基于小波變換的電網電能質量評估與MATLAB仿真

何軍

（四川職業技術學院電子電氣工程系， 629000）

基于小波變換的電網電能質量評估與MATLAB仿真

何軍

（四川職業技術學院電子電氣工程系， 629000）

隨著電力市場和國民經濟的迅速發展，電能質量問題已經引起世界各國電力部門和用戶的廣泛關注，供電質量不高將引起某些重要生產過程中斷，導致工業產品質量下降，從而造成嚴重的經濟損失.本文根據電能質量擾動信號的非平穩性，通過分析小波變換的原理，利用小波變換能夠突出信號局部特征的特性，分析了利用小波變換對電網電壓跌落及周期脈沖等典型電能質量擾動進行判斷與定位的方法.相應的仿真結果說明小波變換是對電能質量擾動進行判斷和定位的有效途徑.

電能質量；小波變化；電壓跌落；仿真

1 引言

電能是一種經濟、實用、清潔且易控制和轉換的能源形態，是供電部門向電力用戶提供并由發電、供電、用電三方共同保證質量的一種特殊產品[1].近年來，電力電子裝置等非線性設備的迅速發展和廣泛應用造成電網電能質量日益惡化；與此同時，隨著基于計算機系統的控制設備和精密儀器在國民生產和生活中的普及，也需要高質量的電能質量.因此，從20世紀80年代末以來，電能質量已成為電力部門及其用戶日益關注的問題.據國際會議報告介紹，無論國內國外，電能質量問題都造成了巨大的經濟損失.因此，要滿足現代工業和廣大電力用戶的要求，就必須理解和重視現代電能的質量問題，考慮從技術、運行管理、經濟等方面著手，加大力度保證優質供電.

2 概述

2.1 電能質量評估的國內外動態

對于電能質量，目前還沒有一個準確、統一的定義.但電能質量問題是以電力用戶的生產需求驅動的，所以用戶的衡量標準應占有優先位置.在此原則的基礎上，關于電能質量可定義為：導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差[2].

國外通常使用功率因數、總諧波畸變率等幾種指標來對電能質量進行評價，但這具有定量性，對非周期信號存在不協調的問題，因此要考慮如何處理畸變、不平衡現象的功率定義.雖然國外在這方面已作了大量研究，但至今也無一致的結論和意見[3].從信號處理上來說，電能質量分析領域應用得最為廣泛的分析方法是以傅里葉變換法、小波變換法為代表的變換域方法.

國內方面，我國相繼出臺多項國家標準來保證我國的電能質量.但關于暫態電能質量問題，由于研究起步較晚，還處于摸索階段，還沒有統一的標準來描述和定義暫態電能質量現象.但已經逐步開展綜合應用各種分析方法，例如將小波變換、FF T和人工智能相結合對暫態電能質量進行檢測、分類與識別.這在電能質量領域已成為一個新的研究方向.而關于小波變換在電能質量問題的應用，已有不少研究者取得了相應的理論成果.

2.2 電能質量干擾分類

由于過去沒有統一的標準來對各種擾動引起的電能質量問題進行定義，I EEE第22標準統籌委員會和其他國際委員會建議用電壓跌落、電壓上升、電壓中斷、電壓瞬、變電壓畸變五種術語來描述主要的電能質量干擾[4].

其中電壓跌落近年來受到了國際上較為密切的關注.這主要是因為引起電壓跌落的原因比較普遍，并且電壓跌落容易使調速設備出現跳閘、機電設備產生誤操作等各種故障.所以對各種擾動進行分類，是為了根據電壓信號的特征提取信息并且依據擾動持續的時間和擾動對信號幅值的影響綜合判斷信號干擾的種類.

3 基于小波變換的電能質量評估與M A TTLA B仿真

3.1 電能質量評估方法

穩態電能質量和暫態電能質量是最主要的電力系統電能質量問題.穩態電能質量問題的特征主要為波形畸變；暫態電能質量問題的特征通常是頻譜和暫態持續時間，可分脈沖暫態和振蕩暫態兩大類.目前電力行業主要著眼于暫態電能質量問題的分析與研究[5].而短時傅里葉變換（S T F T）、小波變換等幾種方法是暫態電能質量問題的主要分析方法.短時傅里葉變換是用傅立葉變換分析信號的時間窗，以便確定該時間窗存在的頻率.這在一定程度上彌補了不具有時頻分析能力的傅立葉變換的缺陷.但其缺點是無法改變已確定的窗函數的窗口形狀.因此，短時傅立葉變換實質上是具有單一分辨率的分析，必須重新選擇窗函數來改變其分辨率.而小波變換是一種時頻局部化分析方法，其時間窗和頻率窗都可改變，窗口大小固定但其形狀可變[6].因此，兩者的區別在于短時傅立葉變換只能用來分析緩變信號，但不能精確分析波形變化劇烈的信號.而小波變換能自動調節窗口大小，因此成為電能質量評估方法中應用較為普遍的一種方法.

3.2 小波變換

小波變換在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率，在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率，所以被稱為“數學顯微鏡”[7].其可以對多種擾動實現時間定位的優點在電能質量評估中顯得尤為重要.但由于小波函數選擇的多樣化，使得用到的小波函數不同，小波分析的效果也不一樣.不同的小波函數分析同一個問題會產生不同的結果，因此如何選擇最優的小波函數，在工程應用中也是一個十分重要的問題.

為了在電能質量檢測算法中實現電能質量信號的時頻分析、突變檢測和無失真重構，所選小波函數必須具備正交性、偶對成性，同時在時域和頻域中具有短時的支撐集，這樣才能對對電壓的上升、跌落、畸變等具有很有效的分析作用[8].根據國內外的研究結果，M eyer小波由于其正交性、時域對成性、計算靈活性以及具有線性相位等特點，用來進行電能質量進行評估可以取得較好的效果.

