暂态电能质量

根据文献中针对连续数据流提出的移动离散小波变换算法 ,本文将此算法运用到实时暂态扰动信号的检测中 。设输入信号被分为每组 2J 个采样数据 ,其中 J 为最大分解层数 , 为了避免边界效应的影响 , 在每层计算时保留 M -2 个数据在内存中并作为下一次输入时的数据( M是小波滤波器的长度 , 在此以 M =4 的 Daubechies 小波为例) 。通过这种重叠保留法可得到一组新的近似和细节系数如图 1 所示 。

图 1( a)和( b)分别表示应用移动离散小波变换算法对输入数据进行 1 层和 3层分解时的情况 , 其中 x n( n =-4 ,-3 , … ,7 …)为输入数据 , 在此被分为每 23 =8 个一组( 最大分解层数 J =3) 。 c0 ～ c3 为小波低通滤波器系数 , -c3 、c2 、 -c1 、c0 为小波高通滤波器系数( 图 1( b)中没有画出) 。

ai( k) , di( k) 为第 i层的近似与细节系数( i为分解层数 , i =1 , 2 , 3 , k 为序号 , k =-2 , - 1 , …, 3 …) , ① ～ ⑦表示移动小波算法的计算顺序 。 在每次分解时均保留 2个( M -2 =2)输入数据和近似系数 ai( k)用来消除边界效应的影响 , 正因为这种重叠保留法的应用 , 使数据看起来就好像在移动一样 , 因此叫做移动离散小波变换 。从图 1( b) 中可以看出由 R-DWT 算法得到的输出数据序 列 依 次 为 d 1( 0) 、d1( 1) 、d2( 0) 、d 1( 2) 、d1( 3) 、d2( 1) 、d3( 0) 、 a3( 0) , 而由 Mallat 算法得到的输出序列依次为d1( 0) 、d1( 1) 、d 1( 2) 、d1( 3) 、d2( 0) 、d2 ( 1) 、d3( 0) 、 a3( 0) 。相比之下 , R- DWT 算法可以更快地计算出下一层的系数 , 有利于减少内存的使用 。

电能质量监测是控制与治理电能质量问题的基础和前提, 然而 ,目前绝大部分电能质量监测装置只能监测各种稳态电能质量参数, 如 : 频率偏差 、电压偏差 、三相不平衡 、谐波等 , 只有少数涉及暂态电能质量指标的在线监测, 如 : 深圳领步科技有限公司研发的型号为 PQM-3电能质量监控装置以及以色列研发的 G4500 系列电能质量监测装置等 。但是 , 这些装置对暂态电能质量问题的分析功能却比较有限 , 一般只能够对电压暂降 、电压暂升和短时电压中断这 3 种暂态电能质量扰动信号进行监测和分析 , 对暂态脉冲 、暂态振荡和电压切痕的监测和分析比较缺乏 ,而随着人们对电能质量的要求的不断提高 , 监测和分析这 3 种暂态电能质量问题也是十分必要的 。因此 , 研究出一套完整的电能质量监测和分析装置具有重要的实际意义 。

电能质量问题包括稳态和暂态两个方面 , 经过长期的研究 , 对于稳态电能质量问题 , 目前已经具备了较为实用的分析体系 ,因此本文在此仅针对暂态电能质量问题进行研究 。对于暂态电能质量信号的监测和分析 , 首先要能够实时地检测到暂态信号的各项指标, 主要包括 : 扰动发生和结束的时刻 、持续时间 、扰动幅值的大小和扰动的频率 ; 还要能够从海量的电能质量扰动数据中自动识别出各种扰动的类型 , 为进一步对电能质量问题进行控制和治理提供依据 。

系统的硬件部分主要由电压 、电流互感器 , 信号调理电路 , USB 数据采集卡组成 。互感器选择采用霍尔原理的闭环补偿电压互感器和电流互感器 , 其具有精度高 、线性度好 、响应速度快 、频率宽及过载能力强等特点 , 适合本场合的使用 。

