（通信与信息系统专业论文）电网电压闪变信号检测算法的研究及工程实现.pdf

南京帅r n 人学坝1 ：l o i j e 生论文摘蛰 摘要 针对动态电能质量中闪变信号的检测，研究了平方检测法、h i l b e r t 变换法以 及基于小波变换的同步或拟同步检波技术的检测方法，并在此基础上提出了一种 基于萨交小波变换的平方检测法。该方法不仅具有小波变换良好的时频分丰能 力，而且不需要产生同步或拟同步信号，避免了；i 入同步信号带来的误差。仿真 结果表明，基于计：交小波变换的平方检测法能够准确地提取时变的调幅波，检测 精度相对于平方检测法和h i l b e r t 变换法有很大的改善，是一种更为有效的电压 闪变分析方法。掘此，监测系统软件的数据处理部分，采用f f t 和小波燹换相 结合的信号分析方法。f f t 用于稳念电能质量指标的分析和计算，主要包括电压 偏差、三相不平衡度、各次谐波电压含有率以及总谐波电压畸变率；小波变换用 于检测动态电能质量，主要包括电压闪变信号及其相关指标。 根据电能质量监测与分析系统的功能要求以及精确度指标，提出系统设计方 案。该方案集数据采集、分析和通讯于一体。在硬件方面，以系统要求的精确度 指标为依据，合理选择a 仍转换器，完成了基于p c i 0 4 总线的8 通道同步数掇 采集卡的设计；荏软件方面，完成了数掘采集、g p s 时标接收、数据分析处理模 块的设计。利用m a t l a b 混合编程技术，通过m a 丁l a ba d d i n 以及m a t l a b 引擎，实现在v c + + 环境下调用m a t l a b 的工具箱函数进行f f t 和小波变换。 完成监测系统的调试，取得电能质量分析的相关测试结果。测试结果表明， 软、硬件设计均达到了系统的设计目标。 关键词：刚变检测，小波变换，电能质量指标，数据采集，g p s 混合编程 塑塞i 坠! 尘兰塑生! ! ! 塑生堡苎 一堕墨 a b s t r a c t a i m e da tt h ed e t e c t i o no ff l i c k e ro fd y n a m i cp o w e rq u a l i t y , m e t h o d so fs q u a r e d e t e c t i o nf b a s e do nf f t ) ，h i l b e r tt r a n s f o r ma n dw t ( w a v e l e tt r a n s f o r m ) o fu s i n g i n p h a s ea n di m i t a t e i n p h a s et e c h n o l o g y ，a r er e s e a r c h e dr e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e r e s e a r c h ，an e wd e t e c t i n gm e t h o do ff l i c k e ri sb r o u 【g h tf o r w a r d ，w h i c hh a sag o o d f u n c t i o no ft i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s ，w i t h o u tn e e dt og i v e t h e i n p h a s e o r i m i t a t e i n p h a s es i g n a l ，s ot h a ts y n c h r o n o u se r r o ri sa v o i d e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n s h o wt h a tt h en e wm e t h o di sm o r ec o r r e c tt h a nm e t h o d so fs q u a r ed e t e c t i o na n d h i l b e r tt r a n s f o r r n b a s e do nt h ec o n c l u s i o n ，i ti si n t r o d u c e dt h a tf f ts h o u l db eu s e d t oa n a l y z ea n dc a l c u l a t es t a t i ci n d e x e so fp o w e rq u a l i t y a n dt h a tw tt od e t e c t d y n a m i cp o w e rq u a l i t yw h i c hm e a r l sf l i c k e ra n d i t si n d e x e s t h es c h e m eo fs y s t e mi sg i v e n ，w h i c hi sd e s i g n e