瞬時無功功率理論電能質量擾動分類

2019-11-03 10:01:20

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供稿：網友

　　魏磊1，張伏生1，耿中行2，張柏林1，李寧1，劉沛3

　　(1．西安交通大學電力工程系，陜西省西安市710049；2．空軍裝備技術部第一研究所，北京 100076；3．西安建筑科技大學，陜西省西安市710055)

　　DETECTION, LOCALIZATION AND IDENTIFICATION OF POWER QUALITY DISTURBANCE BASED ON INSTANTANEOUS REACTIVE POWER THEORY

　　WEI Lei1，ZHANG Fu-sheng1，GENG Zhong-xing2，ZHANG Bai-lin1，LI Ning1，LIU Pei-jin3

　　(1．Department of Electric Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi PRovince， China；2．Research Center for Aviation Engineering and Technology，Beijing 100076 China；3．Xi’an University of Architecture & Technology，Xi’an 710055，Shaanxi Province，China)

　　ABSTRACT：An effective method to detect, localize, identify, and classify power quality disturbance is proposed. Firstly, the signal containing noise is de-noised by wavelet transform to obtain a signal with higher signal-to-noise ratio. Then the de-noised signal is differentiated to form a difference signal and the duration and position of the disturbance can be determined. Using phase-shifting of the de-noised single phase signal by -60° to achieve a virtual symmetrical three phase voltage system and using the three phase voltages to substitute the three phase currents, the instantaneous active power can be calculated by means of instantaneous reactive power theory, and then the amplitude of instantaneous voltage can be calculated, therefore, the type of the disturbance can be identified by the duration and amplitude of the disturbance.

　　KEY WordS： Instantaneous reactive power theory；Wavelet de-noising；Classify and identification；Power quality disturbance；Power system

　　摘要：提出了一種對電能質量擾動進行檢測、定位、辨識與分類的有效方法。首先對含有噪聲的信號進行小波去噪處理，得到信噪比較高的信號，再對去噪后的信號進行差變處理得到差變信號，通過小波去噪和信號差變法來確定擾動的位置和持續時間。將去噪后的單相電壓信號通過移相-60°得到三相電壓，并用三相電壓代替三相電流，利用瞬時無功功率理論計算出瞬時有功，進而計算出瞬時電壓幅值，根據擾動的持續時間和擾動的幅度對擾動類型進行識別。

　　關鍵詞：瞬時無功理論；小波去噪；分類與識別；電能質量擾動；電力系統

　　1 引言

　　如何正確分類與識別諸如電壓上升(voltage swell)、電壓跌落(voltage sag)、瞬時脈沖、瞬時斷電、暫態振蕩等電能質量擾動，在電能質量研究領域中已越來越受到重視。國內外學者已提出了許多檢測方法，其中小波變換尤為突出[1-4]。

　　許多文獻在采用小波技術解決電能質量擾動識別問題時，多數未考慮噪聲的影響；而實際電網中通常含有噪聲，這使得小波變換中反應高頻信號的前兩個尺度往往不能正確提取一些電能質量擾動的特征量，及諧波存在時不能正確確定發生在工頻相位0˚或p 附近的電壓上升與電壓跌落的開始時刻與持續時間，因此減少噪聲干擾十分必要。

　　文[5]作者建議在時域分析所有擾動。文[6]在無噪聲的情況下在時域分析了擾動信號。時域分析的特點是簡單、快捷，但噪聲的影響使得分析產生較大的誤差。此外，對電能質量擾動的分類需借助于電壓幅值的計算，而傳統計算幅值的方法速度較慢，采用瞬時無功功率理論計算電壓幅值可提高運算速度。本文先采用小波軟閾值去噪技術去除測量信號中的噪聲，再在時域內鑒別擾動發生的時刻和持續時間。對去噪后的單相電壓信號延遲60°可得到三相電壓，將三相電流用三相電壓代替，進行a–b 變換，得到瞬時有功功率，且對變換結果進行簡單的數字處理，即可得到與擾動波形相似的變換結果，從中提取信號的特征，從而對電壓上升、電壓跌落、瞬時斷電、暫態振蕩、電壓短時跌落(voltage dip)、暫態脈沖等擾動類型進行分類。

　　2 采用小波軟閾值去噪

　　電能質量擾動的電壓信號不是平穩信號，普通濾波器在濾除噪聲的同時可能也將有用的高頻信號一并濾除，小波濾波器可很好地解決這個問題。小波變換具有時頻分析的能力，可在時域和頻域內有效區分信號和噪聲。文[7]作者提出的小波軟閾值去噪方法近年來得到廣泛應用，其去噪效果被證明是有效的。

