暫態(tài)電壓波動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)

摘 要:暫態(tài)電壓干擾現(xiàn)象會(huì)造成用戶(hù)用電設(shè)備異常運(yùn)行，這些現(xiàn)象包括電壓驟降、電壓驟升以及供電瞬時(shí)中斷。均方根計(jì)算法在計(jì)算電壓波動(dòng)幅度時(shí)誤差較大，本文采用小波包變換對(duì)波動(dòng)的電壓信號(hào)進(jìn)行平方解調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算擾動(dòng)信號(hào)有效值的目的。仿真結(jié)果表明該方法簡(jiǎn)單易行，滿(mǎn)足精度要求。

關(guān)鍵詞:方均根電壓波動(dòng)小波分析

中圖分類(lèi)號(hào):TM7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)08(b)-0073-02

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和高科技設(shè)備的廣泛應(yīng)用，用戶(hù)對(duì)電能(電壓)質(zhì)量的要求越來(lái)越高。以前人們關(guān)注的電能質(zhì)量問(wèn)題主要是頻率偏差、電壓偏差、諧波、電壓不平衡以及波動(dòng)和閃變，對(duì)電力系統(tǒng)中普遍存在的諸如電壓驟降、電壓驟升、電壓中斷等暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究較少。隨著用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量水平要求的提高，研究和開(kāi)發(fā)暫態(tài)電能質(zhì)量領(lǐng)域的新技術(shù)已成為近年來(lái)電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)現(xiàn)象包括電壓驟降、電壓驟升以及供電瞬時(shí)中斷等。短時(shí)間電壓持續(xù)的時(shí)間較短，產(chǎn)生原因復(fù)雜，但對(duì)電子類(lèi)控制設(shè)備的影響很大，短時(shí)間電壓驟降甚至?xí)斐擅舾杏脩?hù)停產(chǎn)。

1 電壓波動(dòng)的特征

電壓波動(dòng)是配電系統(tǒng)中大量存在的電能質(zhì)量現(xiàn)象，諸如短路故障、無(wú)功補(bǔ)償裝置的投切、大容量電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)都能引起電壓波動(dòng)。功率沖擊型波動(dòng)負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的電壓波動(dòng)，并導(dǎo)致照明設(shè)備的照度變化，通常稱(chēng)之為閃變。GB 12326-2000《電壓允許波動(dòng)和閃變》特別規(guī)定了各級(jí)電壓下的閃變限制值，它適用于由波動(dòng)負(fù)荷引起的公共連接點(diǎn)電壓的快速變動(dòng)及由此可能造成人對(duì)燈閃明顯感覺(jué)的場(chǎng)合。針對(duì)持續(xù)時(shí)間較短的電壓波動(dòng)尚未形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)電壓幅值在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，一般用電壓最大值與最小值之差相對(duì)額定電壓的百分比來(lái)描述電壓波動(dòng)。另外，持續(xù)時(shí)間也是描述電壓波動(dòng)的特征之一。文獻(xiàn)[1]按特征對(duì)不同電能質(zhì)量現(xiàn)象進(jìn)行了分類(lèi)，關(guān)于電壓波動(dòng)的部分如表1所示。

2 電壓波動(dòng)的檢測(cè)原理

2.1 電壓波動(dòng)持續(xù)時(shí)間的檢測(cè)

暫態(tài)電壓波動(dòng)的持續(xù)時(shí)間可由其擾動(dòng)起始和終止時(shí)刻的位置確定，因此電壓波動(dòng)的時(shí)間定位也就是對(duì)其擾動(dòng)時(shí)刻的檢測(cè)。在電壓波動(dòng)的起始時(shí)刻，電壓信號(hào)幅值發(fā)生突變，一般根據(jù)幅值的奇異來(lái)檢測(cè)波動(dòng)的起始時(shí)刻。由于傅立葉變換不具有時(shí)域分辨率，不能用來(lái)進(jìn)行波動(dòng)電壓的時(shí)間定位。在小波變換中，可以根據(jù)不同尺度上的小波變換模極大值點(diǎn)的位置來(lái)檢測(cè)信號(hào)的奇異點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)暫態(tài)信號(hào)擾動(dòng)時(shí)間的精確定位。一般情況下，工程上對(duì)波動(dòng)持續(xù)時(shí)間檢測(cè)的精度要求不高，可以結(jié)合波動(dòng)幅值檢測(cè)來(lái)確定波動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

