大差别，三相对称短路故障和感 应电动机启动引起的电压暂降三相电压平衡，而不对称短路故障和变压器 投切引起的电压暂降三相不平衡； 2 、短路故障引起的电压现象恢复时电压会发生突变，而其他两种暂降电压恢 复的波形较平缓； 3 、变压器投切引起的电压暂降现象会含有较多的谐波分量。 上述特征总结为下文的电压暂降源识别提供了理论基础。 l o 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于有效值和瞬时值的两种电压暂降源识别方法 3 1 基于有效值方法的电压暂降源识别 在目前我国实际的电能质量监测网络中，很多监测仪器当电压暂降持续时间较 长时，只能提供部分周期的数据，如发生和结束时的电压数据，另外，某些仪器只 能在暂降达到一定触发阈值( 如尖峰值，暂降深度等) 时才能提供瞬时值数据，当电 压暂降没有达到设定值时，只能提供有效值数据。基于这种情况，上述需要用到瞬 时值数据的识别方法则不能被采用。为适应目前监测仪器的实际情况，本节提出了 一种根据有限暂降数据进行有效值分析计算，根据不同电压暂降引起的暂降幅值大 小不同、暂降结束时是否产生电压跳变( 或对电压暂降过程中电压变化趋势进行分 析比较) 、三相电压是否平衡以及是否发生电压暂升等方面情况不同，提取相关特 征量对暂降干扰源进行识别分类的方法。 1 3 1 1 基于有效值的识别过程 根据第二章中对不同暂降源引起的电压暂降特征的分析，基于有效值的识别方 法需要对暂降幅值、暂降结束特征和三相电压的平衡性进行计算，进而对不同的电 压暂降源进行判断。在识别过程中，要依次进行电压暂降幅值的计算、暂降结束特 征的计算或暂降变化趋势的计算。同时，在不对称短路引起的电压暂降中时而发生 不同程度的电压暂升现象，对其进行判断也能有助于进行电压暂降源的识别。综上 所述，基于有效值的电压暂降源识别过程如下所示： ( 1 ) 检测暂降点并计算暂降幅值 检测到电压暂降发生，根据i e c 标准推荐，取发生暂降相最小值作为暂降幅值。 ( 2 ) 判断暂降恢复特征 考虑到系统电压的实际情况，需要为判断电压暂降的发生点留出一定的阈值， 本文中选择阈值为0 5 ，即检测电压幅值与额定值的9 0 相差小于o 5 的点，作 为判断电压暂降恢复的判据之一。由于短路和其他两种暂降源引起的暂降恢复特征 差异较大，通常情况下半个周期即能确定暂降的恢复特征，因此判断此点后半个周 期的点是否大于9 0 ，确定此次电压暂降是否已经恢复。为避免由于波动产生误判， 排除干扰，需考虑一定量的点不满足其电压值大于9 0 的条件，即若满足电压值大 于9 0 条件的点个数多于半个周期点的8 0 ，则确定此点为暂降恢复点。 能检测到暂降恢复点则判断暂降结束时是否有突变，有突变则为短路，否则是 变压器投切或者感应电动机启动。不能检测到暂降恢复点则比较暂降点跳过个周 华北电力大学硕士学位论文 期后的前两个周期的平均值与记录的最后两个周期的平均值的偏差，大于2 则为 变压器投切或感应电动机启动，否则为短路情况。 ( 3 ) 判断暂升发生 检测到电压暂降后，除暂降相外，其余相电压取暂降时间内平均值a ，若a i ， 则取电压最大值作为电压幅值；若a o 5 0 1 - j 一u _ u b 一i & ； ：、礁髁，翮弼锄m讯焖翮 燃 唧嬲 瀚 嘉，了 | 0 一 ! 卜 、fj h f 一 1 ( b ) 电压有效值 图3 2 存在背景谐波时的不对称短路瞬时值和有效值波形 在这种情况下，算法可以准确的判断出电压暂降源。 仿真计算结果如表3 2 ： 表3 - 2 考虑背景谐波干扰仿真结果 暂降源仿真数量识别数量识别率 三相短路1 0l o1 0 0 不对称短路 1 01 0 1 0 0 1 4 孤万 蠡| 墅 一 雌叼蚯 一 耋 一 华北电力大学硕士学位论文 暂降源仿真数量识别数量识别率 变压器投切 1 099 0 感应电动机启动 1 01 01 0 0 通过上述结果可知，此方法在公共连接点有谐波注入时仍能保持其原有的识别 率，故可认为其抗公共连接点干扰能力较好。 3 1 5 捕捉波形仿真分析 目前基于有效值的电压暂降源识别方法已在某地区电能质量监测系统中实现， 识别效果较好。