电能质量检测算法研究

1、电能质量检测算法研究摘要 电能质量指标参数是电能质量各方面的具体描述电能质量指标参数的测量是电能质量检测的重要内容，也是电能质量深层次分析的基础。通过对电力信号波形的测量分析，提取各项技术指标，可以实时准确地掌握电网的供电和用电状况，便于电网运行状态的自动调节，有利于保障电网的安全、稳定、高质运行；可以及时捕捉各种电能质量扰动，提供扰动幅度和持续时间等信息，电能质量参数检测算法的研究便于电能质量补偿装置的设计与实时控制；可以对电网的电能质量水平进行评估，对造成电能质量下降的原因做出分析，为供电部门或电力用户判断和改善电能质量提供依据。同时，电能质量参数的精确检测，也有利于电能合理定价和规范电能

2、消费市场。长期以来，人们不断致力研究更精确、更快速的电能质量指标参数测量方法。由于技术的限制，最初的参数测量多采用模拟技术实现。但随着数字信号处理技术和电力电子技术的发展，越来越多的测试仪器应用数字技术实现。数字方式实现相对简单，测量精度也相对精确，已成为电能质量参数测量的主流。但是，由于电力信号的复杂性和电能质量内涵的扩展性，以及不断提高的测量精度、广度与测量速度的要求，电能质量指标参数测量技术仍有待进一步发展和提高。关键词：电能质量、检测算法、谐波1、 电能质量的内涵 根据国际电工委员会(IEC)标准IEC(1000-2-2/4)的定义,电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用

3、户使用电力的物理特性。根据这一定义,现代电能质量除了保证额定电压和额定频率下的正弦波形外,还包括频率偏差、电压偏差、电压波动和闪变、三相不平衡、波形畸变、所有电压瞬变现象,如冲击脉冲、电压下跌、瞬时间断及供电连续性等。从普遍意义上讲,电能质量是指优质供电。电能质量的内涵应该包括电压质量、电流质量、用电质量、供电质量几个方面的内容。二、电力电子技术在电能质量分析中的应用 电力系统是复杂多变性,我们要保证电力系统的稳定,避免电能质量恶化所带来的事故和经济损失,就需要对其进行实时地监视,一旦有故障发生立刻对其进行控制或处理。但是传统的电能质量监测装置已经跟不上电能质量变化发展的需要,原因在于传统电能

4、质量监测装置是靠许多个单独的装置组合而成,每个装置分别测量一个特定的电能质量参数。这种监测装置不仅体积庞大、费用高,而且自动化程度低,所采集到的数据也不准确,综合分析的效果不好,己经不适应现代社会的需要。此外,电力系统中需要监测的参数变化快而且复杂,要求实时性较强,因此传统方法已经难以应对这些问题。为了满足现代电力系统的要求,使电能质量检测装置具有小型化、性能优良、实时性好的特点,将电力电子技术应用到电力系统中。电力电子处理器运算速度快,测量精度高,动态范围也大的多,电力电子技术以其优良的性能在电能质量监测中开辟了一个新天地。三、电能质量分析方法1时域分析法 时域分析法具有简单快捷的特性,在电

5、能质量分析中的应用最为广泛,但时域分析法也有缺点,在计算时不仅速度慢还存在延时,不能及时反映电压扰动发生的起止时间。1.1三种矢量变换法 变换法。思路:假设定子空间有相互垂直的、两相绕组,取相轴线与a相轴线重合,相绕组轴线超前相90°,则在绕组中通上互差90°的两相平衡交流电时,也能建立与三相绕组等效的旋转磁场。利用、两相绕组等效代替定子三相绕组的作用。假设同步电机的定子三相绕组通上时间上互差120°的三相正弦交流电,而经过 变换后的两相电流分别为 ,则 变换的公式为:其变换后的结果仍是交流分量且频率保持不变,变换后两变量为正交分量,其反变换为:1.2 120变换

6、又称作对称分量变换,属于定子坐标系变换。在三相系统中,我们可以把任意一组不对称的三个相量分解成三组对称分量。对称分量法是将不对称的三相电流和电压各自分解为三组分别对称的分量,在利用线性电路的叠加原理,对这三组对称分量分别按对称三相电路进行叠加。其变换公式为:反变换为:1.3 dq变换也就是著名的park变换,是一种将参考坐标自旋转电机的定子侧转移到转子侧的坐标变换。其标准变换矩阵方程式为:其反变换为:2时频分析方法 在频域分析中用到的傅里叶变换法是时域到频域转换的工具,虽然它能把信号的时域和频域联系起来,但在分析过程中,信号的时域波形中不包含任何频域信息,傅里叶谱是对整个时间域内的积分,没有局

