（电力系统及其自动化专业论文）电能质量扰动检测与类型识别方法研究.pdf

华北电 力大学 ( 北京 ) 硕士学位论文 第一章 引言 1 . 1问题的提出 8 0 年代之前的供电企业普遍认识为: 保证了电网的频率以及保证供电电压在合 适的范围也就保证了电网的供电质量。随着改革开放的深入特别是工业负荷以及电 网的飞速发展，高性能自 动化非线性用电设备的应用日益广泛。然而这些现代用电 设备对电源特性的变化非常敏感，它们对电能质量的要求不断提高，电能质量问题 才逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题。同时，全球电力工业正在向 市场化转 变。在电力市场运行机制下，不同的发电公司包括独立电能生产者在发电 侧实行竞 争，输配电系统 ( 即电力公司)与发电分离，实行独立经营管理，为发电公司和用 户提供转送电能服务;用户侧也可以作为独立实体参加价格控制。在这样一个开放 和鼓励竞争的运行环境下，电力系统的发、输、配电方和用户通过电力这一特殊商 品有机地联系在一起，均为市场的参与者，在这一过程中，必然会对电能质量提出 越来越高的要求。 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地对用电方多供电，影响电网的安全和供电方的信誉，对供 电方造成一定的经济损失:另一方面，劣质电能将对某些用电方 ( 如高科技企业) 造成巨大地经济损失，据美国电科院j a n e c l e m m e n s e n 估计，美国每年因电能质量 造成损失达2 6 0 亿美元，据国际会议报告介绍，美国由于电能质量低劣引起的经济 损失每年高达1 3 3 亿美元。 随着中国加入世贸组织，将有大量的高科技企业进入中国市场，在这场全局转 变的战略过程中，电网的电能质量能否满足这些企业的要求将会成为一个突出的问 题。另一方面随着北京 2 0 0 8年奥运会的申办成功，电能质量问题将是能够成功举 办奥运会的关键问题之一。 电能质盈扰动问题已引起各国电力工作者的高度重视。文 1 论述了电能质量 的一些基本问题，电能质量低劣的危害及改善电能质量的措施。改进和提高电能质 量，系统地分析和研究电能质量问题，找出引起电能质量问题的原因并采取针对性 的解决办法，对电能质里扰动进行检测与识别是首先要解决的问题。近年来，为了 提高电能质量，满足现代社会对电能质蚤的高要求，许多电力工作者在电能质量扰 动检测与识别方面作了大量工作，提出了一系列行之有效的检测和识别方法，而且 电力工作者们仍在不断研究，以寻求更为有效的电能质量扰动检测和识别方法。 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 1 . 2 电能质量的概念 为保证安全、经济地输送、分配和使用电能，一个理想的电力系统应以恒定的 频率 ( 我国为5 0 h z )和正弦波形，按规定的电压水平 ( 标称电压)对用户供电，且 各个运行参数不受用电负荷特性的影响。在理想的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，用电设备汲取电能应当 保证最大传输效率，即功率因数等于 1 ，各用电负荷之间互不干扰。但在实际供电 系统运行中，由于系统各元件 ( 发电 机、变压器、线路等等)参数并不是理想线性 或对称的，负荷性质各异，且随机变化，加之调控手段的不完善及运行操作、外来 千扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在，而由此产生了电网运行、电气设 备和用电中各种各样的问 题，也就产成了电能质量 ( p o w e r q u a l i t y )的概念。 传统的电能质量概念主要强调供电系统稳态特征，如电力企业统计供电电 压和 频率的合格率百分数 ( 如9 9 . 9 9 % ) 来说明供电对用户的可靠性， 而不注重其暂态即 动态的特征。工 e e e技术协调委员会给出电能质量的技术定义: “ 合格的电能质量的 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各正常工作 的” 。但是这个定义不够直接和简明。文献 幻采用的电能质量的定义为: “ 导致用 户设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏移” 。这个定义比 较简明，也概 括了电能质量问题的成因和后果。 电能质鱼指标是电能质量各个方面的具体描述，不同的指标有不同的定义。参 考国际电工委员会标准，从电磁现象及相互作用和影响角度考虑， 给出引起千扰的 基本现象分类如下: 低频传导现象: 谐波、间谐波、 信号电压、电压波动、电 压暂降与短时断电、电 压不平衡、 电网频率变化、 感应低频电压、 交流网络中的直流分量; 低频辐射现象:磁场、电场; 高频传导现象:感应连续波 ( c w )电压与电流、单向瞬态、振荡瞬态: 高频辐射现象:磁场、电场、电磁场、连续波、瞬变 静电放电现象 ( e s d ) 核电磁脉冲 ( n e m p ) 表1 . 