（控制理论与控制工程专业论文）基于小波变换的电压波动与闪变检测方法的研究.pdf

哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 基于小波变换的电压波动与闪变检测方法的研究 摘要 电压波动与闪变的检测有两个重要的部分，提取电压波动信号的包络线 及对提取的电压波动信号进行有效分析，并确定短时闪变严重度只。电压 波动信号的提取是分析电压波动与闪变的前提，而电压波动信号的分析是研 究电压波动与闪变的关键。 本文主要针对提取出来的闪变信号进行分析。闪变信号的分析方法通常 有离散傅里叶变换和小波变换等。离散傅立叶变换( d f t ) 具有频谱泄漏和栅 栏效应的缺点将导致应用d f t 计算只，时精度不高，而小波变换具有时一频 局部化的特点，克服了d f t 的弊端，特别适合于突变信号分析，可以检测 出闪变信号的开始时间和结束时间，因此将小波变换用于电压波动与闪变的 分析。基于多分辨率分析理论的小波变换，采用m a l l a t 算法，该算法存在 频率折叠和能量泄漏问题。 为解决频率折叠问题本文将d f t 和离散傅立叶逆变换与m a l l a t 算法结 合形成d m a l l a t ( d m a l l a t ，d f t m a l l a t ) 算法，通过与d f t 计算短时闪变严重 度只的对比试验，表明了所提的算法的有效性和稳定性，显著提高了短时 闪变严重度只，的计算精度。 恰当地选取小波函数或合理选取采样频率可以减少能量泄漏。本文选取 d b n 小波，增大n 值可以减少能量泄漏同时增加了计算量，为了减少计算 量对于单一频率的闪变信号，采用隔点抽样的方式。对于多频闪变信号，通 过大量的仿真试验给出了减少能量泄漏的频率选择范围，尽量使信号的基频 靠近小波分解频带近似部分的下限，谐波分量位于细节部分的中心位置。 在描述单位瞬时闪变值时的频率和所对应频率的正弦电压波动值关系 时，采用了具有很好的非线性函数逼近能力和内插特性的b p 网络来对单位 瞬时闪变值时的频率和所对应频率的正弦电压波动值的关系进行拟合建模， 提高了拟合时的精度。 关键词电能质量；闪变严重度；小波变换；d m a l l a t 算法；d f t 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho nv o l t a g ef l u c t u a t i o n sa n df l i c k e r d e t e c t i o nb a s e do n肠v e l e tt r a n s f o r i d a b s t r a c t t w oi m p o r t a n tp a r t sa r ei n c l u d e di nv o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e rd e t e c t i o n ， w h i c ha r e e x t r a c t i n gv o l t a g e f l u c t u a t i o n s i g n a le n v e l o p ea n de f f e c t i v e l y a n a l y z i n gt h ee x t r a c t i o nv o l t a g ef l u c t u a t i o ns i g n a l s ，a n dc o n f i r m i n gs h o r t t e r m f l i c k e rs e v e r i t y t h ee x t r a c t i o no ft h es i g n a li nv o l t a g ef l u c t u a t i o n si st h ep r e m i s e t oa n a l y z i n gt h ev o l t a g ef l u c t u a t i o n ，a n dt h ea n a l y s i so f v o l t a g ef l u c t u a t i o ns i g n a l i st h ek e yt oe x a m i n et h ev o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r t h ef l i c k e rs i g n a le x t r a c t e di sa n a l y z e di nt h i st h e s i s d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r ma n dw a v e l e tt r a n s f o r ma l et w om e t h o d su s u a l l yu s e di nt h ea n a l y s i so f f l i c k e rs i g n a l d f th a st h es h o r t c o m i n go fs p e c t r a ll e a k a g ea