图3 。3 是采集到某监测点电压暂降事件波形： v i n e 倍 图3 - 3 实际监测电压电流波形 为模拟实际电压暂降波形，搭建仿真模型如图3 - 4 所示。某2 2 0 k v 的电源向 1 1 0 k v 母线供电，母线上有两条1 l o k v 出线，其中当另一条线路在较远处发生c 相 接地( 非金属性接地) ，本线路以恒功率负荷为主。 1 5 华北电力大学硕士学位论文 采集到波形如图3 5 所示： 图3 - 4 仿真模型 1 0 0 7 5 ： 5 0 ”2 5 10 。2 5 5 d ；，7 s 1 羹 图3 - 5ll o k v 线路远端发生不对称短路故障波形图 经过对实际波形的分析，以及考虑到图3 5 的仿真波形和图3 3 的实际波形类 似，认为此次电压暂降事件是由不对称短路故障引起，同时识别程序也判断出此电 压暂降源为不对称短路。根据对实际波形与仿真波形的比对，可以认为基于有效值 电压暂降源识别方法能够有效的对暂降原因进行分析并给出正确的结果。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 3 2 基于m a m d a ni 型模糊推理的电压暂降源识别 当监测仪器可以给出暂降过程前后以及暂降过程中的瞬时电压数据，则可以通 过更加准确的方法得到对应的电压暂降源识别结果。本文提出一种基于m a m d a n i 模糊推理的暂降源识别方法对上述四种暂降原因进行判断。 模糊理论是z a d e h l 9 6 5 年提出来的，由于这种理论与人类对自然的认识比较一 致，从而得以迅速发展。模糊理论是用数学的语言分析和解决现实世界中普遍存在 的一些问题，用于处理那些难以定义且难以用数字描述，但易于用语言描述的变量。 模糊推理是指根据模糊输入和模糊规则，按照确定好的推理方法进行推理，得到模 糊输出量，其本质上就是将一个给定输入空间通过模糊逻辑的方法映射到一个特定 的输出空间的计算过程。由于纯模糊逻辑系统的输入和输出均为模糊集合，而现实 中大多数工程系统的输入与输出都是精确的，因此纯模糊逻辑系统不能直接应用于 实际工程中。为解决这一问题，有关学者在纯模糊逻辑系统的基础上提出了具有模 糊产生器和模糊消除器的m a m d a n i 型模糊推理系统。 m a m d a n i 型的模糊推理方法是最常见的算法，最先将模糊集合的理论用于控制 系统。它是由e b r a h i mm a m d a n i 在1 9 7 5 年为了控制蒸汽发动机提出来的，这种方 法采用综合一系列有经验的操作者提供的线性控制规律来控制锅炉，这种方法源于 z a d e h 关于模糊算法在复杂系统和决策处理中应用的思想【2 0 】。由于其规则的形式符 合人们思维和语言表达的习惯，因而能够方便地表达人类的知识。 3 2 1m a m d a ni 型模糊推理基本原理 m a m d a n i 型模糊推理通过事先掌握的一组推理规则实现从输入到输出的推理计 算，从而建立准确的辨识系统【2 l 】。这种推理在性质上是定性推理而非定量推理。模 糊理论的基础是模糊集合，它是普通集合的扩展。这时元素对集合的归属不再是属 于或不属于，而是在一定程度上属于或不属于集合，这程度称为隶属度。 m a m d a n i 模糊模型由模糊生成器、模糊规则库、模糊推理机和反模糊化器四部 分组成，其模型如图3 - 6 所示【2 2 1 。给定模糊蕴含关系，“若a 则b 的关系矩阵r 和a u ，则可推得结论b ，( b 矿) 。 m a m d a n i 模糊系统的一般性定义为【2 3 】： 硬x li s a j la n dx 2 i s a j 2a n d a n d x n i s a j n t h e n 的= b j ，j = 1 ，2 ，m 其中x i ( i = l ，2 ，n ) 为输入变量，m0 = 1 ，2 ，m ) 为输出变量，a j i 和b j 为模糊子集，m 为模糊规则总数。 1 7 华北电力大学硕士学位论文 b 。= 0 + 。