何軍

（四川職業(yè)技術(shù)學院電子電氣工程系， 629000）

基于小波變換的電網(wǎng)電能質(zhì)量評估與MATLAB仿真

何軍

（四川職業(yè)技術(shù)學院電子電氣工程系， 629000）

隨著電力市場和國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電能質(zhì)量問題已經(jīng)引起世界各國電力部門和用戶的廣泛關(guān)注，供電質(zhì)量不高將引起某些重要生產(chǎn)過程中斷，導(dǎo)致工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量下降，從而造成嚴重的經(jīng)濟損失.本文根據(jù)電能質(zhì)量擾動信號的非平穩(wěn)性，通過分析小波變換的原理，利用小波變換能夠突出信號局部特征的特性，分析了利用小波變換對電網(wǎng)電壓跌落及周期脈沖等典型電能質(zhì)量擾動進行判斷與定位的方法.相應(yīng)的仿真結(jié)果說明小波變換是對電能質(zhì)量擾動進行判斷和定位的有效途徑.

電能質(zhì)量；小波變化；電壓跌落；仿真

1 引言

電能是一種經(jīng)濟、實用、清潔且易控制和轉(zhuǎn)換的能源形態(tài)，是供電部門向電力用戶提供并由發(fā)電、供電、用電三方共同保證質(zhì)量的一種特殊產(chǎn)品[1].近年來，電力電子裝置等非線性設(shè)備的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用造成電網(wǎng)電能質(zhì)量日益惡化；與此同時，隨著基于計算機系統(tǒng)的控制設(shè)備和精密儀器在國民生產(chǎn)和生活中的普及，也需要高質(zhì)量的電能質(zhì)量.因此，從20世紀80年代末以來，電能質(zhì)量已成為電力部門及其用戶日益關(guān)注的問題.據(jù)國際會議報告介紹，無論國內(nèi)國外，電能質(zhì)量問題都造成了巨大的經(jīng)濟損失.因此，要滿足現(xiàn)代工業(yè)和廣大電力用戶的要求，就必須理解和重視現(xiàn)代電能的質(zhì)量問題，考慮從技術(shù)、運行管理、經(jīng)濟等方面著手，加大力度保證優(yōu)質(zhì)供電.

2 概述

2.1 電能質(zhì)量評估的國內(nèi)外動態(tài)

對于電能質(zhì)量，目前還沒有一個準確、統(tǒng)一的定義.但電能質(zhì)量問題是以電力用戶的生產(chǎn)需求驅(qū)動的，所以用戶的衡量標準應(yīng)占有優(yōu)先位置.在此原則的基礎(chǔ)上，關(guān)于電能質(zhì)量可定義為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差[2].

國外通常使用功率因數(shù)、總諧波畸變率等幾種指標來對電能質(zhì)量進行評價，但這具有定量性，對非周期信號存在不協(xié)調(diào)的問題，因此要考慮如何處理畸變、不平衡現(xiàn)象的功率定義.雖然國外在這方面已作了大量研究，但至今也無一致的結(jié)論和意見[3].從信號處理上來說，電能質(zhì)量分析領(lǐng)域應(yīng)用得最為廣泛的分析方法是以傅里葉變換法、小波變換法為代表的變換域方法.

國內(nèi)方面，我國相繼出臺多項國家標準來保證我國的電能質(zhì)量.但關(guān)于暫態(tài)電能質(zhì)量問題，由于研究起步較晚，還處于摸索階段，還沒有統(tǒng)一的標準來描述和定義暫態(tài)電能質(zhì)量現(xiàn)象.但已經(jīng)逐步開展綜合應(yīng)用各種分析方法，例如將小波變換、FF T和人工智能相結(jié)合對暫態(tài)電能質(zhì)量進行檢測、分類與識別.這在電能質(zhì)量領(lǐng)域已成為一個新的研究方向.而關(guān)于小波變換在電能質(zhì)量問題的應(yīng)用，已有不少研究者取得了相應(yīng)的理論成果.

2.2 電能質(zhì)量干擾分類

由于過去沒有統(tǒng)一的標準來對各種擾動引起的電能質(zhì)量問題進行定義，I EEE第22標準統(tǒng)籌委員會和其他國際委員會建議用電壓跌落、電壓上升、電壓中斷、電壓瞬、變電壓畸變五種術(shù)語來描述主要的電能質(zhì)量干擾[4].