　　對一維信號進行去噪處理是小波分析的一個重要應用。一般來講小波去噪分為以下三個步驟：

　　(1)選擇一個小波并確定小波分解的層數，再對信號進行小波分解。3次B樣條小波是對稱小波，因而具有線性相位，它在信號分解與重構時可保持信號各頻率分量的相位不變，在抑制噪聲和提取邊緣方面效果較好，本文將分解層數取為3；

　　(2)對小波分解高頻系數進行閾值量化處理。對1-3層的每一層高頻系數選擇一個閾值進行軟閾值量化處理；

　　(3)進行一維信號的小波重構。根據分解的3層低頻系數和經量化處理的1、2、3層高頻系數，進行一維信號的小波重構。

　　三個步驟中的關鍵是選擇閾值和進行閾值量化，由于分解層數較少，本文采用軟閾值算法。設某一采集信號為x(n)，其長度為m，對x(n)進行B樣條小波變換，小波的分解層數定為3，則得到相應的小波高頻系數為d1、d2、d3，低頻系數為c1，軟閾值去噪過程為：

　　4)對處理后的小波系數進行重構，得到去噪后的信號。

　　設一個含有噪聲的純正弦信號為

　　 x(t)=50sin(100πt)+e(t) (1)式中 e(t)為噪聲。差變信號為

　　 y(t)=x(t)-x(t-T)

(2)

　　式中 T為工頻周期。圖1為去噪前后的差變信號，為敘述方便，本文圖中時間用采樣點來描述，采樣頻率為20kHz。由圖1可見，去噪處理提高了差變信號分析擾動時刻、擾動持續時間的準確度，這比小波分析更方便、更準確。

　　3 采用瞬時無功功率理論確定電壓信號幅值

　　瞬時無功功率理論可用于諧波和無功電流的檢測[8,9]，本文用來確定電壓信號變化的幅度。

　　式中 Cαβ 為不含有零序分量的Park變換矩陣Ppark在時的值。

　　三相電壓和電流均為正弦波時，即

　　由于系統電壓信號可能含有諧波量，測量的系統擾動是發生在單相電壓上的，因此要應用該方法需先得到三相電壓和三相電流。解決途徑如下：對稱三相系統中，各相具有電壓波形相同、相位互差120°的特點，因此只要將ua(t)延遲60°就可得到-uc(t)，ub(t)=-ua(t)-uc(t)。再用三相電壓代替三相電流，即

　　這樣處理不需要確定相位，減少了三相不平衡帶來的負面影響。

由式(3)、(4)可計算出p(t)和q(t)，由于u(t)與i(t)之間無相位差，即 =0°，因此瞬時無功功率q(t)為零，只剩下瞬時有功功率

　　如沒有諧波的影響，即k=1，則k≥2時Ek=0，是一直流分量，電壓幅值為E1。此時計算某一時刻t的電壓幅值只需計算t和t+T/3時刻的電壓瞬時量，計算速度明顯提高。當ua(t)中含有諧波分量時，中除了直流分量外還包含諧波分量，如式(10)所示，這就需通過濾波來提取直流分量計算電壓幅值。對于諧波次數為 ( )次的諧波，通過運算就可將其濾除。以此為出發點，借助于數字濾波器的設計思想構造簡單的濾波器，可以得到比較理想的直流信號。的計算公式為

　　式中 w=2πf ，f為工頻頻率。

　　系統中不含有諧波時，得到的瞬時有功功率p(t) 應是一條直線，如圖2所示，系統中含有諧波時，p(t) 如圖3(a)所示，經式(9)處理后的p(t)(即 p(t))如圖3(b)所示。

　　濾波后得到了瞬時有功功率p1(t)，其值為

　　比較式(14)、(15)可見，本文的電壓有效值計算公式非常簡便。

　　4 確定擾動發生的時刻和持續時間

　　由去噪后的信號x(t)產生一差變信號d(t)=x(t) -x(t-T)。由于d(t)中含有噪聲的影響，結合擾動的實際幅值情況確定閾值為+x(t)和-x(t)，即d(t)值不在-x(t)-+x(t)之間的即認為有擾動發生。對于某一擾動來說，d(t)曲線反應了兩次變化，為敘述方便引入變量L、R和K。檢測第1次變化的開始時刻t1，即認為t1+T為擾動開始時刻，從t1+T時刻開始向前檢測到第1次變化的截止時刻t2，L=t2-t1。根據電氣與電子工程師學會(IEEE)關于電能質量擾動的標準[10]：如在t1-t1+T之間d(t)值正、負變化的次數n大于或等于4，則為暫態振蕩；對于電壓短時跌落(voltage dip)和電壓暫態脈沖，其持續時間小于T/2，反映到變量L上，L即為持續時間，L
　　如L