db a s e do nt h er e q u i r e m e n to f f u n c t i o n sa n dp r e c i s i o ni n d e x e so fs y s t e m t h ef u n c t i o n so fs y s t e mi n c l u d ed a t a c o l l e c t i o n ，d a t a a n a l y s i sp r o c e s s a n dc o m m u n i c a t i o n i nt h ea s p e c to fh a r d w a r e a c c o r d i n gt ot h ep r e c i s i o ni n d e x e s ，8 - c h a n n e li s o c h r o n o u sd a t ac o l l e c t i o nm o d u l e ， b a s e do np c i 0 4b u s ，i sd e s i g n e d i nt h ea s p e c to fs o r w a r e ，t h es o f t w a r eo f g p st i m e i n c e p t i o na n d d a t ap r o c e s si sd e s i g n e d t h el a n g u a g eo fp r o g r a m m i n gu s e sc l a n g u a g em a i n l y , a l o n gw i t ht h em i xo fv c + + a n dm a t l a b w h i c hi su s e d t o t r a n s f e rt h et o o lf u n c t i o n so f f f ta n dw to f m a t l a bi n v c + + t h em o d e so f m i x e d p r o g r a m m i n gu s em a t l a b a d d i na n dm a t l a be n g i n e f i n a l l y ，t h es y s t e md e b u gi sc o m p l e t e d ，a n dt h er e s u l t so f p o w e rq u a l i t ya n a l y s i s a r ep r e s e n t e d ，w h i c hs h o wt h a tt h ed e s i g n so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r em e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n to fs y s t e m k e y w o r d s ：f l i c k e rd e t e c t i o n ，w a v e l e tt r a n s l a t e ，p o w e rq u a l i t y i n d e x e s d a t a c o l l e c t i o n ，g p s 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：塑l 堇! 日期：型! ：! ， 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：塑l 堇兰导师签名：日期彬竺! ! 南京忡电人学硕1 ：4 0 1 。究生论文 第一章绪论 1 1 研究电能质量的意义i k 2 3 电能作为现代社会中最为重要的二次能源，其应用越来越广泛，电力工业的 发展程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。电力工业是最为重要的能源 工业，社会的发展越来越离不丌电力工业，科技越进步，人们对电力的依赖就越 大。 近年来，随着我国电力事业的迅猛发展，电力系统的规模日益扩大，以往电 能紧缺的问题已经逐步解决，但与此同时，有关电能质量的问题却f 1 益紧迫地摆 在了我们的面前。也就是说，在解决了电能的数量问题后，电能的质量问题就成 为了现在电力行业所面临的最为紧迫的课题。随着电力电子技术广泛应用和电弧 炉等冲击负荷以及电力机车等拖动负荷的同益增多，对于电力行业来说，满足用 户要求的电能质量变得越来越困难。电力电子技术的广泛应用，给技术和经济带 来了一系列方便和效益的同时，也使电网谐波的含量大量增加。电网谐波污染的 日益严重，导致了电气设备寿命缩短，增加了电网发生谐振的可能性，使继电保 护和自动装置不能正常动作或操作，导致仪表指示和电度计量不准以及计算机和 通信受干扰等一系列重要问题。电弧炉等大功率冲击负荷除了会造成严重的谐波 污染之外，还是电压波动和闪变的重要原因。电力机车等大功率的牵引负荷会造 成三相不平衡。 