n dt h ef e n c ee f f e c t ， w h i c hw i l ll e a dt ot h ec a l c u l a t i o na c c u r a c yo fp s ti sn o th i 曲，w h i l et h ew a v e l e t t r a n s f o r mw i t ht h ef e a t u r e so ft i m e f r e q u e n c yl o c a l i z a t i o n ，w h i c ho v e r c o m et h e d r a w b a c k so ft h ed f t , i sv e r ys u i t a b l ei nt h ea n a l y s i so fm u t a n ts i g n a l ，a n di tc a n d e t e c tt h es t a r tt i m ea n de n dt i m eo ff l i c k e rs i g n a l ，s ow a v e l e tt r a n s f o r mi su s e d t oa n a l y z et h ev o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e ri nt h et h e s i s w a v e l e tt r a n s f o r mi s b a s e do nt h et h e o r yo fm u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i sw h i c hu s em a l l a ta l g o r i t h m m a l l a ta l g o r i t h me x i s tp r o b l e mo ff r e q u e n c yf o l d e da n de n e r g yl e a k a g e t or e s o l v et h ep r o b l e mo ff r e q u e n c yf o l d e d ，d f ta n di d f ta l g o r i t h ma r e c o m b i n e dt of o r md m a l l a ta l g o r i t h mi nt h i st h e s i s ，w i t ht h ec o m p a r i s o nt e s tt o t h ec a l c u l a t i o no fs h o r t - t e r mf l i c k e r s e v e r i t y 只u s i n gd f ta n dd m a l l a t ， d m a l l a t se f f e c t i v e n e s sa n ds t a b i l i t yi ss h o w n ，a n dc a l c u l a t i o na c c u r a c yo fs h o r t t e r mf l i c k e rs e v e r i t y 乞i ss i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d s e l e c t i n gt h ew a v e l e tf u n c t i o np r o p e r l yo rs e l e c t i n gt h es a m p l i n gf r e q u e n c y r e a s o n a b l ec a nr e d u c et h e e n e r g yl e a k a g e d b nw a v e l e ti s s e l e c t e di nt h e t h e s i s e n e r g yl e a k a g ec a nb er e d u c e db yi n c r e a s i n gnv a l u eb u t w i t ht h e c o m p u t a t i o ni n c r e a s e da tt h es a m et i m e ，i no r d e rt or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a l h 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 v o l u m et oas i n g l ef r e q u e n c yf l i c k e rs i g n a l ，d o w n s a m p l i n gp o i n t sm e t h o di s u s e di nt h et h e s i s t om u l t i f r e q u e n c yf l i c k e rs i g n a l ，t h r o u g hm a n ys i m u l a t i o