7、部化分析信号的功能,完全不包含时域信息。导致信号分析中时域和频域存在“局部化矛盾”。可见,傅里叶变换只能分别从时域和频域对信号进行观察。对于一些非平稳信号例如电压暂将等问题,仅从时域或频域单方面考虑是不够的,必须从两方面同时结合分析。因此必须采取新的分析方法。时频分析方法有很多种,其中典型的有短时傅里叶变换、小波变换、S变换等。2.1短时傅里叶变换 短时傅里叶变换弥补了傅里叶变换不能同时进行时域和频域分析的缺陷。电力系统的信号虽然是时变的、非平稳的,但在一个时间较短的区间内,可以看做是一个平稳的过程,由此可以认为:如果把所有的短时间内的信号叠加起来,就可以得到一个完整的非平稳信号,这就是短时傅

8、里叶的基本思想。把一个信号分解,用傅里叶变换分析每个时间间隔的频率,这些频谱的总体就可以表征频谱在时间上有怎样的变化。由于短时傅里叶变换的时-频窗口大小是固定不变,由此也决定了它的分辨率不能随频率和时间的变化而变化,就相当于一个放大倍数固定的显微镜,只适合分析所有特征尺度大致相同的各种过程,窗口没有自适应性,不适合分析多尺度信号过程和电能突变过程。2. 2小波变换 小波变换是一种有效的时频分析方法,它不仅继承和发展了短时傅立叶变换局部化的思想,还克服了窗口大小不随频率变化的缺点,即小波变换可以在时域-频域局部化,并且时窗和频窗的宽度还可以调节,此外小波变换的函数衰减很快,也属一种暂态波形,在暂

9、态电能质量分析领域它表现出了其他分析方法所不具备的优点,.能检测到电压暂将等突变信号,在低信噪比的信号中,小波变换还可以滤去噪声恢复原信号。因此,小波变换作为一种信号时频分析和处理的理想工具在电能质量扰动识别中的到广泛的应用。2. 3 S变换方法S变换方法是在前文所述两种方法的基础上发展起来的一种时频分析方法。S变换不仅具有短时傅里叶变换单频率独立分析的能力,还具有小波变换的时域和频域局部化特性,具有自适应时频窗,是小波变换的一种扩展,但不是严格时频分析方法在频域分析中用到的傅里叶变换法是时域到频域转换的工具,虽然它能把信号的时域和频域联系起来,但在分析过程中,信号的时域波形中不包含任何频域信

10、息,傅里叶谱是对整个时间域内的积分,没有局部化分析信号的功能,完全不包含时域信息。导致信号分析中时域和频域存在“局部化矛盾”。可见,傅里叶变换只能分别从时域和频域对信号进行观察。对于一些非平稳信号例如电压暂将等问题,仅从时域或频域单方面考虑是不够的,必须从两方面同时结合分析。因此必须采取新的分析方法。即时频分析方法。时频分析方法有很多种,其中典型的有短时傅里叶变换、小波变换、S变换意义上的小波变换。广义S变换通过调节高斯窗口的宽度来改变时频分辨率,能更好的对扰动信号进行分析,在电能质量信号分析中的到广泛应用。4、 电压暂降特征参数的检測 1、基于d q变换的电压暂降检測算法 对于一个理想的电力

11、系统,假设三相电压为：式中、U、分别为电压角频率、电压有效值及a相电压的初相位。进行d q变换:式中,矩阵C为:经过d-q变换就可以把三相交流系统中的电压分量转换为直流分量,得到由此可以立即求得电压的有效值和相位角。 以上讨论是在理想条件下,实际的电力系统中,三相电压中既有基波电压，又含有高次谐波电压,此时经过d-q变换所得到的信号中,直流成分对应着原来的基波电压，而变换获得的谐波分量将对应原来的h-1次谐波电压。所以必须对信号进行低通滤波提取其直流分量。所以此时根据，才可以求得电压的有效值和a相电压的初相位：通过以上分析可以得到,此算法快速性较好,一旦有电压暂将发生,可以立刻检测到电压的有效

