電力系統(tǒng)暫態(tài)擾動(dòng)檢測方法的研究及MATLAB仿真

卞 超

（湖南省電力公司益陽沅江電力局，湖南 沅江 413100）

現(xiàn)代社會(huì)中，電能作為一種清潔、高效的能源、已經(jīng)得到了最為廣泛的使用，而對(duì)電能的應(yīng)用程度則是反映一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的主要指標(biāo)之一。電能作為一種特殊的商品，與其它產(chǎn)品不同，既具有以商品形式向用戶出售的性質(zhì)，又具有為千百萬電力用戶服務(wù)的公用事業(yè)性質(zhì)。電能的特點(diǎn)之一是不能方便地儲(chǔ)存 且是發(fā)、供、用同時(shí)完成并由用電量的多少來決定供電量的多少，因此保證對(duì)用戶連續(xù)不斷供電是電能質(zhì)量的一個(gè)重要標(biāo)志。

1 干擾性負(fù)荷用戶對(duì)電網(wǎng)的影響

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和國民經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，以及未來電力市場的形成與推進(jìn)，對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高。同時(shí)，由于電網(wǎng)干擾性負(fù)荷的日益增多，使得電能質(zhì)量受到諸多方面的影響。電能這種商品的質(zhì)量不僅僅取決于生產(chǎn)者（如發(fā)電廠），還受到電力用戶，尤其是干擾性負(fù)荷用戶的影響，而且這種影響帶來的電能質(zhì)量下降還會(huì)隨電網(wǎng)的延伸而危及到其它用戶的正常用電。如果電能質(zhì)量的指標(biāo)偏離正常水平過大，就會(huì)給發(fā)電、輸變電和用戶帶來不同程度的危害及損失，故電能質(zhì)量的優(yōu)劣會(huì)直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的總體效益。因此，對(duì)影響電能質(zhì)量的各類擾動(dòng)進(jìn)行有效的檢測評(píng)估和分析工作是很有必要的。在當(dāng)代電力系統(tǒng)，深入了解和認(rèn)識(shí)電能質(zhì)量，高度重視電能質(zhì)量下降對(duì)供用電系統(tǒng)運(yùn)行的危害與影響，甚至對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的作用和影響，實(shí)現(xiàn)全面電能質(zhì)量管理具有及其重要的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

瞬態(tài)過程造成的電能質(zhì)量問題比穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下的電能質(zhì)量問題更嚴(yán)重、更具有實(shí)際意義，如何有效地檢測電力系統(tǒng)暫態(tài)現(xiàn)象，是治理和提高電能質(zhì)量的關(guān)鍵。雖然IEC和IEEE并沒有制定電能質(zhì)量擾動(dòng)的各種指標(biāo)和具體的檢測辦法，但是它的重要性己經(jīng)為大家所認(rèn)可，已經(jīng)成為國際上電能質(zhì)量的一個(gè)研究熱點(diǎn)。因此，改善暫態(tài)電能質(zhì)量問題將是改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 暫態(tài)擾動(dòng)產(chǎn)生的原因

本文首先概述了電能質(zhì)量問題（重點(diǎn)針對(duì)暫態(tài)擾動(dòng)）產(chǎn)生的原因、危害以及相應(yīng)的治理措施。其次，根據(jù)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，詳盡地討論暫態(tài)電能質(zhì)量主要指標(biāo)的算法特點(diǎn)，并對(duì)一些適合暫態(tài)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測的算法進(jìn)行比較，從而為實(shí)時(shí)暫態(tài)擾動(dòng)檢測的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

根據(jù)擾動(dòng)信號(hào)的波形特征，暫態(tài)擾動(dòng)可以分為兩類：脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)。對(duì)暫態(tài)擾動(dòng)的檢測方法也在不斷的提高。如今按照不同的分析方法，主要可分為時(shí)域、頻域和變換域3種：①時(shí)域仿真法；②頻域仿真法；③基于變換的方法。這三種方法各有特點(diǎn)，各有長短，具體分析時(shí)要針對(duì)問題選最佳的方法。