信号调理电路将通过电压 、电流互感器得到的电压 、电流信号转换成适合数据采集卡采集的电压信号 , 在这里为 - 10 ～ 10 V 的电压信号 ,并对其进行抗混叠滤波和去噪 , 此部分也可以通过软件部分实现 ,采用两者结合的方法以达到更好的效果 。

数据采集卡选用US B-6259 系列 , 用于信号的采集 ,该采集卡具有 32 路模拟输入通道 , 可同时输入 16 路的差分信号 , 其采样频率最高可达1 . 25 M Hz/ s ,A/D 转换分辨率为 16 bit 。高速的采样率以及 16 位的 A/D 模块能够保证精确地采样动态信号 ,且采用 US B 总线的数据采集卡具有热插拔 , 可扩展性好 , 不容易受机箱内环境的干扰等优点 。

计算机作为后台机 , 用于接收数据采集卡传输的数据 ,在以虚拟仪器为平台建立的软件系统中进行变换 、处理和分析 , 最后将数据传输给互联网或者其他设备和用户 。

初始化模块主要用于首次登入监测程序的设置 , 可根据用户的要求在前面板中选择在线还是离线分析 , 设置好一切后便进入监测程序 。

数据采集模块是一个可独立运行的子程序 , 主要完成实际波形的采集任务 , 可以根据不同的需要来配置各种采样参数 ,如 : 采样通道个数 、采样频率 、采样长度 、采样方式等 。如果在初始化模块中选择离线分析 , 则信号原始数据来自于 Excel 或 TXT 文件 , 此模块被禁用 。预处理模块首先将不同电压等级下的信号标幺化以便于统一进行分析 ,然后根据不同的实际情况选择小波基函数和最大分解层数 , 同时对程序的数据结构进行优化 ,以保证后面的模块能够正常地工作运行 。

暂态检测模块作为本系统的核心 , 主要针对电压暂降 、电压暂升 、短时电压中断 、暂态脉冲 、暂态振荡 、电压切痕这 6 种常见的暂态扰动信号进行检测和分析 。由于实际信号中往往含有噪声信号 , 因此首先必须对信号进行去噪处理 ,这里采用文献中提出的自适应阈值算法 。后处理模块主要对移动离散小波变换后得到的系数进行各种处理 ,包括模极大值的提取 、扰动发生时刻 t B( s) 和结束时刻 t O( s) 、扰动持续时间 t L( ms) 、扰动强度 k P( % ) 和扰动频率 k F( Hz) 的计算 ,并根据得到的扰动指标判断出扰动的类型 。其中扰动强度主要针对电压暂降 、电压暂升 、短时电压中断这 3 种扰动 , 扰动频率主要针对暂态脉冲 、暂态振荡和电压切痕 3 种扰动 。波形显示子模块是为了将各种扰动指标通过图形和表格的形式直观地显示给用户 , 显示的波形主要有原始输入扰动波形 , 去噪并归一化后的波形 、信号的有效曲线和小波变换模极大值曲线等 。

扰动类型识别通过基于规则基的决策树算法 ( rule based decision t ree , RBDT) 来实现 ,其中提取的特征量如下 :1)模极大值个数 F1 : 不同的扰动信号通过小波变换后得到的模极大值个数可能不同 , 例如当输入信号为稳态信号( 如 : 谐波) 时 F1 =0 ; 当扰动信号为电压暂降时 , F1 =2 ; 当扰动信号为暂态振荡时 , F1 >2 ; 2)有效值特征 F 2 : 通过归一化有效值曲线提取有效值特征 ,在此以 20 个周期的数据长度为例 , 计算其中有效值大于 1的个数F 21 和介于 0 . 9和1 . 1之间的个数 F22 。 以此两个特征量作为判断幅值有明显变化的扰动信号 , 如 : 电压暂降 、短时电压中断 、暂态振荡等 ; 3)扰动强度大小 F3 : 扰动强度大小 F 3 定义为有扰动发生时信号的有效值 / 无扰动发生时信号的有效值 , 用此特征量可以很好地区分电压暂降 、电压暂升和短时电压中断这 3 种扰动 , 又可以避免对暂态振荡和电压暂升等信号的误判 , 因为当电压暂升的持续时间较短时 , 它和暂态振荡在有效值曲线上所反映的特征基本一致 ;4)扰动持续时间 F4 : 一般来说 , 暂态脉冲信号的持续时间非常短或没有( 当脉冲信号的频率过高时 , 由于系统采样频率的限制 , 无法检测出其持续时间 , 在此定义为“无”) ; 对于电压暂降 、电压暂升和短时电压中断这 3 种扰动信号的持续时间一般在 0 . 01 s 和 1 min 之间 ; 对于暂态振荡 , 由于系统阻尼的影响 , 其持续时间一般在 0 . 01 s 和1 s 之间 ; 对于电压切痕 ,由于目前尚未存在其扰动持续时间的明确定义 , 在此也暂时定义为在 0 . 01 s 和 1 s 之间 。