　　如0

　　L>T/2 時，此種擾動為電壓上升、電壓跌落或電壓瞬時斷電，進一步的分類借助于幅度的計算，由于采用簡單濾波使得p1(t)在時的計算結果誤差很大，這時需根據變量p(t)來確定幅度的計算公式。

　　如T/21.1則為電壓上升，如0.1
　　如R>5T/4，持續時間為t3-t1，擾動發生于t1+T時刻，結束于t1+T+R時刻。如K>1.1則為電壓上凸，如0.10
　　系統信號中如無噪聲的影響，則只要將閾值設為零，對d(t)為零的值不予考慮，其余判斷同上所述。

　　5 算例及結果驗證

　　5.1 電壓上升、電壓跌落算例所采用的電壓信號數學表達式如式(12)所示，再加入一些白噪聲，信噪比為30dB[3]，采樣頻率為20kHz。電壓上升的幅度為1.1-1.9pu，電壓跌落的幅度為0.1-0.9pu，持續時間大于T/2，發生的相位為0°-90°。假設在800采樣點處發生電壓跌落，1800采樣點處結束，持續時間為0.05s，相位為0°，幅度為0.6pu，分析過程如圖4所示。

　　圖4中(本文圖中時間用采樣點來描述)，t1=403，t2=796，L=796-403=393，t3=1405，R=t3-t1=1405-403=1002>900，擾動的發生時刻為t1+T=803，幅度K=E(t1+T)/E(t1-T)=0.6012，該類型擾動為電壓跌落。比較圖4(e)與圖4(f)可知，如存在噪聲的影響，用差變法很難準確地檢測到擾動發生的時刻，在下文介紹的算例中均存在這種情況，因此進行去噪處理是有必要的。

　　5.2 電壓瞬時斷電

　　電壓瞬時斷電幅度為0-0.1pu，持續時間大于T/2，相位為0°-90°。在800采樣點處發生電壓瞬時斷電，1800采樣點處結束，持續時間為0.05s，幅度為0pu。分析過程如圖5所示。

　　圖5中，t1=399，t2=800，t3=1402，R=t3-t1= 1402-399=1003，擾動的發生時刻為t1+T=799，幅度K=E(t1+T)/E(t1-T)=0.0146。

　　5.3 電壓暫態振蕩

　　電壓暫態振蕩是由投電容器組、變壓器勵磁涌流、串聯電容等操作引起的，其持續時間一般小于T/2，幅度為0-8pu。設暫態振蕩信號為

　　 x(t)=15exp[-3.5( t=t0)/t]cos(20w(t=t0))

　　 (18)式中 t0為暫態振蕩的起始時刻。將式(18)疊加到式(12)的電壓信號上。振蕩起始時刻為1100采樣點處，持續時間為50個采樣點，分析結果如圖6所示。

　　對圖6(c)的電壓差變波形分析得知：t1=700，t2=749，因此擾動的發生時刻為t1+T=700+400= 1100，持續時間為L=t2-t1=749-700 =49，由于t1后4個采樣點的值正、負變化次數n為4，因此該種擾動為電壓暫態振蕩。

　　5.4 電壓短時跌落和電壓暫態脈沖

　　電壓短時跌落和電壓暫態脈沖的持續時間比較短，一般小于T/2，而跌落的幅度在0-0.9pu。如在850采樣點處發生電壓暫態脈沖，幅度為1.2pu，持續時間為50，在2000采樣點處發生電壓跌落，幅度為0.25pu，持續時間為100個采樣時間，具體波形和分析結果如圖7所示。

　　圖7中，t1=445，t2=501，持續時間L=t2-t1= 501-445=56<200，發生時刻為t1+T=845，對第2次擾動的初始時刻判斷為t1=1601，t2=1711，持續時間L=t2-t1=1711-1601=110<200，發生時刻為t1+T＝2001。由式(16)可知，第1次擾動c=1.4654，第2次擾動c=0.2500，分別在845采樣點處有電壓暫態脈沖，在2001采樣點處發生了電壓短時跌落。由式(17)得到暫態脈沖的幅度j=1.1939。

　　實例計算表明，采用差變信號對電能質量擾動進行檢測和定位是十分有效的。但該方法的準確性會受到噪聲的影響，噪聲較強時，該方法甚至很難對擾動信號進行有效的檢測。

　　6 結論

　　本文提出了將小波軟閾值與差變法相結合進行電能質量擾動定位的方法，并利用瞬時無功功率理論進行擾動分類。比較含有噪聲和不含噪聲兩種情況下擾動發生時的檢測結果表明，該方法能夠對電能質量擾動(如電壓上升、電壓跌落、瞬時斷電、暫態振蕩、暫態脈沖等)進行準確、有效的分類與識別。

　　參考文獻

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摘自《電網技術》

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