有关电能质量问题的研究已经引起了各国电力工作者的高度重视。要解决面 临的电能质量问题，就离不开对电网电量参量的测量和谐波的监测。随着电力行 业系统运行管理的系统化、网络化、自动化和智能化，通讯网络和因特网技术的 r 益成熟和普及，出现了三网合一的趋势。功能单一的电力系统测量仪表已经不 适应现代化电能管理的需要。我国的电力监测仪表有待于进一步研制并完善其功 能。电能质量的监测，不论在理论上还是在实践中，都有许多值得深入研究的问 题。因此丌发一种新型的、通用性好、应用范围广的电能质量监测装置，集数据 采集、处理分析和通讯等功能于一体，能有效的进行电能质量监测，对于保证电 力系统运行的安全性、经济性和可靠性都具有重要的意义。 南京| | | | j 电人学碳j j _ 】究生论文 第一章绪论 1 2 国内外发展概况1 4 , 5 1 白8 0 年代末以来，国外市场陆续出现了一些用于电力系统的电能质量监测仪 和用于用户端的电能质量分析仪。如瑞士生产的l e m 3 p q i i 便携式电能质量分析 仪，这类仪器均能提供电力运行中的谐波分析及功率品质分析，同时能够对大型 用电设备在起动或停止的过程中对电网的冲击进行全程监测。国产深圳普禄科智 能检测设备有限公司的p i t e 3 5 0 0 电能质量测试仪同时还配备了大容量的存贮 器，能够对电网运行进行长期的数据采集监测。 随着数字信号处理技术的迅速发展和广泛应用，采用数字化检测电能质量已 成为当今和未来电能检测技术发展的一个新热点。而目前能够用于电能质量分析 的处理器更新速度很快，通过处理器的升级来实现产品的升级会使得丌发周期加 长，导致产品跟不上市场的变化。另一方面，不同的用户对电能质量指标的测量 要求不尽相同，采用相同的硬件电路，利用软件很容易扩展电压、电流、有功、 无功、视在功率、波动测量、瞬变测量、谐波分析、负荷平衡分析等测量与分析 功能，而且用软件升级的办法更容易实现产品的升级。所以，采用高性能的处理 器，用软件的方法实现功能的扩展与产品的升级，是未来电能质量检测的发展趋 势。 1 3 本文的主要工作 ( 1 ) 分析国内外在电能质量监测领域的研究概况以及发展趋势，丌发一种具 有高性能处理器，集数据采集、分析处理和通讯等功能于一体的电能质量监测装 置。 ( 2 1 对电能质量的基本电气量检测模型进行研究，找出相应的检测方法。 ( 3 ) 在对| = l 、j 变传统检测方法研究的基础上，提出一种有效的电压闪变分析方 法，该方法在检测精度上比传统检测方法有很大的改善。 ( 4 ) 根据监测系统的功能要求以及精度指标，在硬件上，完成基于p c i 0 4 总 线的8 通道同步数据采集卡的设计；在软件上，完成数据采集、g p s 时标接收、 数据分析处理软件的设计。 ( 5 ) 对监测系统进行实验调试，取得电能质量分析的相关测试结果。 南京邮l u 人学舰l j 研饨生论文第一章 l u h 波动年n 闪蹙 第二章电压波动和闪变 本章的内容是后续章节必要的理论基础。首先系统地介绍了电压波动和n 变 的相关概念及其对电力系统的影响；详细地讨论了闪变源的种类和特点，指出电 压波动和l j 变信号是一种非平稳信号；介绍了波动和闪变指标及其国内外标准， 闪变指标具体的计算方法将在第六章给出。 2 1 电压波动和闪变的概述 2 1 1 电压波动和闪变 电压波动是由一系列电压( 均方根值) 变动引起的。电压波动值( 用d 表示， 无量纲) 为波动特性曲线上相邻两个极值电压之差( u 。一【，m 。) 以其标称电压u 的百分数表示： d ：u m a x - u m i n 1 0 0 ( 2 - 1 1 u 电压变动涉及到频度的概念，频度是指单位时日j 内电压变动的次数，用，表 示，一般用r a i n 一1 或s - 1 作为频度的单位。电压由小到大或出大到小各算一次变 动，因此频度r 和频率f 的关系为： f ( h z ) = r ( s 一1 ) ，2 = r ( m i n 一1 ) 1 2 0 ( 2 2 ) 当波动特性曲线上的调幅波( 用v ( f ) 表示，电压单位为伏) 为周期性任意波 形时，可以将v ( f ) 按傅立叶级数分解为各频率的正弦波形分量，对于每个频率分 量，都有其相应的d 值和，值。 电压闪变是一个较复杂的概念，它主要反映了出电压波动引起的灯光闪烁对 人的视感产生的效应。它不仅与电压波动的幅值、频度、波形和照明灯具的形式 和参数( 额定电压和额定功率) 有关，而且还和人的视感灵敏度有关。已有的电 压闪变的定义大致有以下几种8 1 ： 堕室i 坠! 查堂堡：! ：! 壅兰丝兰 一笙三里些兰丝堡! ! ! 竖 f 1 1 电压闪变指电光源输出照度的闪烁对人眼所产生的不良刺激现象。 f 2 1 电压闪变是指由供电电压的突然变化引起的灯光设施的照度变化。 f 3 1 圈家标准中将电压闪变定义为：灯光照度不稳定造成的视感。 f 4 ) 电压闪变是指由大型冲击性负荷引起的6 0 h z 或5 0 h z 供电电压幅值包络 线的波动。 ( 5 1i e e e 标准中将电压闪变定义为：当频率在几赫兹到3 5 赫兹之恻变动时， 颜色或照度波动的现象，3 5 h z 为图像的停闪频率。 ( 电压闪变指频率在0 5 h z 3 0 h z 之间的包络线电压的有规则变动或者 指幅值不超过0 9 p u 1 1p u 范围的一系列电压随机变化。 定义( 1 ) ( 3 ) 是从人眼对灯光闪烁的主观感觉上定义的。定义( 4 ) 是从电压幅 值包络线的波动上定义的。定义( 5 ) 、( 6 ) 指明了电压闽变的频率和幅值范围。 2 1 2 闪变源的种类及其特点2 引起电压闪变的原因有很多，主要可以分为三类，一是电源引起的电压、 j 变； 二是负载的切换、电动机的启动引起的电压闪变；三是冲击性负荷投入电网运行 引起的电压闪变。 电源引起的电压闪变 电源引起电压闪变主要是指风力发电机在发电时产生的闪变，这是因为风力 发电机组的出力( 输出功率) 是随风速变化而改变的，并且随机性很大，有些风 机随风起停以及风速不断变化，造成功率的连续波动和暂态扰动，从而使电网产 生电压波动和闪变。 电动机起动引起的电压闪变 在实际工作中，许多正常运行的电动机根据工序要求需要不断起停，在电动 机起动时，高浪涌电流和低功率因数共同作用引起闪变，如电扇、泵、压缩机、 空调、冰箱、电梯等属于这种负载。另外，功率因数校丁f 电容器的投切也引起电 压闪变。 南京| | f f j 电人学颂i 瑚1 ：究生论文 笫一章 l u 胍波动和闪变 冲击性负荷引起的电压闪变 冲击性负荷的种类很多，如电弧炉、轧钢机、矿山绞车、电力机车等，这类 负荷的功率都很大，达几万千瓦甚至几十万千瓦，它们具有一些共同的特点： ( 1 ) 有功功率和无功功率随机地或周期地大幅度波动： ( 2 ) 有较大的无功功率，运行时的功率因数通常较低： ( 3 ) 负载三相严重不对称； ( 4 ) 产生大量的谐波反馈入电网中，污染供电系统。 因此，这些负荷运行时，电网电压就不稳定，从而产生电压快速或缓慢波动， 但由于这些冲击性负荷的特性又各有差异，故它们产生的电压波动及闪变情况也 不同。 电弧炉负荷所产生的电压l = q 变的频谱范围集中在1 h z 1 4 h z ，此频谱正处于 人类视觉敏感区域，引起的闪变最严重。有关研究表明，电弧炉运行引起的电网 电压波动大小与调幅波调制频率的关系一般为矿，9 0 l f “2 。 由各种电压闪变源的特点可以分析出电压闪变现象分为两类，周期性闪变和 非周期性闪变。前者主要是由周期性电压波动引起的，如往复式压缩机、电焊机、 电弧炉等：后者往往与随机性电压波动有关，如风力发电机的运行、大型电动机 的起动：有些负荷还可以引起周期性的和非周期性的闪变，如电弧炉、电焊机等， 因此，电压波动和闪变信号是一种随机性的、动态的信号，也就是洗它是一种非 平稳信号。 2 1 3 电压波动和闪变对电力系统的影响 电压闪变对电力系统的影响主要有两个方面，一方面是对附近电力用户产生 不利影响，另一方面是对灵敏负荷产生扰动。 对附近电力负荷用户的不利影响 ( 1 ) 照明灯光闪烁引起人的视觉不适和疲劳，进而影响视力。试验测得，当 电源电压变化1 时，稳态时白炽灯可见光变化为3 - 2 3 8 ，因灯泡种类不同 而有所不同：各种荧光灯可见光输出的变化范围为o 8 1 8 。 南京邮电大学硕十研究生论文 销一章 i b 压浊功和闪变 ( 2 ) 电视机画面亮度变化，图像垂直和水平摆动，从而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及寿命，而且影响产品 质量。 对灵敏性负荷的扰动 使精密的仪器、电子计算机、自动控制设备、电子生物医疗器械等设备无法 正常工作，而且还影响对电压波动较敏感的工艺或实验结果。 2 2 电压波动和闪变的标准 电压闪变给电力用户及灵敏性负荷均带来了严重危害，对电力系统产生不利 影响，因此，电力研究人员及工作人员必须采取相应的措施抑制电压闪变，但完 全地消除| = | 变是不可能也是不现实的，为此，许多国家为电压闪变制定了相应的 标准，这些标准既允许测变存在，又能为广大用户所接受，并把它作为衡量电网 电能质量的重要标准之一。 2 2 1 电压闪变的指标 短时间闪变值( 只，) 由于人的视觉有一定的记忆效应，对l 硐变影响的评定必须取足够长的时i 训a 国标规定，短时间闪变值只，的求法为：取l o m i n 内的瞬时闪变视感度系数5 ( f ) ， 作出s ( f ) 的累积概率函数( c p f ) 曲线。c p f 曲线的纵坐标为超过相应横坐标j ( f ) 值的时间占测量时段( 1 0 m i n ) 的百分数。只，值用下式计算： 只，= 4 0 0 31 4 p ol + o 0 5 2 5 p i + o 0 6 5 7 p 3 + o 2 8 p , o + o 0 8 b o ( 2 - 3 ) 式中：蜀l 、e 、b 、# o 和只。分别为c p f 曲线上与ol 、l 、3 、1 0 和5 0 相应的j ( f ) 值。 每项前面的常数为规定的加权系数，它们是根据典型的电弧炉工况c p f 曲线推 南京| | | | j 电人学倾j j i 】| ：究生论义第二帝i bj 波动和闪变 求出的( 因为电弧炉引起的电压波动和闪变最为严重，i e c 制定闪变标准主要针 对电弧炉负荷) 。