3.3 仿真與分析

3.3.1 仿真結果

對電能質量的干擾主要有電壓跌落、電壓上升、電壓中斷、電壓畸變、電壓瞬變[9].本文以幅值為1的含有不同比例諧波信號的電壓信號為例，用M eyer小波變換在M A TL A B中對上述幾種情況的電網信號進行仿真分析.其仿真結果如下圖所示.

圖1 正常電壓情況下的小波變換仿真結果

圖2 電壓跌落情況下的小波變換仿真結果

圖3 電壓上升情況下的小波變換仿真結果

圖4 電壓中斷情況下的小波變換仿真結果

圖5 電壓畸變情況下的小波變換仿真結果

圖6 電壓瞬變情況下的小波變換仿真結果

3.3.2 仿真結果分析

圖1-圖6中上圖為含諧波分量的電壓信號，分別表示了正常電壓、電壓跌落、上升、畸變、中斷、瞬變等情況；下圖為經過小波變換分解的高頻分量圖，突變點的時間可以通過其幅值的變化來判斷.對各種情況的仿真結果分析如下：

a)圖1為經過小波變換后的正常電壓的仿真結果.電壓是一個標準的的正弦波，其幅值為1，而其對應的高頻分量圖是一條信號波動很小的近似的直線.因此在正常電壓情況下，高頻諧波分量對電壓信號不會造成任何影響.

b)圖2圖3圖4分別為電壓出現跌落、上升、中斷變化時，經過小波變換后的仿真結果.設電壓在500至750之間的采樣點突然發生了變化（電壓跌落、上升、中斷）.而在對應的高頻分量圖上產生了兩個高頻脈沖，其對應位置在500和750這兩個采樣點上，正好與電壓信號發生變化的時間相吻合，說明高頻諧波信號在這兩個時間點上對此電壓信號產生了影響.

c)圖5圖6為電壓突然發生畸變及瞬變時經過小波變換后的仿真結果.圖5電壓發生震蕩畸變的采樣點為550，對應的高頻分量圖上產生了一個高頻脈沖其對應位置在550這個采樣點上.圖6電壓同時發生震蕩的畸變和三處瞬間的變化，其采樣點分別為550，100、250及1000，而對應的高頻分量圖產生高頻脈沖的時間點也與這幾個采樣點一致.這說明高頻諧波信號在相對應的畸變或瞬變時間點上會對此電壓信號產生影響.

4 結論

在工程實際中電網電壓由于諧波存在而產生的擾動常常出現.例如會受到諧波影響使電壓突然跌落或上升；由于網絡故障使電壓出現中斷；由于非線性負載的諧波影響使電壓出現瞬態衰減震蕩干擾或脈沖干擾.對電網電能質量評估就是對這些干擾進行準確的捕獲和定位，并以此來分析電能質量和擾動的原因.通過對各種情況的M A TL A B仿真結果分析，證明了小波分析對電網電壓信號諧波檢測的準確性.如果能夠更準確地分析實際信號的特點，從而選擇合適的小波函數，那么基于小波變換的電網電能質量評估將會有更廣闊的情景.

[1]譚國貞.基于小波變換的電能質量分析方法的研究[D].重慶：重慶大學，2006.

[2]肖湘寧,徐永海.電能質量問題剖析[J].電網技術，2001 (3):66-69．

[3]肖國春,劉進軍,王兆安.電能質量及其控制技術的研究進展[J].電力電子技術，2000,(6):58-60.

[4]吳曉朝,方立新,郭紅霞.一種基于小波變換的電能質量特征量提取及分類的方法[J].控制理論與應用,2008,（2）:326.

[5]劉銳.基于小波變換的電能質量擾動的研究[D].廈門：廈門大學，2005.

[6]肖湘寧.電能質量分析與控制[M].北京:中國電力出版社,2004.

[7]蘇變玲.基于小波變換方法的電力暫態和諧波信號檢測方法的研究[D].西安：西安電子科技大學，2005.

[8]黃勇.電能質量擾動識別與分類的研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[9]耿玲.基于M eyer小波變換方法的蘇州電網電能質量的評估與改善[D].蘇州：蘇州大學，2008.

EstimateofWaveletTransform Based PowerQualityandMATLABSimulation

HE J un
(S ichuan V ocational and T echnical C ol lege,S uining S ichuan629000)

W ith the rapid de v elopment of po w er mar k et and national economy,the problem of po w er qual ity has caused w idespread concern of al l elect ric po w er depar tments and users o v er the w or ld.T he qual ity of po w er supply is not high w i l l cause interruption in some impor tant production process, leading to the decl ine of indust rial products’qual ity,thus causing serious economic losses.A ccording to the nonstationarity of po w er qual ity disturbing signal,by analy z ing w a v elet t ransform theory,using the characteristic that w a v elet transform can highl ight the local characteristics of signals,this ar ticle analy z es the j udging and locatingmethod of w hich w a v elet transformcan disturb po w er qual ity suchasgrid v ol tage sags and periodic pulse.T he cor responding simulation resul ts sho w that w a v elet t ransformis theef fecti v e w ay to j udgeand locate po w er qual ity disturbing.

P o w er Q ual ity;W a v elet T ransform;V ol tage S ag;S imulation

TM 7

A

1672-2094(2013)01-0142-04

責任編輯：張隆輝

2012-09-20

何 軍（1963-），男，重慶萬州人，四川職業技術學院電子電氣工程系列教授.研究方向：電氣自動化.