n t e s tf r e q u e n c yr a n g eo fo p t i o n si sg i v e nt or e d u c et h ee n e r g yl e a k a g e ，t h a t b a s e b a n ds i g n a li sn e a rt ot h em i n i m u mo ff r e q u e n c yb a n da p p r o x i m a t ep a r to f w a v e l e td e c o m p o s i t i o na sf a r 勰p o s s i b l ea n dh a r m o n i cc o m p o n e n tp a r ti sl o c a t e d i nt h ec e n t e ro ft h ed e t a i l s i nt h ed e s c r i p t i o no ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nu n i tv a l u eo fi n s t a n t a n e o u s f l i c k e rf r e q u e n c ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c ys i n ev o l t a g ef l u c t u a t i o n sv a l u e ， t h eb pn e t w o r ko fa ne x c e l l e n ta b i l i t yo fn o n l i n e a rf u n c t i o na p p r o x i m a t i o na n d i m e r p o l a t i o np r o p e r t i e s i s e m p l o y e do ns e t t i n gm o d e lo ff r e q u e n c ya n ds i n v o l t a g ef l u c t u a t i o nv a l u ea tu n i ts h o r tt e r mf l i c k e rt oi m p r o v ef i t t i n ga c c u r a c y k e y w o r d sp o w e rq u a l i t y , f l i c k e rs e v e r i t y , w a v e l e tt r a n s f o r m ，d m a l l a ta l g o r i t h m s ， d f t i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于小波变换的电压波动与闪变 检测方法的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：铱金风日期：力c f 7 年3 月丑日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于小波变换的电压波动与闪变检测方法的研究系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密嘭 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：镰金j 甩 日期：劭孵3 月2 2 日 导师签名：日期：刃o q 年3 月枷 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第1 章绪论 随着国民经济的飞速发展和人们生活质量的日益提高，大量的基于计算机 系统的控制设备和自动化程度很高的用电设备相继投入使用，工业用户对电能 质量的要求越来越高，甚至几分之一秒的不正常就可造成巨大的损失。电能质 量问题主要包括电压偏差、频率偏差、谐波、三相不平衡、电压波动与闪变等 方面。据统计，自动化程度很高的工业用户一般每年要遭受1 0 - 5 0 次与电能质 量问题有关的干扰，其中因包括电压波动与闪变在内的动态电压质量问题造成 的事故数约占事故总数的8 3 。在这五项电能质量问题中，前四种的测量方法 相对比较成熟，而电压波动与闪变的测量方法和实现技术的研究，因为重视程 度不够相对滞后些。 电力系统的电压波动与闪变主要是由具有冲击性功率的负荷引起的，如变 频调速装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和轧钢机等。这些非线性、不平衡冲击 性负荷在生产过程中有功和无功功率随机地或周期性地大幅度变动，当其波动 电流流过供电线路阻抗时产生变动的压降，导致同一电网上其它用户电压以相 同的频率波动。这种电压幅值在一定范围内( 通常为额定值的9 0 , - - 1 1 0 ) 有规 律或随机地变化，即称为电压波动。电压波动通常会引起许多电工设备不能正 常工作，如影响电视画面质量、使电动机转速脉动、使电子仪器工作失常、使 白炽灯光发生闪烁等等。