因此短时间闪变值只，是反映规定时段( 1 0 m i n ) 内闪变强度的 一个综合统计量。研究指出，对于2 3 0 v 、6 0 w 的白炽灯，当p ， 1 3 时，则闪变使人感到不舒服，所以i e c 推荐只，= 1 作为 低压供电的闪变限值，称为单位闪变。同一频度的电压波动，波动值d 越大，则 其产生的n 变值只，也越大，只，与d 近似呈线性关系。对于周期性等幅电压波动， 在式( 2 3 ) 中，r l = 只= b = 置o = 只o = s ( t ) ，则巴= o 5 0 9 6 s ( t ) = o 7 1 4 j ( f ) 。 长时间闪变值( 昂) 长时间闪变值日是由测量时间段( 规定为2 h ) 内短时间n 变值只，推算出的 r = 据( 引3 式中：n 为兄测量时间段内所包含的e ，个数( n 一1 2 ) 。 2 2 2 电压波动和闪变的国外标准阳】 ( 2 4 ) 在波动性负荷中，以电弧炉引起的电压波动和闪变最为严重。许多国家制定 的闪变标准，通常是针对电弧炉负荷的，因为其他类型的波动性负荷一般是不会 比电弧炉的影响更大。以下为国外的闪变标准简介： ( 1 ) 同本从2 0 世纪6 0 年代起就有几种闪变仪问世，1 9 7 8 年，r 本电加热技 术协会和电弧炉技术委员协会制定同本国内统一的闪变标准，并协调k 。闪变 仪的规格。我国初期制造的闪变仪，多以日本的k 。闪变仪作参考 8 】d ( 2 ) 英国是对电能质量要求较严的国家，1 9 7 0 年，英国电工委员会颁布电弧 炉p 7 2 工程技术规范，以电弧炉的一个工作周期或更长时间的累积概率函数 ( c p f ) 来评定其闪变的统计值。 ( 3 ) 国际电热协会( u i e ) 于1 9 8 2 年制定闪变仪的功能和设计规范首先在 南京| | 1 | jr u 人学埘卜唰i 究生论史 笫一章 l u 肚波动和闪娈 英、法、德、意和比利时等5 国试行，1 9 8 6 年国际电工委员会( i e c ) 正式颁布。 1 9 8 8 年u i e 对波动性负荷的供电作了较详细的论证，制定和推荐闪变标准和预 测计算方法。掘此，1 9 9 4 1 9 9 6 年i e c 先后颁布了有关电压波动和闪变的电磁 兼容标准和技术报告。 f 4 11 9 8 9 年，欧洲共同体决定制定电能质量的全面标准。1 9 9 2 年7 月，欧洲 电工标准化委员会正式颁布公用配电系统供电特性文件，作为欧洲共同市场 对电能质量的统一标准，其中电压波动和l 刈变的标准摘要如表2 1 所示 表2 - 1 电压波动平闪变的标准 低压 中压 不发生闪变的电压波动幅值不超不发生闪变的电压波动幅值不超过 过5 u 4 u 电压 发生闪变的电乐波动：发生闪变的电压波动： 波动 短时间闪变值：只，= l短时间闪变值：只，= 1 长时间闪变值：r = o 8 k 时间闪变值：只，= 0 8 i e c 规定，如用户产生的闪变值不超过只，= o 3 5 和晶= o 2 5 ，则允许无条件 接入电网。如不能满足此条件，则需要对电力系统现状及今后发展作研究后，对 用户分配适当的闪变指标。 2 2 3 电压波动和闪变的国家标准眦j 为了控制电压波动和闪变的危害，我国国家技术监督局于1 9 9 0 年和2 0 0 0 年 先后发布了有关电压波动和闪变的国家标准，其中2 0 0 0 年1 2 月实施的新标准是 在参考i e c 6 1 0 0 0 一3 7 等标准的基础上对原有标准g b l 2 3 2 6 9 0 的修改，这些 标准的实施对于控制电网电压波动和闪变起了非常重要的作用，促进了电压波动 和闪变治理工作的开展。下面就新标准的主要内容作如下介绍。 国家标准电能质量电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ) 适用于电力系统 f 常运行方式下，由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起 人对灯光闪烁明显感觉的场合。标准规定的电压波动和闪变的限值如表2 2 所示。 南京邮l b 人学顾h 卅究生论义 第一二帝, 1 3j k 波动和闪娈 表2 - 2 各级电乐变动限值( d ) n ( h i ) l vm v h v ，l 43 1 ，1 03 25 1 0 ，1 0 02 +1 5 4 l o o r 1 0 0 0 i2 5 l 说明： ( 1 ) 对于随机性不规则的电压波动，9 5 概率大值作为判断依据，表中标有+ 的值为其限值。 ( 2 ) 对于像电弧炉负荷造成的电压波动，可以规定一段时间( 例如l m i n ) 输 出一个最大值d m 。、，测量结束后( 至少取一个完整的冶炼期作为整个测量时段) ， 将所有的d m 。值作统计，取9 5 概率大值作为波动值水平，但此值要比标准中 规定的9 5 概率大值要偏大些。 由波动负荷引起的短时间闪变值只，和长时间闪变值兄应满足表2 3 所列的 限值。 