电力系统的电磁暂态过程取决于电力系统中的各元件——发电机、变压器、线路、电动机等电磁暂态过程。我们可以认为发电机的电磁暂态过程左右了电力系统的电磁暂态过程，由有源元件决定。2100433B

电磁暂态程序简介

电磁暂态程序（EMTP，Electro-Magnetic Transient Program）是用于电力系统电磁暂态分析的仿真软件。它包含通过现场测试证实的用于变压器相传输线的模型、各种电机、二极管、晶闸管和开关、控制器等模型，是电力系统中高压电力网络和电力电子仿真应用最广泛的程序，侧重于系统的运行情况而不是个别开关的细节。

电磁暂态程序历史

在1984年以前的十多年里，属于美国能源部的邦维尔电管局(BPA)主导了EMTP程序的开发工作，它在人力和财力上对EMTP程序的开发工作给予了极大的支持。当时的工作属于公共域内（public domain work），其成果可以免费提供给任何一个感兴趣的团体。1984年以后，EMTP程序主要分为两支，一支以DCG（EMTP Development Coordination Group,1982年由北美6个大型电力机构组成）/EPRI（美国电力科学研究院）为代表，试图将EMTP程序商业化(以下称其为商业化的EMTP)；另一支即ATP-EMTP，它继续保持EMTP程序的可免费使用性，但为了防止其成果被商业化的EMTP所利用，ATP-EMTP不属于公共域内。 有几种EMTP版本以用于个人计算机，如Micro Tran、ATP等。所有版本的程序都具有BPA（美国邦纳维尔电力局，Bonneville Power Administration）的EMTP原版的大部分功能。

1984年初，DCG的工作已对免费使用EMTP构成威胁，原BPAEMTP的开发者之一Dr.W.Scott Meyer为了维护EMTP的可免费使用性，于1984年2～3月份，终止了12年的EMTP开发合同，并将他所有的业余时间用来开发一个富有生命力的替代程序即ATP，ATP正式诞生于1984年秋。 ATP程序（The Alternative Transients Program）是世界上电磁暂态分析程序（EMTP)最广泛使用的一个版本，ATP-EMTP程序几乎可为世界上的每一个人所免费使用，并可在大多数类型的计算机上运行。

集总的线性时不变电路和系统的激励与响应的关系都由常系数线性微分方程来描述。如果施加以正弦形激励，如Asin(ωt 嫓)，或指数形激励，如，则其稳态响应一般亦呈同频率的正弦或指数形式。采用复数相量法，只需求解由电路方程所得复数方程组，就可以求得所需的响应。

暂态分析的目的是要研究在电路中施加激励后所出现的响应。对于线性时不变电路和系统,暂态的频域分析的基本思想是将激励展开为许多存在于 －∞tK倍(K是整数)的谐波之和，即为激励的傅里叶级数展开式,所得的响应亦表示为类似的级数形式。在激励是非周期时间函数的情况下,激励的展开式是频率连续分布在-∞ωg(t)=g(t T0)　T0≠0性质的信号。满足上式的最小的T0值称为此信号的周期，其频率为f0。