电压波动的危害主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳，进而影响视力。 ( 2 ) 电视机画面亮度变化、图像垂直和水平摆动刺激人的眼睛和大脑。 ( 3 ) 电动机转速不均匀，不仅危害电机、电器正常运行和寿命，而且影响 产品质量。 ( 4 ) 电子仪器、电子计算机、自动控制设备等不能正常工作。 ( 5 ) 影响对电压波动较敏感的工艺或实验结果，如实验时示波器波形跳 动、大功率稳流管的电流不稳定，导致实验无法进行。 电压波动与闪变已成为威胁许多重要用户供电可靠性的主要原因之一，必 须对其进行有效的监视与抑制，并通过电压闪变严重度来评价电能质量。短时 闪变严重度，是i e c 衡量低压电能质量的一个重要指标，本文主要研究提高 哈尔滨理t 大学丁学硕十学位论文 乞计算精度的方法。 1 2 电压波动与闪变的研究现状 1 2 1 电压波动与闪变检测方法的研究 电压波动与闪变检测方法的研究，主要包括检测条件、检测仪器和检测结 果评价方法的规定f l 】。 在研究闪变的初期，对闪变的检测仅是一种预估。闪变预估主要是针对电 弧炉等大功率波动性负荷能否接入电网运行而进行的闪变预测法，它可以预估 新的波动性负荷投入运行后在公共供电点上所产生的电压闪变的大致幅度。文 献 2 】- 5 】提出的最大无功功率变动量预测法、互降常数预测法和短路压降法， 它们都可简单地预估新的波动性负荷接入线路时，电力系统能否接受，但无法 确切地了解大功率波动性负荷运行时，电力线路中电压闪变值的大小。 为了定量地获得比较准确的闪变值，一般必须采用电压波动与闪变的专门 检测仪器，在公共供电点上直接进行检测。因此世界各国和有关国际机构都先 后致力于其检测方法的研究，包括电压波动信号的提取方法和闪变值的获得方 法。 闪变的定量检测有如下几种方法： 对于电压波动信号的提取，文献【6 】提出了平方解调检测法、全波整流解调 检测法和半波有效值法，文献【7 】提出了一种基于最小绝对值估计算法的检测电 力系统电压和闪变电压向量的新方法。这些方法主要适合于含有单一频率的电 压波动分量检测，都不适用于多频率的闪变信号检测。 随着世界经济和科技的迅猛发展，提取波动信号的方法也得到了长足发 展，新的检测方法不断出现。文献 8 】提出了采用小波多分辨率信号分解同步检 波法，该方法适用于突变、非平稳谐波和电压闪变信号的检测与时频分析，能 够定量刻画相应时刻的频率、幅值，从而确定突变的、非平稳的谐波和电压闪 变与波动发生的时间、频率和幅值。但由于采用的m a l l a t 算法会产生频率折叠 和能量泄漏现象，使得分析结果不准确。 文献 9 】，【1 0 】提出h i l b e r t 变换，该方法吸取了小波变换的多分辨的优势， 克服了小波变换中选取小波基的困难，具有良好的局部适应性。但h i l b c r t 变 换法检波得到的解调信号包络还需要通过其他方法进一步分析，才能得到调制 信号的参数信息，同时需要进行去噪处理。 2 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 文献【1 1 】，【1 2 】提出了小波包检测法。该方法的优点是可以对信号的高频 部分做更为细致的刻画，具有很强的信号分析能力。它的缺点是信号分析的运 算量将按指数显著上升，计算速度下降，造成分析的延迟，很难满足实时的要 求，而且需要较大的存储空间。 前面总结了一下闪变信号的提取方法，闪变信号的提取是研究电压波动与 闪变的前提，下面对闪变信号的分析算法进行研究，闪变信号的分析是研究电 压波动与闪变的关键。闪变信号的分析算法多种多样，而且不断有新算法出 现，常见的算法有傅立叶分析中的快速傅立叶变换( f f t ) 及由此派生的各种方 案、k a l m a n 滤波、小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ) 、希尔伯特变换等等【1 3 4 1 。 快速傅立叶变换最被广泛使用，但是在应用f f t 时，必须满足两个条件： 第一，满足采样定理，即采样频率必须大于最高频率的两倍；第二，被分析的 波形必须是稳态的、随时间周期变化的；当采样频率或信号不能满足这两个条 件时，会出现“旁瓣一和“频谱泄漏”现象，造成分析结果的误差【1 5 l 。此外， 由于f f t 变换是对整个时间段的积分，时间信息得不到充分利用，信号的任何 突变，其频谱将散布于整个频带。为了解决这些问题，g a b o r 利用加窗，提出 了短时傅立叶变换( s t i m ，即将不平稳信号的过程看成是一系列短时平稳过程 的集合，将傅立叶变换用于不平稳信号的分析。由于实际多尺度过程的分析要 求时一频窗口具有自适应性，而s t f t 的时一频窗口则固定不变。因此，它只 适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程，而 且s t i 叮的离散形式没有正交展开，不能实现高效运算。 k a l m a n 滤波可用于处理非稳定信号，但是它只能识别闪变信号的主要频 率分量，而且计算量大。 小波变换目前被认为是分析电压闪变的强有力工具，由于小波变换具有 时一频局部化的特点，克服了f f r 和s t 丌的弊端，特别适合于突变信号和不 平稳信号的分析。