表2 - 3 各级电压f 的闪变限值( ) 系统的电压等级 l vm vh v 只， 1 0 o 9 ( 1 0 ) 08 最 o8 0 7 ( 0 趴 06 说i ! j ： ( 1 ) 本标准中只，和b 每次测量周期分别取为1 0 r a i n 和2 h 。 ( 2 ) m v 括号中的值仅适用于电网公共连接点所有用户为同级电压的场合。 ( 3 ) 本标准中，系统标称电压u 。等级按以下划分： 低压( l v ) u _ i k v 中压( m v ) i k v u 3 5 k v 高压( h v ) 3 5 k v u 2 2 0 k v 需指出，对于表2 2 、2 3 的限值，标准规定的衡量点为电网的公共连接点。 南京邮u 大学颂f ：训究生论史 第二三章 闪变榆测算法的_ f i 】 究 第三章闪变检测算法的研究 对电压波动和闪变进行有效监视与管理，首要任务是要准确提取电压l j 变的 调幅波信号。目前提取电压l j 变调幅波信号的方法有多种，大多是采用i e c 推荐 的平方检测法进行数字化检测。该方法需要设计频带严格的带通滤波器和低通滤 波器，不能形成快速算法【2 3 1 。 文献 2 5 提出采用h i l b e r t 变换来检测电压闪变信号的参数，能形成基于f f t 的快速算法。文中指出，该方法除了能够快速提取闪变的包络外，还能准确地计 算出闪变调制信号的幅值、调制频率、闪变的电压幅值和基波频率等参数，同时 也指出，当检测含有高次谐波的闪变信号时，需要设计滤波器或应用小波去噪方 法进行预处理后再进行具体参数的计算，增加了计算工作量；此外，调幅波频率 的大小会影响其检测精度。 由于平方检测法和h i b e r t 变换法的检测原理都是基于f f t 原理，因此不适用 于突变的、非平稳的电压闪变信号的检测 2 8 】。可见，研究一种既能准确地提取电 压闪变调幅波信号、又适用于检测各种性质的电压闪变信号的检测算法具有重要 意义。 文献 2 7 2 9 1 提出采用小波变换的多分辨率信号分解和同步或拟同步检波技术 检测电压闪变，提取幅度调制信号，检测精度优于f f t ，并且该检测方法适用于 各种性质的电压闪变信号。文献 2 7 儿2 9 检测结果表明，小波变换是一种更为有效 的电压闪变分析方法。 文献 2 7 2 9 1 提出的方法虽然取得了较为满意的检测结果，但不适合工程应用， 因为需要产生一个同步或拟同步信号，而且同步或拟同步信号与实际基波分量的 频率偏差会严重干扰闪变调制信号的检测，而文献【2 7 】 2 9 】对此没有提出相应的解 决方法。 本论文在文献 2 7 2 9 1 研究的基础上提出了一种基于正交小波变换的) j 变电压 调幅波的检测方法，该方法首先对采样的电压信号进行自乘处理，然后利用正交 周期小波变换对自乘后的信号进行分解，重构出闪变电压的调制信号。该方法不 仅具有小波变换良好的时频分析能力，改善了检测精度，而且避免了引入同步信 号带来的误差。 量堕型塑型生丝坠竺翌空竺堡苎一 釜三主塑生堕型基垫塑! ! 塞 为了说明基于征交小波变换的平方检测法检测非平稳电压| = i 变信号的优越 性，本章给出了平方检测法和h i l b e r t 变换法的检测原理及仿真实验，并比较这三 种检测方法的检测结果，给出精度分析和评价。本章研究的内容将为数据处理分 析方法选择提供理论依据。 3 1 电压闪变的数学模型 闪变是人眼对电网的电压波动引起的照明闪烁的主观感觉。由于电压波动是 电压均方根值的快速变动，因此它的波形是以工频电压( 5 0 h z 6 0 h z ) 作为基波， 在基波上附加系列频率( 0 3 0 h z ) 的调幅波，其模型可以用下面的数学表达式 表示。 “( ) = 2 ( y + 圪s i n ( 2 硝h 纯) ) s j n ( 2 z r z t 十甄) ( 3 - 1 ) 式中，矿为系统电压幅值；圪为闪变电压幅值；为电力系统频率； 为| ： 变频率( 调制频率) ； 为电力系统初相角；纯为闪变初相角。 为了使分析简化又不失一般性，我仰假定纯= = 0 ，七：1 ，令2 仃f ：印， 方程( 3 - 1 ) 可写为： 蹦( f ) = j ( 矿+ 巧s i n ( q ) ) s i n ( c o t ) 上式又可以写为 甜( ，) - 西( 1 + 矿v ls i n ( s 吣f ) 令廊叱吾则 甜( ) = u ( i + m s i n ( q t ) ) s i n ( c o t ) ( 3 - 2 ) 式中，u 为工频载波电压的幅值；扔为工频载波电压的角频率：埘为调幅波 的调制指数；q 为调幅波电压的角频率。 南京邮电人学硕j 研究生论文 第二章闪变榆测劈珐的研究 3 2 平方检测法 国际电工委员会( i e c ) 建议的i 刈变仪模型是目前国际上迫用的n 变删量仪器 的原型，其测量原理框图和设计规范在很多关于闪变检测的文献中均有论述。因 此，根据内容需要，本论文只给出平方检测法的检测原理。根据i e c 推荐的平方 检测原理，首先将u ( t ) 平方得到： “2 = 譬( 1 + 丁m 2 ) + m u 锄r + 丁m 2 u 2 c 。