2.2 電壓波動(dòng)幅值的計(jì)算

通常，計(jì)算電力信號(hào)的幅值可以采用方均根值法。設(shè)采樣的離散信號(hào)為x(k)，一個(gè)周波采樣點(diǎn)數(shù)為N，采樣點(diǎn)k對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值為A(k)。下式把x(k)之前一個(gè)周波的信號(hào)方均根值作為當(dāng)前的信號(hào)有效值

這種計(jì)算方法不適合跟蹤小于一個(gè)周波的電壓波動(dòng)，只適用持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)且呈階躍波動(dòng)的電壓擾動(dòng)，且在擾動(dòng)起止前后一個(gè)周波內(nèi)的計(jì)算誤差會(huì)比較大。如圖1所示，在0.08s長(zhǎng)的時(shí)間段中只有[0.02s，0.03s]、[0.05s，0.07s]兩段時(shí)間的檢測(cè)是正確的(如圖1)。

2.3 電壓波動(dòng)形態(tài)的檢測(cè)

在電壓波動(dòng)的相關(guān)研究中，更關(guān)心的是電壓波動(dòng)的形態(tài)，如大容量電容投切和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的分析。電壓波動(dòng)形態(tài)指的是電壓幅值隨時(shí)間變化的規(guī)律，包含了幅值波動(dòng)和波動(dòng)持續(xù)時(shí)間的相關(guān)信息。方均根值法計(jì)算出的幅值的時(shí)域分辨率小于一個(gè)周波，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到工程要求。基于加窗傅立葉算法的檢測(cè)方法也存在類(lèi)似的缺陷。小波變換具有良好的時(shí)域、頻域分析能力，適用于電壓波動(dòng)形態(tài)的檢測(cè)。小波分析的原理就是把L2(R)上的信號(hào)x(n)在一系列的小波函數(shù)空間上投影得到xj(n)，那么L2(R)=Wj、x(n)＝∑xj(n)。當(dāng)用有限個(gè)子空間來(lái)逼近空間L2(R)時(shí)，那么這有限個(gè)子空間上投影分量的和就可以作為信號(hào)x(n)的逼近。在這個(gè)分解過(guò)程中，也就同時(shí)進(jìn)行了信號(hào)x(n)的特征分解過(guò)程，即不同程度的逼近包含了原信號(hào)不同的特征[2]。小波分解的計(jì)算過(guò)程可參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。文獻(xiàn)[4，5]已基于小波分解提取了了暫態(tài)諧波分量和閃變電壓包絡(luò)線的特征量。

設(shè)電壓信號(hào)為u(t)＝1.414*A(t)sin( t+ )，A(t)是工頻電壓的波動(dòng)幅值，是工頻電壓的頻率，?是工頻電壓的相位。那么

u2(t)＝2*A2(t)sin2( t+ )

＝A2(t)－A2(t) *cos(2 t+2 )

設(shè)s1(t)＝A2(t)，s2(t)＝－A2(t) *cos(2 t+2 )，有u2(t)＝s1(t)＋s2(t)。

當(dāng)電壓波動(dòng)定時(shí)間長(zhǎng)度大于0.5周波，既A(t)的波動(dòng)頻率<25Hz時(shí)，s1(t)的頻寬為[0，50]Hz，s2(t)的頻寬為[50，150]Hz。將u2(t)投影在不同分辨率的小波子空間上，提取u2(t)中0Hz～50Hz的分量s1(t)，那么有s1(t)= A2(t)，設(shè)，那么y(t)就是電壓的波動(dòng)幅值。

3 仿真實(shí)例

假設(shè)采樣頻率12.8kHz，采樣時(shí)間長(zhǎng)度為1.28s，電壓信號(hào)的波動(dòng)模式分別為間斷恒定、正弦變化、正弦衰減三種，波動(dòng)的電壓信號(hào)如圖2(a)、3(a)、4(a)所示，設(shè)置的電壓幅值和檢測(cè)的電壓幅值如圖2(b)、3(b)、4(b)所示。

工程實(shí)際中的電壓波動(dòng)遠(yuǎn)不如算例中的情形嚴(yán)重，其波動(dòng)程度和變化的復(fù)雜性均較為簡(jiǎn)單。因此，算例的檢測(cè)結(jié)果表明，本文采用的方法具有較好的時(shí)頻跟蹤能力。

4 結(jié)語(yǔ)

準(zhǔn)確檢測(cè)電壓、電流有效值變化的形態(tài)是進(jìn)行干擾負(fù)荷特性分析的基礎(chǔ)。本文所采用的基于小波包變換和平方檢測(cè)的電壓波動(dòng)檢測(cè)方法，能夠很好地跟蹤多種形態(tài)的暫態(tài)電壓擾動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

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