1 给出了美国电子电气工程师协会 ( 工 e e e )关于电能质量领域电磁现象的 具体分类。 表中列出的各种现象可进一步用其属性和特征加以描述。 对于稳态现象， 可以 利用以下属性描述:幅值、频率、频谱、调制、电源阻抗、陷落深度、陷落面 积;对于非稳态现象，还可能需要一些其他特征:上升率、幅值、相位移、持续时 间、频谱、频率、发生率、能量强度、电源阻抗等。 电能作为一种特殊的商品，其性能除频率、电压等参数描述外，还必须用其他 表 1 . 1 华北电 力大学( 北京倾士学位论文 i e e e 制定的电能电力系统电磁现象的特性参数及分类 类别 1 . 0 瞬变现象 1 . 1 冲击脉冲 1 . 1 . 1纳秒级 11 . 2微秒级 1 . 1 . 3毫秒级 1 . 2 振荡 1 . 2 . 1低频 1 . 2 . 2中频 1 . 2 . 3高频 2 . 0 短时间变动 2 . 1 瞬时 21 . 1间断 2 . 1 . 2暂降( 骤降) 2 . 1 . 3暂升 2 . 2 暂时 2 . 2 . 1间断 22 . 2暂降( 骤降) 2 . 2 . 3暂升 典型频谱典型持续时间 典型电压幅值 5 n s上升 l us上升 0 . l m s 上升 1 s m 5 k h z 5 5 0 0 k h z 0 . 5 - 5 m h z 0 . 3 5 0 m s 2 0 us 5ps 0 . 5 - 3 0 周波 0 . 5 3 0 周波 0 . 5 - 3 0 周波 0 . l p u 0 . 1 0 . 9 p u 1 . 1 - 1 . 8 p u 3 0 周波一 3 s 3 0 周波、 3 s 3 0 周波、 3 s l mi n l mi n 稳态 0 . o p u 0 . 8 0 . 9 p u 1 . 1 1 . 2 p u 0 . 5 2 % 6 . 0 5 . 1 直流偏里 5 . 2谐波 5 . 3间谐波 54陷波 5 . 5噪声 电压波动 宽带 2 5 h z 稳态 稳态 稳态 稳态 稳态 间歇 ilo ， i f v j, (t) 二 2 一 i ia2 -i v (o)/2 1)一 华北电力大学( 北京) 硕士学位论文 若w ( t ) 满足允许小波条件式 b )d b 珐 da 一 、 j f (t)s (t)d t a.旧 何.厂 口1盏c 则w j ,k ( t ) 也 是 允 许 小 波 ; 若w j ,k ( o) ) 具 有 时 一 频 局 部 化 表 现 ， 则w j .k ( t ) 也 具 有 时 一 频 局 部 化 表 现，w j .k ( t ) 的 频窗 表现为: w j .k ( w ) 的 频窗中 心为 。 ， 二 2 o) : w j ,k 佃) 的 频窗半径为 。 = 2 j 0 其中 而言 ，。 二 和 * 分别是w ( co ) 所具有的频窗中心和频窗宽度， 对选定的小波函数w ( w w ，它们是确定量 离散小波变换 叭( j , k )二 工 f (t) ,w j.k (t)d t 是关于频率指标l 和平移指标k 的函数， ( f ( t ) w j ,k ( t ) ) =上( n ( f ( co ) z尤 一 , 俨 j h 经哟 班 0 作 用的 小波 变换实际 上把 信号f ( t ) 的 频率 范围 积 w j,k (co ) 的 钾 窗 范 围 可 知 ， 争 w j,k (t) f f ( 0) ) 限 制在沙 一 w , cv -f a . 子 频带内 ，小波变换结果是这个频带内的时域分量。 小 波v / ( t ) 是 一带 通函 数， 它的 小 波 变 换 在 频 域 方 面的 局部 化 作 用由 j 调 节， 在时 域方面的局部化作用由k 调节。 在3 . 5 节的多分辨分析中可以 看到， 对于不同的j ，各个子频带是不重叠的。 这 样 原 信 号 的 频 率 范 围 被 划 分 为 由 枷 j,k (t) 所 表 现 的 子 频 带 ， 信 号 经 小 波 变 换 表 现 为 不同子频带分量之和，对原信号的局部时一 频分析就表现为对那些描述子频带内的 时域分量的分析。反应低频的局部分析应表现于反应低频的子频带分量中，反应高 频的局部分析表现于高频的子频带分量中。 由此可知， 小波分析方法并不象f o u r i e r 分析方法那样把时域信号表示为若干精确的频率分量之和，而是将其表示为若千描 述子频带的时域分量之和。正是由于这种表现方式，小波分析方法才获得了在时- 频局部化方面的成功。 3 . 