s 2 q r + u 2 ( 1 + m 2 ) c 。s 2 出r + m 2 u 2c 。s 2 ( + q x 2 、28 、 + 旦罢。2 ( 珊删h 半。( 2 脚+ q ) f 8 、。 2 、。 + 警c o s ( 2 c o - q ”+ t m u 2c o s ( 2 c o - f 2 ( 3 _ 3 ) 由式( 3 3 ) 可以看出，即使对于单一频率的调幅波，经过平方检测后仍存在它 的倍频分量竺竽c 。s 2 f f ，由于一般情况下川 l ，因此可忽略不计。将u 2 ( f ) 经 4 过o 0 5 h z 3 5 h z 的带通滤波器滤去直流分量和工频及以上频率分量，便可检测出 调幅波，其输出为： u 2 v ( f ) m u 2c o s f 2 t( 3 4 ) 再经过简单的线性变换，就可得到幅度调制信号v ( ，) 。 i e c 推荐的平方检测法中，平方解调器是基于傅立叶变换原理设计的。由于傅 立叶变换不具有时域分辨率，因此不能捕获问断或时变的调制信号。当电压信号 含有较多暂态成分时，可能叠加并增大在正常运行状态下的电压波动。虽然暂态 成分不会造成较大的照度波动，但由于平方解调器不能够区分暂态成分引起的波 动，因此，暂态成分的存在会影响包络线检测的诈确性。故该检测方法更适用于 平稳波动信号的检测。另外，平方检测法需要设计频带很严格的带通滤波器，恰 当地将直流、工频以及工频谐波滤去，滤波工作颇费周折。 南京邮f b 人学坝j 研究生论文 第二三审闪变椅测算法的训究 3 3 基于h i l b e r t 变换的检测方法 3 3 1h i l b e r t 变换基本原理 h i l b e r t 变换在信号分析、数字信号处理、通信、雷达和光学领域都有着重要 的应用。在信号处理中，h i l b e r t 变换是获得窄带信号包络的常用方法。 对窄带信号x ( t ) 可以通过h i l b e r t 变换得到它的共轭信号x ( f ) ，即 h t z ( f ) _ x j ) ：土彳蚴f ：x ( f ) + 上：x ( f ) + 向( r )( 3 5 ) 霄4t f耳l 式中，h t 为h i l b e r t 变换，+ 表示卷积，f 为时问，f 为积分变量。信号x ( f ) 的 幅值a ( t ) 、相位妒( f ) 和瞬时频率厂可以通过以下各式求出： 厂了 a ( f ) = 、x 2 0 ) + x 2 0 ) ( 3 6 ) 砷胁c t 孤斋 ( 3 - 7 ) ，：1 a o ( t ) 。 2 j rd t 3 3 2h i l b e r t 变换求闪变参数算法 ( 3 - 8 ) 闪变可以看成是对正弦电压的低频调制，即 u f l k ( t ) = 4 2 + 。ds i n ( 2 z c f m 。d t ) s i n ( 2 z r f l t )( 3 9 ) 调制信号的频率就是正弦电压信号包络的频率，工频电压信号为载波信号。 v m 。d 为调制幅值，最大能达到基波幅值的1 0 左右。 电弧炉负荷所产生的电压闪变的频谱范围集中在1 h z 1 4 h z ，闪变敏感的频 率范围约为6 1 2 h z ，而调幅波在8 8 h z 的照度波动最为敏感。因此，1 0 h z 以下 的闪变频率基本可以认为满足窄带信号条件，这特点使得我们可以通过h i l b e i t 变换方法获得电压闪变的调制信号( 包络信号) 。 南京| | | | j 电大学硐二l 研究生论文笫二三章闪变榆测算沾的研究 如式( 3 - 5 ) 所示，闪变信号经过h i l b e r t 变换后，得到其共轭信号u f l k ( f ) ，将闪 变信号和它的共轭信号组成复合信号，得到闪变信号的解析信号三皿( r ) ，即： z f l k = “肌( f ) + j u f l k ( t ) ( 3 l o ) 与上式对应的离散解析信号为： z f l k = ( 坨) + ，( 胛) ( 3 1 1 ) 对( 3 - 1 1 ) 式两边取离散傅立叶变换( d f t ) 有： x 知( 七) = ( 尼) + i ，( 尼) 2 ( 尼) + j ( 尼) ( 七) 式中，z 册( 七) 为。皿( 门) 的d f t ，( 七) 为闪变信号“m ( ，z ) 的d f t ，日( 七) 为h i l b e r t 滤波器h ( n ) 的d f t ，n 为信号的时问序列长度。 根据式( 3 1 1 ) ，h i l b e r t 变换的实现和解析信号的求取可以通过d f t 和i d f t 来完成，主要步骤如下f 2 5 】： ( 1 ) 对采集到的时间序列u 月k ( n ) 进行去直流偏置的预操作，若含有高频噪声则 进行有效去除。 ( 2 ) 对u f l k ( n ) 进行d f t 得到序列e ，m ( 七) 。 ( 3 ) 通过( 3 1 1 ) 式构建解析信号的离散傅立叶序列z m ( 七) 。 ( 4 ) 对z 胜( 七) 实施i d f t ，即可得到解析信号z f l ( n ) 。 对( 4 ) 计算出的解析信号2 舭( 玎) 进行逐点复数取模，计算出的模序列就是原始 信号的包络。该包络经滤波后进行简单的线性变换，就可以得到幅值调制信号。 综上所述，基于h i l b e r t 变换的检测方法，除了能够快速提取电压闪变的调制 信号外，还能准确地计算出闪变调制信号的幅值、调制频率、i 、 j 变的电压幅值和 基波频率等参数；与平方检测法相比，无需设计频带很严格的带通滤波器，但需 一 l 等争旦： u 南京| | | | j 电人学坝i ：f or 究生论史第二章闪受榆测算法的 ! j = 究 要有预处理措施去除电压波形中的高频谐波、噪声和暂态成分，且调幅波频率的 大小会影响检测精度。因此，基于h i l b e r t 变换的检测算法更适合用于检测简单的 闪变信号【2 5 】。 3 4 基于正交小波变换的平方检测方法 3 4 1 小波分析的基本原理【2 8 3 0 工程上的信号分解可以看作把r ( r ) 上的信号z ( f ) 在一系列的函数空甘j 上投 影，即z ( r ) = _ ( ，) 。选择不同的投影方式使得特定的信号分量投影在有限个特 定子空间上，这是分解的最终目的。投影子空间序列的不同性质，直接导致了不 一样的分解结果。也就是说，子空问基函数的性质最终决定了分解方法的不同。 例如，傅立叶分析中的投影空间是三角函数空间，最终的分解结果是三角函数级 数，即一( ，) = c ，c o s ( r o t ) ；小波分析中的投影空间是小波函数空间，最终的分解结 果是小波级数。和三角函数不同的是，小波函数( f ) 只在时域的某段中取值， 因此在小波空间中t ( f ) = a , , j p ，( f ) 。可以看出，小波空i 、日j 上的投影具有时域 j = o + 分辨率，而傅立叶分析的本质是用能量无穷的函数来拟合能量有限的函数，不具 有时域分辨率。 设是由f 交小波函数族m = 2 - 2 2 ( 2 - 1 2 0 一七) ) 生成的空间，其中 七，j z ，j 0 。如果子空间链0 是空间r 的一个多分辨逼近，那么有上眵， 巧= 巧+ lo + l 。也就是说， i a j ( r ) 可以用一定分辨率的子空问来逼近。由 于采样离散信号的频谱有限，通常用l 2 ( r ) = 0 o 一io o 代替 r ( r ) = o ，m ，n z ，因此口) 中的信号x ( f ) 能够用有限个子空间上的投 影来逼近，每个投影代表着原始信号不同分辨率之间的差值。 x ( f ) 在子空间上的投影可以用这个子空间上的基函数展丌，例如子空间w i 、 南京邮电大学颅。1 ：t 0 1 。究生论文 第三章闪娈榆测算法的研究 一上的基函数分别是小波函数族y ， = 2 一7 2 ( 2 一7 2 0 一) 和尺度函数族 以t = 2 - j 2 矽( 2 一。7 2 0 一七) ) 。随着的减小，投影分量对应的频带越来越高。 工 程上一般耿足够大的n ，近似认为x ( f ) 在上的投影就是直流分量，而能够通过 投影得到的最高频分量受x ( f ) 的采样频率限制。 3 4 2 闪变调幅波提取算法 实际的电网电压信号的组成是非常丰富的，除了工频分量以及叠加在工频分 量上的波动信g - ) t - ，还包含有高次谐波、暂态过程等2 8 1 。如何从电压信号中准确 有效地提取出这些分量是电能质量研究领域中信号分析的重要内容。 为了研究特定现象的性质，信号的分解和提取不再是单纯的频带划分，而是 侧重于在尽可能少的投影分量中保留更多的信号特征。由小波变换的基本原理知， 小波分析在不同的分辨率上逼近原始信号，其投影分量有一定的带宽并有时域分 辨能力，能够呈现各成分的个性特征。大多数情况下，闪变调制信号含有明显的 暂态过程，是一种非平稳信号，适合用小波变换进行分析。 在传统的平方检测法中，信号平方可将电压闪变信号的频谱分别移到零频率和 1 0 0 h z 频率附近。基于小波变换进行平方解调，不仅可以具有时频分辨能力，很好 地表现闪变信号的个性特征，而且避免了产生同步或拟同步信号的麻烦以及由此带 来的不可预测的误差。 设闪变电压信号的数学模型为： u ( t ) = 1 + a ( t ) s i n ( c o t ) 口( f ) 为未知的幅值调制信号，u ，为闪变电压的幅值，1 a ( t ) c 1 。 则 u 2 ( f ) = 0 5 u 2 ( 1 + 口o ) ) 2 0 5 u 2 ( 1 + 口( f ) ) 2c o s ( 2 c o t ) 设 “1 ( f ) = 0 5 u 2 ( 1 + 口( r ) ) 2 b 1 2 ( r ) = 0 5 u 2 ( 1 + d ( f ) ) 2c o s ( 2 ( o t ) 6 南京邮l 乜人学f i ! j j ：研究生论立 第二章闪变椅测算泣的 l j | = 究 则 “2 ( f ) = u a o 一“2 ( r ) 很明显( f ) 和“2 ( r ) 具有不同的频带，投影到不同分辨率的子空间上