王 英 王 軍 母秀清

(西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039)

0 引言

將IEC 61850引入電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)通信中［1］，可以將所有設(shè)備置于同一通信平臺下，實(shí)現(xiàn)不同線路監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)信息共享?；跀?shù)學(xué)變換的方法是目前研究和應(yīng)用較為廣泛的電能質(zhì)量分析方法［2］，主要包括快速傅里葉變換方法(FFT)、Prony分析方法以及近年來出現(xiàn)的小波變換方法等。FFT方法是一種全局變換法;Prony分析法適用于電能質(zhì)量擾動的檢測與分析［3］;小波變換法的出現(xiàn)為電能質(zhì)量分析開辟了新的研究方向。

本文基于IEC 61850提出一種電能質(zhì)量檢測智能電子設(shè)備 IED(intelligent electronic device)的框架［4］，并建立了電能質(zhì)量檢測智能電子設(shè)備IED數(shù)據(jù)模型;同時(shí)提出了一種基于小波變換和FFT相結(jié)合的數(shù)字信號處理方案。

1 構(gòu)建電能質(zhì)量檢測IED框架

1.1 電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)

目前，電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)已經(jīng)形成了SCADA系統(tǒng)模式［5－6］，并采用 B/S或者 C/S結(jié)構(gòu)。具體電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

圖1中:多功能、全數(shù)字化的面向?qū)ο蟮臋z測單元把各類電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)信息通過龐大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)匯集到電能質(zhì)量數(shù)據(jù)庫中心，各部門通過網(wǎng)頁瀏覽的方式對自己所關(guān)心的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和應(yīng)用。

1.2 電能質(zhì)量檢測IED框架模型

電能質(zhì)量檢測IED位于數(shù)字化變電站間隔層，它采用數(shù)字式接口與過程層的合并單元通信，取代了原有的硬線與電壓互感器、電流互感器連接的方式。IED所需信息的數(shù)字量由電子互感器取得。電能質(zhì)量檢測IED對象模型如圖2所示［7］。

圖2 電能質(zhì)量檢測IED對象模型Fig.2 Object model of power quality monitoring IED

圖2中:最右側(cè)的單元分別是電能質(zhì)量測量功能模型和電能質(zhì)量事件檢測功能模型。每個邏輯設(shè)備都包含邏輯節(jié)點(diǎn)0和物理裝置信息邏輯節(jié)點(diǎn)。圖中14個邏輯節(jié)點(diǎn)均已經(jīng)定義好，完全符合IEC 61850規(guī)則以及XML編碼規(guī)則。

依照圖1的思想，各電能質(zhì)量檢測IED之間以及電能質(zhì)量檢測IED與站控層之間的通信方式采用IEC 61850-9-2的多點(diǎn)通信方式。

2 數(shù)據(jù)處理方案的提出

本文提出的基于小波變換和傅里葉變換相結(jié)合的檢測方案采用小波分解和重構(gòu)的方法對信號的高頻和低頻部分進(jìn)行處理。對于包含噪聲和奇異信息的高頻成分，利用小波變換確定信號突變點(diǎn)和高頻諧振的發(fā)生時(shí)刻及幅值;對于低頻成分，則運(yùn)用傅里葉變換確定各次諧波的含量、相位和幅值。

2.1 小波變換

小波變換是最近幾年研究發(fā)展的熱點(diǎn)［8－9］。它具有局部分析能力，是對奇異信號、非線性信號和暫態(tài)信號進(jìn)行分析的有效而先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具。小波變換和傅里葉變換都具有連續(xù)和離散兩大特性分析形式，分別為一維連續(xù)小波變換(CWT)和離散小波變換(DWT)。假設(shè)小波函數(shù)為φ(t)，它為雙窗函數(shù)，在中，a為表征頻率的參數(shù)尺度，b為表征時(shí)間和空間位置的參數(shù)。這里假設(shè)實(shí)際信號為f(t)，使用離散小波變換(DWT)，將尺度a和偏移b取做冪級數(shù)的形式，即:

這里a0為固定值，一般假定a0＞1(在實(shí)際應(yīng)用中，采用二進(jìn)離散小波變換，即取a0=2，b0=1)，則對應(yīng)的離散小波為:

信號f(t)的離散小波變換系數(shù)為:

以5層多分辨率分析為例，其小波分解樹如圖3所示。

圖3 小波分解樹Fig.3 Wavelet decomposition tree

圖3中:f(n)為原始離散信號;CA1和CD1分別為一次分解后的低頻部分和高頻部分。

從圖3可以看出，多分辨率分析只是對低頻部分進(jìn)行進(jìn)一步分解，而高頻部分則不予考慮。

2.2 數(shù)據(jù)分析的改進(jìn)方案

改進(jìn)方案首先對信號進(jìn)行二進(jìn)離散小波變換，把信號分解為高頻信號和低頻信號。穩(wěn)態(tài)諧波、突變和間斷點(diǎn)等奇異信號分量一般分布在小波變換以后的細(xì)節(jié)部分，對這部分信號需要進(jìn)行模極大值的分析;對于穩(wěn)態(tài)的低頻信號部分，則采用傅里葉變換進(jìn)行分析，取出穩(wěn)態(tài)諧波分量。

信號處理流程如圖4所示。

圖4 信號處理流程圖Fig.4 Flowchart of signal processing

3 數(shù)據(jù)處理仿真分析

3.1 小波函數(shù)的選取

小波基的選擇標(biāo)準(zhǔn)主要有緊支撐性、對稱性、正交性和正則性以及是否存在快速變換等。針對這些標(biāo)準(zhǔn)，選用Daubechies小波。