由于小波函数本身衰减很快，也属于一种暂态波形，将其应 用于电能质量的一些暂态指标的分析，具有了f 兀和s t f t 所无法比拟的优 点。但是它采用的多分辨分析计算复杂，而且d b n 小波的m a l l a t 塔式算法还 存在频率折叠和能量泄漏现象，需要进行改进后才能使用【坻1 7 1 。 目前小波分析已经广泛地应用于信号处理、图像处理、量子场论、地震勘 探、语音识别、雷达、c t 成像、机械故障诊断与监控、分形以及数字电视等 科技领域。 希尔伯特变换具有简单、快速的优点，但是容易受到高次谐波影响而变得 不稳定或不精确，利用希尔伯特变换分解闪变信号的包络之后，还要使用小波 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 变换等手段进行滤波处理。 本文针对d b n 小波的m a u a t 算法存在频率折叠和能量泄漏现象进行研究和 改进。目的是为了得到准确的频谱信息，来提高衡量闪变强弱的物理量短时闪 变严重度只，的计算精度，它是描述短时间闪变的统计值。己是i e c 推荐的闪 变仪输出量，电压波动的统计特征值( 至少取1 0 m i n ) 。当己 1 3 时，则闪变使人感到不舒服。所以，i e c 推荐己= l 作为 低压供电的闪变限值，称为单位闪型1 8 1 。 1 2 2 电压波动与闪变的仪器 从2 0 世纪6 0 年代起，日本就有几种闪变仪问世，经过十几年的应用后， 1 9 7 8 年日本电气加热技术协会和电弧炉技术委员会制定日本国内统一的闪变标 准，采用k 。闪变仪的规格，即折算成1 0 h z 的闪变值( ) ，巧。闪变仪是将输 入电压经有效值检测法提取出电压的波动分量，乘上相应的视感度系数，经全 波整流取l m i n 的平均值，输出巧值。再除视感度系数加权得到k 。日本 制的a t , 。表大多为模拟式的，但已有视感度环节。英国1 9 6 0 年研制的e r a 测 量仪比较独特，它是根据电弧炉供电技术规范中关于电压闪变定义而研制的。 并没有“视感度滤波”环节，因此只能用于测量电弧炉引起的闪变。1 9 7 3 年， 西德高压技术协会( f g h ) 开发一种闪变测量仪，一直使用至今。其原理是用一 个信号传感器，将电压的波动，按照人眼对闪变的觉察程度，转换为一个输出 信号。该仪器主要由白炽灯和滤波器电路两部分构成。其滤波器用于把灯光闪 烁转换为与人眼对闪变的感觉相适应的测量电压。但该仪器还不是完全按照2 0 世纪7 0 年代末提出的心理物理学的闪变感知模型设计的。到了二十世纪七十 年代末期，才出现了按照人眼闪变感知模型设计的u i e 闪变仪和其它类型的闪 变测量仪。国际电热协会为了统一国际上闪变测试与评价标准，从1 9 7 9 年开 始，对电压闪变的测试与评价方法做了深入而系统的研究，并在各国原有闪变 仪的基础上，与国际电工委员会共同提出了“闪变仪的功能及设计技术条件 以及“闪变估计的统计方法及闪变严重度的短时与长时评价方法。 目前，根据i e c 推荐的原理框图，应用到闪变仪中的有两种常用的闪变数 字化计算方法，它们都是基于平方滤波的基础上，一种是采用数字滤波的方 式，此种方法通过计算程序来实现，很复杂，而且可以看出整个闪变测量过程 用软件实现计算量相当大，对c p u 的速度要求足够快，通常至少要采用d s p 或 高档工控机，很难用单片机等成本较低的微机来实现；第二种方法是f f t 分析 4 哈尔滨理丁大学工学硕上学位论文 法，该方法虽然简单，但其精度不高。而且伴随有栅栏效应，频域采样的栅栏 效应影响很大【1 9 1 。“挡住”或丢失的频率成分有可能是重要的或具有特征的成 分，使信号处理失去意义。应采取有效的措施解决。 1 2 3 电压波动与闪变标准 早在6 0 年代英国和日本就开始重视研究电弧炉等波动性负荷所引起的闪变 干扰，而我国相对较晚。1 9 7 0 年英国电气委员会颁布了电弧炉供电的技术规范 p 7 - 2 文件，规定了电力系统公共连接点电压波动和闪变的允许值。2 0 世纪7 0 年 代末，日本、法国在其国家标准中采用了1 0 h z 等效闪变值作为电压闪变的标 准，即a v , 。计算方法。国际电热协会( u i e ) 于1 9 8 2 年给出了闪变测量的推荐方 法，国际电工委员会( i e c ) 采纳了u i e 的推荐方法并于1 9 8 6 年和1 9 9 1 年分别制定 并发布了闪变仪的功能与设计规范标准i e c 8 6 8 和闪变严重度的评估标准 i e c 8 6 8 2 0 。1 9 9 0 年我国也曾颁布了g b l 2 3 2 6 2 1 9 9 0 电能质量电压允许波动和 闪变标准，该标准的部分闪变指标参考了同本和前苏联的相关标准内容，标 准中的“闪变”指标是基于日本的1 0 h z 等效闪变值制定的陬2 1 1 。但是，日本的 照明电压为1 0 0 v ，与i e c 推荐的采用2 3 0 v 照明电压、6 0 w 白炽灯的闪变实验不 同。i o o v 、6 0 w 的灯丝粗、热惯性大、闪变敏感度低，而我国的照明电压为 2 2 0 v ，更接近于普遍采用i e c 标准的欧洲国家光电源规定的标称电压，因此， 我国在参考了i e c 系列标准的基础上于2 0 0 0 年重新修订并颁布了g b1 2 3 2 6 2 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变标准。