励= ，m + ( x ) a r ( x ，力】 ( 3 3 ) 即艿+ = m 。似_ 动 0 沪，阻( x ) a ( a - - , b ) ( x ，力】 ( 3 4 ) 叫2 l - ( b 要耋兰 仔6 ， p 。二b - a ) 2 等白奶l fz 一0 口，工口i 蛳咖岛_ 要：三嚣 限乃 i c i 6 ， x c i s 型函数： 华北电力大学硕士学位论文 取咖斗晷0 t 型函数： 万( 工；口，6 ) = 【z s ( ( x x ；b 6 ，- 口a + , b 6 ) ) ：x x 6 b ( 3 9 7 上述隶属函数中，口，b ，c r 为参数。 求出各参数隶属度后，带入模糊规则进行判断，求出一个对应的模糊结果。需 要对结果解模糊化从而得到最后输出。 解模糊化的方法有以下几种：重心解模糊化法、面积和中心解模糊化法、最大 隶属度值解模糊化法以及高度解模糊化法等，最常用的方法是重心解模糊化法。 所谓重心法就是取模糊隶属度函数曲线与横坐标轴围成面积的重心作为代表 点，计算输出范围内一系列连续点的重心，即 = 臀 m 聊 但实际上是通过计算输出范围内整个采样点( 即若干离散值) 的重心，即 = 瓷筹( 3 - 1 1 ) 4 最后取模糊集合中最相近的值输出。 3 2 2 基于模糊推理的电压暂降源识别 由于各种暂降源引起的电压暂降波形并没有一个固定的数学模型，从实际情况 来看，电压暂降受用电设备与电网结构等因素的影响很大，对于各个特征的阈值确 定并不十分明确。以往识别方法中，往往采用固定的阈值，而如果特征量在阈值附 近波动，很容易引起误判。基于m a m d a n i 型模糊推理方法可以较好的结合实际，由 于其原理中的模糊特性，不存在其他方法中的对某个特性确定单一固定的阈值，而 是将特征值以某一范围表示，用不同的隶属度表示，从而考虑到各种可能性，避免 由于单一阈值引起的误判。将各个特征值模糊化后输入系统，根据规则库中已有规 则进行判断，最后通过解模糊化得到结果输出，基本不会产生由于阈值确定有偏差 而产生误判。同时，由于各个判据是独立的，如果引入新的特征，可以通过简单的 1 9 6 6 + 一2 v i 口口一 x 6 v | v i v i 一 工 工6 一 x v i + 一2 口 口一 华北电力大学硕士学位论文 增加输入量的方式对系统进行较简单的优化，而不影响已有的识别结果。 通过对故障、变压器投切和感应电动机启动三种电压暂降源的分析可知，其引 起的不同电压暂降现象在三相电压平衡性、暂降结束时变化程度和暂降过程中的谐 波含量三个方面有较大的差别，故可将这三类特征作为输入，将三相短路、不对称 短路、变压器投切和感应电动机启动四种电压暂降源作为输出。 由于模糊推理方法需要确定隶属度，而对于不同的电压暂降现象，没有理论公 式能够应用。研究中通过进行大量的仿真分析，将上述特征值根据下文所述方法进 行计算，通过对仿真结果中各个特征值结果的比较分析，得到对应不同电压暂降源 不同特征的阈值范围，确定各个特性的隶属函数形式及其对应参数，得到相应的模 糊推理系统。 3 2 2 1 三相电压平衡性 检测三相对应的电压暂降幅值。若某相电压有效值存在低于电压暂降阈值( 额定 电压的9 0 ) 的情况，则该相电压暂降幅值为其电压有效值的最小值，且认为发生暂 降相为该相，多相同时发生暂降则认为是多相电压暂降事件。在发生不对称故障时， 可能会在某一相发生电压暂降的同时另一相发生电压升高。若某相未发生暂降，取 对应暂降时间内的电压平均值与暂降前电压相比，如果前者大于后者，则取电压最 大值为幅值，否则，对应幅值为电压最小值。计算三相电压幅值两两相减的三个绝 对值。 通过分析总结不同暂降源三相电压幅值差可知，幅值差越小，代表三相电压越 平衡；反之，当幅值差大于一定程度，则三相电压肯定不平衡。通过仿真分析总结， 三相电压平衡性的隶属函数如下： 三相电压平衡：z 型函数，a = o 0 2 ，b = o 0 5 ：三相电压不平衡：s 型函数，a = o 0 4 ， b = o 0 7 。即当三相电压差小于2 时，对平衡的隶属度为l ；三相电压差在2 和7 之间时，对不平