3 小波變換檢測暫態(tài)擾動(dòng)對(duì)應(yīng)與其它方法的優(yōu)點(diǎn)

小波分析法是一種信號(hào)的時(shí)間-尺度（時(shí)間-頻率）分析的方法，它具有多分辨率的特點(diǎn)，而且在時(shí)域和頻域上都具有表征信號(hào)局部特征的能力，是一種窗口大小固定不變但其形狀可改變，時(shí)間窗和頻率窗都可以改變的時(shí)頻局部化分析方法。此方法很適合于探測正常信號(hào)中夾帶的瞬態(tài)反常現(xiàn)象并展示其成分。克服了以上FFT和STFT的缺點(diǎn)，特別適合于突變信號(hào)和不平穩(wěn)信號(hào)的分析。小波變換作為一種新的數(shù)字技術(shù)被引入工程界后，已在圖象處理、數(shù)據(jù)壓縮和信號(hào)分析等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。由于小波函數(shù)本身衰減很快，也屬一種暫態(tài)波形，將其用于電能質(zhì)量分析領(lǐng)域，尤其是暫態(tài)過程分析領(lǐng)域?qū)⒕哂蠪FT、STFT所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。近年來，己有文獻(xiàn)介紹應(yīng)用小波變換方法進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估、電磁暫態(tài)波形分析和電力系統(tǒng)擾動(dòng)建模等電能質(zhì)量問題的研究。

筆者研究的課題其重點(diǎn)部分就是在仿真上，在仿真方面，是采用時(shí)下最流行的工具M(jìn)ATLAB進(jìn)行的。在MATLAB中有專門的小波工具箱，使用這個(gè)工具箱再結(jié)合MATLAB的畫圖功能就能很好的完成好仿真。

在MATLAB小波工具箱中，有許多小波函數(shù)，如Haar、Daubechies、Biortogonal、Coiflets等。在這次仿真中我是選用的Daubechies（’db’是其縮寫形式）。在電力系統(tǒng)中，大多數(shù)信號(hào)是類似正弦的信號(hào)，Daubechies小波比Haar小波（方波）包含了更多的震蕩，因而Dallbechies小波的系數(shù)比Haar小波的系數(shù)更簡單。存電力系統(tǒng)分析中，Daubechies小波由于其對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的靈敏性得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)電能質(zhì)量波形的特點(diǎn)，需要采用時(shí)域和頻域同時(shí)具有良好的局部性，且對(duì)不規(guī)則性較為靈敏的小波。就文章所研究的電力系統(tǒng)暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)而言，運(yùn)用小波或小波包變換進(jìn)行時(shí)頻分析時(shí)，要求能夠提取非平穩(wěn)信號(hào)的瞬時(shí)、奇異與突變成分，也就是在特定尺度上進(jìn)行小波變化。因此，選擇小波基時(shí)，考慮時(shí)頻兩域的緊支撐性尤為重要。在眾多小波中，根據(jù)Daubechies小波的正交、時(shí)頻緊支撐、高正規(guī)性和具有Mallat快速算法等特點(diǎn)，對(duì)于檢測信號(hào)的奇異性具有很好的特性。本文采用Daubechies正交小波分析暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)。

MATLAB仿真流程圖

4 結(jié)語

目前，小波理論日趨發(fā)展和完善，快速小波算法大大降低了小波變換的運(yùn)算量。小波變換已在電力系統(tǒng)暫態(tài)分析中得到了成功的應(yīng)用，展示了小波變換在該領(lǐng)域的廣闊前景。隨著電力系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展，電能質(zhì)量問題的受重視程度日益增加，利用小波技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的分析是一個(gè)值得關(guān)注的課題。隨著電能質(zhì)量分析技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)研究的深入，小波變換在其中的應(yīng)用必然有著更大的發(fā)展空間。