3.2 分解層數(shù)的確定

根據(jù)國標(biāo)中對諧波的要求，電力系統(tǒng)對諧波的分析一般要進(jìn)行60次諧波，因此，設(shè)采樣所得的電壓或者電流信號的允許諧波頻率為3000 Hz。根據(jù)采樣定理，最小的采樣頻率為6000 Hz。為了分析電力系統(tǒng)諧波，必須確定合理的分解層數(shù)，對信號的頻帶進(jìn)行正確的劃分。頻帶劃分的原則是盡量使信號的基頻fb位于最低子頻帶的中心，從而限制基頻分量對其他子頻帶的影響。設(shè)采樣頻率為fs，則頻帶的劃分?jǐn)?shù)目由下式取整求得:

式中:采用的基頻fb=50 Hz，實(shí)際采用的采樣頻率為6400 Hz，基波周期為0.02 s，每基波周期采樣128點(diǎn)，那么p=6。

對該電力信號進(jìn)行5層多分辨率分析，所得的頻帶范圍為0 ～100 Hz、100～200 Hz、200～400 Hz、400 ～800 Hz、800 ～ 1600 Hz、1600 ～ 3200 Hz。

3.3 建模和仿真

這里對變壓器空載合閘情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過采用ATP-EMTP仿真程序進(jìn)行建模仿真考察，仿真模型如圖5所示。

圖5 仿真模型Fig.5 The simulation model

仿真模型的電氣參數(shù)正弦電壓為1000 V;頻率為50 Hz;初始角選取A 相為0°、B 相為120°、C 相為240°;時(shí)控開關(guān)設(shè)置為0.1 s時(shí)閉合，0.5 s時(shí)斷開;電感模型采用96號;理想變壓器變比為100∶1;RLC數(shù)據(jù)均為1000 Ω，采用三角接線。圖6所示為變壓器空載A相涌流圖。

圖6 空載A相涌流圖Fig.6 A phase surge map of no-load transformer

利用ATP中的轉(zhuǎn)換子程序PL42MAT把ATP的.pl4波形文件轉(zhuǎn)換為Matlab所需的波形文件.mat。為了精確定位變壓器空載合閘情況的信號奇異點(diǎn)，選取110000～116400采樣點(diǎn)進(jìn)行小波5層分析。小波變換多分辨率分析的近似部分可以精確定位信號奇異點(diǎn)。小波變換的高頻系數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 小波變換的高頻系數(shù)曲線Fig.7 The high frequency co-efficients of wavelet transform

圖7 中:X 為原始信號;d1、d2、d3、d4、d5為小波分解的各層高頻系數(shù)。

由于傅里葉變換不具有時(shí)間分辨率，因此，必須借助小波分解。從圖7可以看出，在信號的第一層高頻系數(shù)d1中可以明顯看到t=460、t=604、t=3700和t=3886這4個間斷點(diǎn)。

繼續(xù)以A相為例，在該信號低頻段重構(gòu)恢復(fù)到原信號的全部時(shí)間段，繼續(xù)在ATP中進(jìn)行低頻穩(wěn)態(tài)的傅里葉分析。利用ATP自帶的傅里葉變換子程序可以自動計(jì)算描繪出對應(yīng)的各整次諧波含量。當(dāng)總諧波畸變率=38.6%時(shí)，A相諧波幅值和相位如表1所示。

表1 A相諧波幅值和相位Tab.1 The amplitude and phase of phase A harmonic

4 結(jié)束語

本文在研究IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出一種電能質(zhì)量檢測IED的框架，并且對電能質(zhì)量監(jiān)測裝置做了詳細(xì)分析和邏輯設(shè)備的節(jié)點(diǎn)建模，這對變電站內(nèi)其他設(shè)備建模具有實(shí)際意義。同時(shí)，在具體的電能質(zhì)量檢測IED中的數(shù)據(jù)處理過程中［10］，提出用小波變換和快速傅里葉變換相結(jié)合的方法對電能質(zhì)量問題進(jìn)行處理。通過對該數(shù)據(jù)處理方案進(jìn)行仿真分析可知，小波變換特別適合突變信號和不平穩(wěn)信號等暫態(tài)信號的分析;對于穩(wěn)態(tài)諧波分析，F(xiàn)FT可以直接得到波形所含的各頻譜分量和畸變率。實(shí)驗(yàn)證明，該方案是一種行之有效且理想的方案。

［1］李辛中，上官帖，辛建波，等.開放式電能質(zhì)量綜合監(jiān)測系統(tǒng)的研究［J］.江西電力，2007，31(1):4 －6.

［2］胡銘，陳珩.電能質(zhì)量分析方法綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(2):36－38.

［3］劉應(yīng)梅，高潔.基于Prony法的暫態(tài)擾動信號分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(4):26 －30.

［4］李鵬，游大海.基于IEC 61850的對象模型在電能質(zhì)量監(jiān)測IED中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)通信，2006，27(12):66 －70.

［5］何為.IEC61850與中國變電站自動化［C］∥全國電力系統(tǒng)自動化學(xué)術(shù)交流研討大會，2004:264－268.

［6］孫軍平，盛萬興，王孫安.新一代變電站自動化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，23(3):16 －19.

［7］吳在軍，竇曉波，胡敏強(qiáng).基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字保護(hù)裝置建模［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(27):81 －84.

［8］Ge Ji，Wang Yaonan.Multi-scale shaft parts edge detection and measurement based on wavelet transform［C］∥IEEE Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence and Industrial Application，2008:371－375.

［9］Driesen J，Belmans R.Wavelet-based power quantification approaches［J］.IEEE Trans.on Instrumentation and Measurement，2003，52(4):1232－1238.

［10］劉芳，陳君誠，韓璐，等.基于小波變換和快速傅里葉變換的電網(wǎng)諧波分析［J］.通信電源技術(shù)，2009(5):52－54.