2 0 0 4 年i e e e 在采纳了i e c 标准 i e c 6 1 0 0 0 2 4 2 1 5 2 1 9 9 7 后也制定了i e e e 的闪变标准i e e es t d1 4 5 3 2 2 0 0 4 ，该标准 在内容上与i e c6 1 0 0 0 24 2 1 5 2 1 9 9 7 基本相同 2 2 2 3 。由于i e c 标准中用短时间闪变 值和长时间闪变值只评估和衡量闪变的严重程度，其准确性和科学性均优 于a t , 。，因此目前世界上许多国家均采用由u i e 和i e c 制定发布的电压闪变测 量统计方法和相应的闪变严重度评估标准。 1 3 本文的研究内容及组织结构 1 3 1 本文的研究内容 l 对小波原理进行研究。 为了有效地应用小波变换进行波动电压信号的提取，必须选择一个合适的 5 哈尔滨理工大学工学硕卜学位论文 小波函数。与标准傅里叶变换相比，小波分析中所用到的小波函数具有不唯一 性，即小波函数v ( x 1 具有多样性。在实际的工程应用中，选择小波函数的不 同会关系到计算结果的精度，因此在这里选用正交性和正则性较好的d b n d , 波 来对信号进行分析，它对信号的重构和压缩以及分解都具有较好的特性。 2 利用b p 神经网络来插值拟合曲线。 与s = i 觉察单位相应的电压波动值矿i ) ，对于某些频率己得到了相应的 实验数据，并把这些数据作为研究闪变的依据，但并没有覆盖所有的频率。基 于这个原因，需要通过曲线插值拟合的方法，得到相应的电压波动值矿( ) 。 本文采用b p 神经网络的方法拟合曲线，因为b p 神经网络有很强的函数逼近能 力，能很好地拟合非线性曲线，并且其精度完全满足要求。 3 消除频率折叠和能量泄漏现象。 利用小波变换分析电压波动信号的包络线，并将小波变换、d f t 和傅立叶 逆变换( i d f t ) 有机地结合起来，消除小波变换所产生的频率折叠和能量泄漏现 象，进而准确的获取调制信号( 包络线) 的频率和幅值信息。 4 计算短时间闪变严重度，。 由分析得到的频率和幅值信息，应用i e c 推荐的计算方法，来计算评估电 能质量的指标短时间闪变严重度只，仿真结果可以说明本文应用的d m a l l a t 算 法计算只，的有效性和稳定性。 1 3 2 论文组织结构 本论文分为5 章。 第2 章：电压波动与闪变的基本理论。主要介绍了电压波动与闪变的基本 概念和特征量。 第3 章：电压波动与闪变的数学分析方法。主要介绍了小波的基本理论和 与傅里叶变换的比较。 第4 章：小波分解与重构中的频率折叠和能量泄漏。主要介绍了小波分解 与重构过程中产生频率折叠和能量泄漏的原因，以及相应的解决办法。 第5 章：电压波动与闪变的小波分析及其仿真研究。通过对标准闪变信号 进行仿真研究，验证了所提方法计算短时闪变严重度的有效性和稳定性。 6 哈尔滨理工大学t 学硕卜学位论文 第2 章电压波动与闪变基本理论 电弧炉和轧钢机等冲击性负荷的波动电流，当其流过供电线路阻抗时，将 使供电电压出现相应的波动。此波动电压将传递到电网其它馈电线路上危害其 它用户的设备。目前，电压波动与闪变问题已为各国所关注。本章介绍有关电 压波动与闪变的基本概念和术语。 2 1 电压波动与闪变的基本概念 2 1 1 电压变动和电压波动 电压变动是指两个相邻的、持续一定时间的电压方均根值u 和以之间的 差值。在同方向上的若干次变动，如间隔时间小于3 0 m s 则算一次电压变动。 通常多以额定电压u 的百分数来表示电压变动的相对百分值矿( ) ，即 a v ：生旦1 0 0 ：坐1 0 0 ( 2 1 ) u n u n 国际电工标准( i e c ) 规定，在低压民用电力网中，稳态的电压变动e 应不 超过3 ，最大的电压波动圪。，应不超过4 ，电压变动a v 超过3 的持续时 间不应超过2 0 0 m s 。手动开关操作或每小时不多于1 次的电压变动，可将上述 限值放宽，并乘以1 3 3 的系数。 电压波动为一系列电压变动或连续的电压偏差。电压波动值为电压方均根 值的两个极值和之差u ，常以其额定电压( 标称电压) 的百分数来 表示，即 a v ：笋1 0 0 ( 2 - 2 ) u n 其中电压波动的幅值范围通常为额定值的9 0 11 0 。 若电压波动的变化率低于每秒0 2 时，应视为电压偏差，电压偏差是指 在一定时间里，随着电网负荷大小的不同，实际电压和电网标称电压的偏离程 度。它不属于电压波动的范围。 单位时间内电压变动的次数称为电压变动的频度，一般以m i n - 1 或s ， 作为其单位，对于周期性的电压变动，电压变动的频度r ( s 1 ，则为频率的两 倍。 7 哈尔滨理工大学1 = 学硕十学位论文 2 1 2 闪变 电压波动通常会引起许多电工设备不能正常工作，如影响电视画面质量、 使电动机转速脉动、使电子仪器工作失常、使白炽灯光发生闪烁等等。由于一 般用电设备对电压波动的敏感度远低于白炽灯，为此，选择人对白炽灯照度波 动的主观视感，即“闪变，作为衡量电压波动危害程度的评价指标。 