12、值或相位角。2.单相电压暂降的检測方法 实际系统发生的电压暂降多为单相事件,而且很多电压暂降不仅引起PCC电幅值的降低,还会引起电压的相位跳变。因此对单相电压实时监测,判断是否发生电压暂降具有非常重要的意义。 前文所述基于d-q变换的电压暂降检测算法是专门针对于三相电路的,不能用于单相电压暂降情况。但我们根据三相三线制系统的特点,以单相电源为参考电压构造出虚拟的三相电压,进行d-q变换后提取直流分量进行分析。这种方法不仅可以对单相电压的任意一相进行检测,而且对于伴随电压暂降出现的相位突然改变也能有效的检测。但是这种方法原理复杂,必须把电压由单相转换成三相电压才能进行检测,在转换过程中计算量大。

13、 另外一种传统的单相电压暂降检测算法是把单相电压从坐标系转换到d-q坐标系中，在转换过程中需要虚构电压来完成转换,再通过低通滤波器提取直流分量对单相电压暂降的特征参数进行分析。 以上分析的两种方法都需要虚构电压把单相转换到三相，在这个转换过程中就出现虚构电压和实际电压相比较有一定的延时,导致故障发生时检测时间变有可能出现短时扰动,使检测精度降低,导致动态电压恢复器的补偿效果变差。五、电力电子变流器在电力系统中所用的变流器，从原理上大体可以两类：一类是基于半控器件的相控型变流器；另一类则是基于全控器件的变流器。1、相控型变流器相控型变流器主要是采用半控器件作为开关器件所构成的变流器。由于晶闸管的

14、特点在于其开通过程是在器件处于正向偏置时，通过在门极施加的脉冲信号加以控制；关断时刻则是当器件在外界条件的作用下，比如处于反向偏置时，使得流经该器件的电流小于其维持电流时自行关断，所以此类变流器也被称为线路换相型变流器。如图1所示，它是由一对反并联连接的晶闸管VT1、VT2构成的交流开关与作为负荷的无源元件相串联组成。通过其开关作用，在作为负荷的无源元件中产生一个基频分量的频率和电源频率相同，但有效值可调的交流电流，相当于调节负荷的等效阻抗，所以也被称之为阻抗控制型变流器。 图12、改进型变流器的电路结构 改进型变流器在三相桥的基础上又加入两个辅助可控硅 S7 和 S8 组成另外一个桥臂 ,因

15、其公共端连接到输入交流电源的中性线上 , 故又可称其为零线桥臂, 改进型变流器的主电路原理图如图2所示。这种改进型变流器通过控制触发两个辅助可控硅S7 和 S8 适时导通分别对三相桥共阴极组或共阳极组的可控硅元件实施强迫关断作用,目的旨在实现符合最佳功率因素原则的运行方式。 图22.1 改进型变流器电压 、线电压和中性线电流计算 因为整流和逆变的电压波形是相互对称的,所以这里仅以整流方式加以讨论。整流输出电压 在 30°150° 区间, 有辅助可控硅导通, 输出电压 Ud 的平均值为: 在30°时,零线桥臂上的辅助可控硅不导通,变流器与常规的三相全控桥电路控制方式

16、相同, 输出电压为:交流线电流在触发控制角30°时 ,线电流与常规的三相桥控制方式相同 ,不随直流电压变化而变化。 在 30°150° 区间, 线电流则随增大而减少 中性线电流 流经零桥臂两个辅助可控硅和电源中性点间的电流定义为中性线电流, 在30°区间 , Ir 保持为零( S7 和 S8 不导通)。在 30°150°区间, Ir 建立且频率为主桥可控硅上通过电流的三倍。六、结论 随着现在经济社会的发展和电力系统的改革,电能质量已经引起广大电力用户的高度关注,而且也成为电力部门工作重心。本文主要工作及研究结论如下:1、分析电能质量监

17、测发展现状,随着电力用户对电能质量监测装置的实时性和可扩展性的要求逐步提高,研制性能优良功能齐全使用方便的电能质量监测装置符合社会发展需要。2、在现有的电能质量检测算法的基础上,重点电压暂降的检测算法讨论分析,并在此基础上进行改进,分析了算法的性能。电能质量监测仪具有巨大的市场空间,研究所涉及范围是相当广的,由于时间仓促,本人水平有限,电能质量监测仪只是对电能的监测,要想获得用户满意的电能,还要进一步采取有效的治理措施。参考文献1GB/T 12326-2000,电能质量,电压波动和闪变S,北京:中国标准出版社,2000.2GB/T 12325-2003,电能质量,供电电压允许偏差S,北京:中国标准出版社,2004