其中電壓跌落近年來受到了國際上較為密切的關(guān)注.這主要是因為引起電壓跌落的原因比較普遍，并且電壓跌落容易使調(diào)速設(shè)備出現(xiàn)跳閘、機電設(shè)備產(chǎn)生誤操作等各種故障.所以對各種擾動進行分類，是為了根據(jù)電壓信號的特征提取信息并且依據(jù)擾動持續(xù)的時間和擾動對信號幅值的影響綜合判斷信號干擾的種類.

3 基于小波變換的電能質(zhì)量評估與M A TTLA B仿真

3.1 電能質(zhì)量評估方法

穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量和暫態(tài)電能質(zhì)量是最主要的電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問題.穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題的特征主要為波形畸變；暫態(tài)電能質(zhì)量問題的特征通常是頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間，可分脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類.目前電力行業(yè)主要著眼于暫態(tài)電能質(zhì)量問題的分析與研究[5].而短時傅里葉變換（S T F T）、小波變換等幾種方法是暫態(tài)電能質(zhì)量問題的主要分析方法.短時傅里葉變換是用傅立葉變換分析信號的時間窗，以便確定該時間窗存在的頻率.這在一定程度上彌補了不具有時頻分析能力的傅立葉變換的缺陷.但其缺點是無法改變已確定的窗函數(shù)的窗口形狀.因此，短時傅立葉變換實質(zhì)上是具有單一分辨率的分析，必須重新選擇窗函數(shù)來改變其分辨率.而小波變換是一種時頻局部化分析方法，其時間窗和頻率窗都可改變，窗口大小固定但其形狀可變[6].因此，兩者的區(qū)別在于短時傅立葉變換只能用來分析緩變信號，但不能精確分析波形變化劇烈的信號.而小波變換能自動調(diào)節(jié)窗口大小，因此成為電能質(zhì)量評估方法中應(yīng)用較為普遍的一種方法.

3.2 小波變換

小波變換在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，所以被稱為“數(shù)學顯微鏡”[7].其可以對多種擾動實現(xiàn)時間定位的優(yōu)點在電能質(zhì)量評估中顯得尤為重要.但由于小波函數(shù)選擇的多樣化，使得用到的小波函數(shù)不同，小波分析的效果也不一樣.不同的小波函數(shù)分析同一個問題會產(chǎn)生不同的結(jié)果，因此如何選擇最優(yōu)的小波函數(shù)，在工程應(yīng)用中也是一個十分重要的問題.

為了在電能質(zhì)量檢測算法中實現(xiàn)電能質(zhì)量信號的時頻分析、突變檢測和無失真重構(gòu)，所選小波函數(shù)必須具備正交性、偶對成性，同時在時域和頻域中具有短時的支撐集，這樣才能對對電壓的上升、跌落、畸變等具有很有效的分析作用[8].根據(jù)國內(nèi)外的研究結(jié)果，M eyer小波由于其正交性、時域?qū)Τ尚?、計算靈活性以及具有線性相位等特點，用來進行電能質(zhì)量進行評估可以取得較好的效果.

3.3 仿真與分析

3.3.1 仿真結(jié)果

對電能質(zhì)量的干擾主要有電壓跌落、電壓上升、電壓中斷、電壓畸變、電壓瞬變[9].本文以幅值為1的含有不同比例諧波信號的電壓信號為例，用M eyer小波變換在M A TL A B中對上述幾種情況的電網(wǎng)信號進行仿真分析.其仿真結(jié)果如下圖所示.

圖1 正常電壓情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖2 電壓跌落情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖3 電壓上升情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖4 電壓中斷情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖5 電壓畸變情況下的小波變換仿真結(jié)果

圖6 電壓瞬變情況下的小波變換仿真結(jié)果

3.3.2 仿真結(jié)果分析

圖1-圖6中上圖為含諧波分量的電壓信號，分別表示了正常電壓、電壓跌落、上升、畸變、中斷、瞬變等情況；下圖為經(jīng)過小波變換分解的高頻分量圖，突變點的時間可以通過其幅值的變化來判斷.對各種情況的仿真結(jié)果分析如下：

a)圖1為經(jīng)過小波變換后的正常電壓的仿真結(jié)果.電壓是一個標準的的正弦波，其幅值為1，而其對應(yīng)的高頻分量圖是一條信號波動很小的近似的直線.因此在正常電壓情況下，高頻諧波分量對電壓信號不會造成任何影響.