闪变( f l i c k e r ) 是和电压波动联系在一起的一个概念。直观地来讲，闪变反 映的是因电压波动而引起的人眼对照明装置、家电等发光器件的主观不适程 度。 尽管广义的闪变包括电压波动的全部有害作用，但不能以电压波动来代替 闪变，因为闪变是人对照度波动的主观感受。闪变的主要决定因素有： ( 1 ) 供电电压波动的幅值、频度和波形。 ( 2 ) 照明装置，对白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额 定电压等有关。 ( 3 ) 人对闪变的主观视感。 由于世界各国电力系统的供电电压、频率不尽相同，照明装置的功率也千 差万别，作为主观感受者的人，不仅存在着地域、国家、年龄、性别的群体差 异，而且存在着身体状况等的个体状态差异，因此评价闪变的标准很复杂。后 经过国际电热协会( u i e ) 和国际电工委员会( i e c ) 多年的协调，至今闪变的国际 电工标准已在力求统一。 2 1 3 等效闪变值 电压调幅波中不同频率的正弦波分量的均方根值等效为1 0 h z 值的一分钟 平均值，以额定电压的百分数表示： k o = 4 x ( k ( f ) a v a 2 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中：a v ，为电压调幅波中频率为厂的正弦波分量一分钟均方根平均值 ( 即波动电压分解出频率为厂的调幅波分量的峰谷差值) ，以额定电压的百分数 表示；k 厂) 为对应于频率为厂的正弦调幅波分量的视感度系数。 闪变视感度系数k ( 厂) ，人眼对不同频率的电压波动而引起灯闪的敏感程 度，其频率特性如表2 1 所示，在5 n 2 0 h z 范围的频率间隔为5 h z ，所以选定 1 0 h z 的正弦调幅波对闪变最为敏感。 1 9 7 8 年，日本电气加热协会和电弧炉技术委员会制定了日本国内统一的闪 8 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 变标准，采用a 5 。规格，即折合成1 0 h z 的闪变值( ) 。由于我国原电压波动与 闪变国家标准是参考日本闪变标准制定的，因而我国9 0 年制定的国标和日本 关于电压闪变k 。的定义相同，都是求折合成1 0 h z 的闪变值( ) 。 表2 - 1 视感度系数k 驴) 的频率特性 t a b l e2 - 1t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f s e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n tk ( 厂) f ( h z ) o 0 l0 0 5o 1o 51 02 05 o1 0 o1 5 o2 0 03 0 0 q f 0 0 2 60 0 5 50 0 7 5o 1 6 90 2 60 5 6 3o 7 8 1 0 0 8 4 50 6 5 50 3 5 7 2 2 电压波动与闪变的特征量 2 2 1 闪变觉察率f 似) 和瞬时闪变视感度s o ) 为了解闪变对人的视觉反应程度，i e c 推荐采用不同波形、频度、幅值的 调幅波以工频电压作为载波向工频2 3 0 v 、6 0 w 自炽灯供电照明，经观察者抽 样调查( 抽样人数大于5 0 0 人) 。闪变觉察率，( ) 的统计公式为： ，= 万而c + d 100(2-4)x ，= 一 i i 儿j w n a + b + c + d 式( 2 _ 4 ) 中：彳为没有觉察的人数；曰为略有觉察的人数；c 为有明显觉察的人 数；d 为不能忍受的人数。 电压波动引起照度波动对人的主观视觉反应称为瞬时闪变视感度s ( t 1 。通 常以闪变觉察率f = 5 0 作为瞬时闪变视感度的衡量单位，即s = l 觉察单位。 图2 - 1s = l 觉察单位的正弦和矩形电压波动曲线 f i g u r e2 - is i n ea n dr e c t a n g u l a rv o l t a g ef l u c t u a t i o nc u r v eo fs = lu n i to fp e r c e t i b i l i t y 与s = l 觉察单位相应的电压波动值为矿( ) ，见图2 1 所示和表2 - 2 所示的 9 s = l 觉察单位的正弦和矩形电压波动曲线，这是研究闪变的试验依据。在图 2 1 中横坐标采用对数坐标。 