4 小波变换的信号奇异性检测原理 对 于 任 意 一 个 光 滑 函 数 b (x ) 都 满 足 介 (x )d x = 1 和l i m b ( x ) = 0 ，当b ( x ) 为低通光滑 华北电力大学( 北京颓 士学位论文 函 数时， 它的 倒数v / ( x ) = d b ( x ) l d x 为带通函 数， 即 满 足 丁 , ( x ) 一 0 ， 因此，v ( x ) = d o ( x ) l d x 可以 作为小波变换的基本小波。 用 b a (x ) 二 与肖表 示 函 数 “ x ) 对 尺 度 因 子 。 的 伸 缩 ， 则 对 应 于 尺 度 因 子 。 的 小 波 函 a a 数 v . (x ) 一 1 (二 / 。 ) 一 d o (x l a ) d x 一 a d o q (x ) l d x 信号ax ) 在尺度a 上对or(x) 的 小 波 变 换为 二 (a , x ) = .f (x ) * +/,a (x ) = .f (x ) * (a 鲁(x ) = 景 (f (x ) * b, (x ) 即信号经平滑后再求导数等效于直接用平滑函数的导数对信号做处理【 3 4 。因此， 小 波 变 换 叮( a , x ) 就 是 信 号 f ( x ) 在 尺 度 。 下 被 光 滑 函 数 b , ( x ) 平 滑 后 的 一 阶 导 数 。 由 于函数的一阶导数绝对值为极值所对应的点为函数的拐点，函数的一阶导数绝对值 为极大值时所对应的点即为函数的突变点。因此当小波取为光滑函数的一阶导数 时 ， 小 波 变 换 叮( a , x ) 模 极 大 值 的 点 即 对 应 信 号 f ( x ) 的 突 变 点 。 如 在 某 区 间 信 号 a x ) 的 小 波 变 换 系 数 在 小 尺 度 上 没 有 局 部 模 极 大 值 ， 则 信 号 f ( x ) 在 该 区 间 没 有 奇 异 性 。 信 号 f ( x ) 所 有 奇 异 点 的 位 置 ， 在 尺 度 趋 于 零 的 过 程 中 ， 都 可 以 沿 着 小 波 变 换 模 极 大 值线性定位，即可以利用不同尺度上的小波变换模极大值点的位置来检测信号的奇 异点。由于电能质量扰动发生时电压波形出现细小的突变时，通过小波变换可以将 这一细小突变放大、显示出来，从而可以检测出这一突变，即可检测出所对应的电 能质量扰动的发生和恢复时刻，从而实现对电能质量扰动的时间定位。 3 . 5 多尺度分析 多尺 度分析又 称为多分辨分析 ( m u l t i - r e s o l u t i o n a n a l y s i s -m r a ) , 1 9 8 6 年， s . m a l l a t 和 y . m e y e r 提出多分辨分析。m a l l a t 通过对函数空间的剖分引入了多分 辨分析，并将小波变换与多分辨分析有机地联系起来。 定义 2 . 1 :空间l ( r )内的多尺度分析是构造 l z ( r )空间内的一个子空间集 合 何: j e l ， 这 些 子 空 间 具 有 以 下 性 质 : 1 . 包容 性:v i c y j _ d j e z 。 2 . 逼 进性: 当j 。、时， 称- l ( r ) 包含 整 个平 方可 积的 实 变函 数空间 ， 在 逐 级 包 含 的 条 件 下 ， u v , 华北电 力大学 ( 北京) 硕士学位论文 l z ( r ) 。 当 j 。、时v i 。( o ) ，即空间最终剖分到空集为 止 ， 在 逐 级 包 含 的 条 件 下 ， n v 1 - ( 4 ) 0 3 . 平移不变性:函数的平移不改变其所属空间，即:如a x ) e 称1则 f ( x 一 k 2 ) “ v i k . z 。 4 ， 二 尺 度 伸 缩 性 : 如f ( x ) e v ， 则 f ( x ) - v ;十 ， ， f ( 2 x ) e v ,- , . ，- 一” -一一“ 2 5 . r i e s : 基 存 在 性: 存 在o ( x ) e v u ， 使 0 ( x 一 k ) , k e z ) 构 成v u 的r i e s z 基。 定 理2 . 1 : 设砚 是l z ( r ) 空 间 的 多 分 辨 逼 近， 则 存 在 函 数o ( x ) e l z ( r ) ， 使 y/ ,k ( x ) 一 2 - ; /x 武 ( 2 - ， 二 一 k ) , k e z 构 成耳 的 规 范 正 交 基 ， 其 中 o ( x ) 称 尺 度 函 数 。 由以上定理可知，将尺度函数用因子2 - ; 作伸缩，然后再以k 2 - , k e z 作平移 即 可 构 造v i 空间 的 规 范 正 交 基， 其中 尺 度函 数 为 一 低 通 平 滑函 数。 信 号 在尺 度2 上 的 逼 近即 信号 在空间v i 上的 正交投 影。 定 理2 . 2 : 设称 是l z ( r