b)圖2圖3圖4分別為電壓出現(xiàn)跌落、上升、中斷變化時，經(jīng)過小波變換后的仿真結(jié)果.設(shè)電壓在500至750之間的采樣點突然發(fā)生了變化（電壓跌落、上升、中斷）.而在對應(yīng)的高頻分量圖上產(chǎn)生了兩個高頻脈沖，其對應(yīng)位置在500和750這兩個采樣點上，正好與電壓信號發(fā)生變化的時間相吻合，說明高頻諧波信號在這兩個時間點上對此電壓信號產(chǎn)生了影響.

c)圖5圖6為電壓突然發(fā)生畸變及瞬變時經(jīng)過小波變換后的仿真結(jié)果.圖5電壓發(fā)生震蕩畸變的采樣點為550，對應(yīng)的高頻分量圖上產(chǎn)生了一個高頻脈沖其對應(yīng)位置在550這個采樣點上.圖6電壓同時發(fā)生震蕩的畸變和三處瞬間的變化，其采樣點分別為550，100、250及1000，而對應(yīng)的高頻分量圖產(chǎn)生高頻脈沖的時間點也與這幾個采樣點一致.這說明高頻諧波信號在相對應(yīng)的畸變或瞬變時間點上會對此電壓信號產(chǎn)生影響.

4 結(jié)論

在工程實際中電網(wǎng)電壓由于諧波存在而產(chǎn)生的擾動常常出現(xiàn).例如會受到諧波影響使電壓突然跌落或上升；由于網(wǎng)絡(luò)故障使電壓出現(xiàn)中斷；由于非線性負載的諧波影響使電壓出現(xiàn)瞬態(tài)衰減震蕩干擾或脈沖干擾.對電網(wǎng)電能質(zhì)量評估就是對這些干擾進行準確的捕獲和定位，并以此來分析電能質(zhì)量和擾動的原因.通過對各種情況的M A TL A B仿真結(jié)果分析，證明了小波分析對電網(wǎng)電壓信號諧波檢測的準確性.如果能夠更準確地分析實際信號的特點，從而選擇合適的小波函數(shù)，那么基于小波變換的電網(wǎng)電能質(zhì)量評估將會有更廣闊的情景.

[1]譚國貞.基于小波變換的電能質(zhì)量分析方法的研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[2]肖湘寧,徐永海.電能質(zhì)量問題剖析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001 (3):66-69．

[3]肖國春,劉進軍,王兆安.電能質(zhì)量及其控制技術(shù)的研究進展[J].電力電子技術(shù)，2000,(6):58-60.

[4]吳曉朝,方立新,郭紅霞.一種基于小波變換的電能質(zhì)量特征量提取及分類的方法[J].控制理論與應(yīng)用,2008,（2）:326.

[5]劉銳.基于小波變換的電能質(zhì)量擾動的研究[D].廈門：廈門大學，2005.

[6]肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京:中國電力出版社,2004.

[7]蘇變玲.基于小波變換方法的電力暫態(tài)和諧波信號檢測方法的研究[D].西安：西安電子科技大學，2005.

[8]黃勇.電能質(zhì)量擾動識別與分類的研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[9]耿玲.基于M eyer小波變換方法的蘇州電網(wǎng)電能質(zhì)量的評估與改善[D].蘇州：蘇州大學，2008.

EstimateofWaveletTransform Based PowerQualityandMATLABSimulation

HE J un
(S ichuan V ocational and T echnical C ol lege,S uining S ichuan629000)

W ith the rapid de v elopment of po w er mar k et and national economy,the problem of po w er qual ity has caused w idespread concern of al l elect ric po w er depar tments and users o v er the w or ld.T he qual ity of po w er supply is not high w i l l cause interruption in some impor tant production process, leading to the decl ine of indust rial products’qual ity,thus causing serious economic losses.A ccording to the nonstationarity of po w er qual ity disturbing signal,by analy z ing w a v elet t ransform theory,using the characteristic that w a v elet transform can highl ight the local characteristics of signals,this ar ticle analy z es the j udging and locatingmethod of w hich w a v elet transformcan disturb po w er qual ity suchasgrid v ol tage sags and periodic pulse.T he cor responding simulation resul ts sho w that w a v elet t ransformis theef fecti v e w ay to j udgeand locate po w er qual ity disturbing.

P o w er Q ual ity;W a v elet T ransform;V ol tage S ag;S imulation

TM 7

A

1672-2094(2013)01-0142-04

責任編輯：張隆輝

2012-09-20

何 軍（1963-），男，重慶萬州人，四川職業(yè)技術(shù)學院電子電氣工程系列教授.研究方向：電氣自動化.