表2 - 2 视感度s = 1 觉察单位的电压波动值 t a b l e2 - 2v a l u eo f v o l t a g ef l u c t u a t i o no f u n i to f p e r c e t i b i l i t yf o rs e n s a t i o nl e v e ls = 1 频率厂 频度， 电压波动y 似) 波形系数视感度系数 ( h z )( r a i n 一1 ) 正弦波矩形波r ( s ) k ( 厂) 0 56 02 3 4 0o 5 1 44 5 5o 1 0 7 1 o1 2 01 4 3 20 4 7 l3 0 40 1 7 5 1 51 8 01 0 8 00 4 3 22 5 00 2 3 l 2 02 4 00 8 8 20 4 0 l2 2 00 2 8 3 2 53 0 00 7 5 40 3 7 42 0 l0 3 2 2 3 o3 6 00 6 5 40 3 5 51 8 40 3 8 2 3 54 2 00 5 6 80 3 4 51 6 50 4 4 0 4 04 8 00 5 0 00 3 3 31 5 0o 5 0 0 4 55 4 0o 4 4 50 3 1 61 4 10 5 6 l 5 06 0 00 3 9 80 2 9 31 3 90 6 2 8 5 56 6 00 3 6 00 2 6 91 3 40 6 9 4 6 07 2 00 3 2 80 2 4 91 3 20 7 6 2 6 5 7 8 0 o 3 0 0o 2 3 l1 3 00 8 3 3 7 o 8 4 00 2 8 00 2 1 71 2 90 8 9 3 7 59 0 0 0 2 6 60 2 0 71 2 90 9 4 0 8 09 6 0 0 2 5 60 2 0 l1 2 70 9 7 7 8 81 0 5 60 2 5 00 1 9 9 1 2 6 1 0 0 0 9 51 1 4 60 2 5 4 0 2 0 0 1 2 7 0 9 8 4 1 0 o1 2 0 0o 2 6 00 2 0 51 2 70 9 6 2 1 0 51 2 6 00 2 7 0o 2 1 3 1 2 70 9 2 6 1 1 o1 3 2 00 2 8 20 2 2 31 2 60 8 8 7 1 1 51 3 8 00 2 9 60 2 3 4 1 2 60 8 4 5 1 2 o1 4 4 0o 3 1 20 2 4 61 2 7 0 8 0 1 1 3 o1 5 6 00 3 4 80 2 7 51 2 7 o 7 1 8 1 4 01 6 8 00 3 8 80 3 0 81 2 60 6 4 4 1 5 o1 8 0 00 4 3 20 3 4 41 2 60 5 7 9 1 6 01 9 2 00 4 8 00 3 8 01 2 60 5 2 l 1 7 02 0 4 00 5 3 00 4 2 1l 。2 60 4 7 2 1 8 o2 1 6 00 5 8 40 4 6 11 2 70 4 2 8 1 9 o2 2 8 00 6 4 00 5 0 61 2 6o 3 9 l 2 0 o2 4 0 00 7 0 0 0 5 5 2 1 2 70 3 5 7 2 1 o 2 5 2 0 0 7 6 0 0 6 0 31 2 60 3 2 9 2 2 02 6 4 00 8 2 40 6 5 71 2 50 3 0 3 2 3 02 7 6 0o 8 9 0o 7 1 31 2 5o 2 8 l 2 4 02 8 8 00 9 6 2 0 7 6 7 1 2 50 2 6 0 2 5 o3 0 0 01 0 4 20 2 4 0 由表2 2 可以看出，作用最为显著的是8 8 h z 调幅波的正弦波动电压，它 l o 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 作用于2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯，在s = l 觉察单位的电压波动值为0 2 5 ，对应 于图2 1 中单位闪变曲线凹下的最低点。图2 1 中s = l 的闪变曲线最为凹下部 分，则对应于闪变较为敏感的频率范围，约为6 - , 1 2 h z 。 在表2 2 中，闪变的波形系数 。，、视感度s = l 觉察单位的正弦电压波动矿( )，。、 f f l ，l = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ：- - - ，_i ，l u7 视感度s = l 觉察单位的矩形电压波动y ( ) p 叫 在矩形波频率 9 h z 的情况下，其谐波对闪变的影响较小，基波起主要作 用，在视感度一定的情况下，正弦波幅值为矩形波幅值的4 # = i 2 7 倍。这与 表2 2 中所列数据相符合。例如在频率为2 0 h z 时，r ( 2 0 1 = 0 7 0 0 5 5 = 1 2 7 倍。频率在5 h z 以下时，矩形波比其基波对闪变更起作用。例如在频率为 1 h z ，r 0 1 = 1 4 3 2 0 4 7 1 = 3 0 倍，即在多数频率下尺( 厂) 约为1 2 7 ，在1 h z 时 灭( 1 ) 约为3 0 。 在图2 1 中，s = l 觉察单位的矩形电压波动曲线在正弦曲线的下方，这反 映r ( 厂1 1 ，即矩形电压波动比正弦电压波动对闪变的影响更为严重。 2 2 2 视感度系数k 驴) 根据统计，人的眼和脑对白炽灯照度波动的视感，对于2 3 0 v 、6 0 w 白炽 灯的闪变觉察频率范围约为l 2 5 h z ，闪变敏感的频率范围为6 - - - 1 2 h z ，正弦调 幅波在8 8 h z 的照度波动最为敏感。人对照度波动的最大觉察频率范围不会超 过0 0 5 3 5 h z ，这两个频率限值均称为截止频率。截止频率的上限值又称为停 闪频率。 闪变是经过灯眼脑环节反映人对照度波动的主观视