基于正交小波包變換的電能質量擾動檢測與定位

閆楨 郝成亮 陳明 楊婷婷 鄭磊

摘 ?要：文章在模擬仿真了含有高斯白噪聲的電能質量擾動信號的基礎上，給出利用正交小波包算法對電能質量擾動信號進行檢測和定位的方法。研究結果表明，該方法有更好的檢測性能，能更精確檢測瞬態擾動發生的時刻和持續時間。

關鍵詞：正交小波包變換;電能質量;信號檢測;信號定位

中圖分類號：TM711 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）15-0016-02

Abstract： On the basis of simulating the power quality disturbance signal with Gaussian white noise， this paper presents a method to detect and locate the power quality disturbance signal by using orthogonal wavelet packet algorithm. The results show that the method has better detection performance and can detect the time and duration of transient disturbance more accurately.

Keywords： orthogonal wavelet packet transform; power quality; signal detection; signal location

引言

近年來隨著大功率電器設備的應用日趨廣泛，電能質量問題也變得越來越多[1]。電能質量擾動可以認為是任何使正弦電壓波形偏離額定頻率和幅值的偏差，扭曲或分離。國內外的學者們提出了許多基于小波變換電能質量擾動檢測和定位的方法[2]。然而，這些理論都存在一定的不足，例如耗時太久，容易導致錯誤的決策等[3]。

為了快速而又準確的檢測和識別電能質量擾動，本文提出了一種基于正交小波包變換的電能質量擾動檢測與定位方法。通過此方法，擾動信號可以被小波包分解，每個帶寬有用信號被提取出來，方便進一步的識別和分類。實證研究表明這個方法快速、穩定，并且符合實際要求。

1 正交小波變換

1.1 算法原理

正交小波變換可以產生多層的頻帶，并且分析沒有在小波變換里分數化的高頻成分。根據電能質量信號的特點，小波包變換對選擇頻率分支有適應性，然后去匹配頻率，從而提高時頻精度。它非常適合分析各種高頻，非穩定信號，例如電壓暫降，電壓凹陷和電磁暫態等。所以正交小波變換有更加廣泛地應用。

1.2 小波基函數的選擇

Daubechies小波具有正交性、緊支撐性和高常態性等優點，所以我們推薦在電力系統中使用Daubechies小波。Daubechies小波具有4、6、8和10階濾波器系數，在很多擾動檢測情況下工作很好，因此本文選擇使用Daubechies小波。

在電能質量擾動檢測中，擾動一般分為兩種：快速和慢速瞬變。在快速瞬變時，波形具有鋒利的邊緣，突然和迅速的變化，和非常短的持續時間，這種情況下，選擇db4小波和db6小波，因為它們的緊密性，能夠非常好地檢測和定位干擾;在慢速暫態情況下，波形有很小的改變或者緩慢的幅值變化，此時使用db8和db10小波，它們的時間間隔足夠長，可以捕捉到緩慢變化。

2 基于正交小波包變換的檢測與定位方法

2.1 信號去噪

電力系統波形信號含有的白噪聲可能會影響檢測理論的性能，甚至導致檢測失敗或者誤判。因此，原始信號去噪是十分必要的，是電能質量檢測和識別的關鍵部分[4]。

在工程應用中，有用信號通常表現為低頻或平穩信號，噪聲信號通常表現為高頻信號。根據這個原則，信號去噪可以根據這種方法實行：第一，信號經過小波包分解，噪聲通常包含高頻系數;第二，小波包系數經過閾值處理;第三，把處理過的信號進行重建。經過這三個步驟，噪聲便可以被消除。

2.2 檢測與定位

電能質量擾動的特征主要是電壓幅值的改變和瞬態故障的持續時間。例如，電壓暫降可以被描述為幅值和持續時間。利用正交小波包變換可以提取特征向量從而描述電壓幅值的改變和持續時間。正交小波包變換可以把信號劃分為不同的尺度從而得到整束的信息。每個尺度匹配一部分信號而不和其他尺度混合，所以信號可以通過提取特征向量的信息獲得。

3 仿真結果

3.1 電壓暫降與電壓暫升

電壓暫降和電壓暫升是對稱的，所以只對電壓暫升進行仿真。

圖1a為一個有10%高斯白噪聲的電源頻率信號。采樣頻率為25kHz，每個周期有500個采樣點。X軸和Y軸分別為采樣點和電壓幅值。從圖1a中我們可以看出33%的電壓暫降發生在3個周期，擾動從1500th開始到3000th。

降噪結果在圖1b中。降噪后的波形是平穩的，信號特征被完全保存，因此很容易測量信號的奇異點。

檢測和定位去噪后的信號運用db10小波在第三尺度檢測定位，正交小波包變換把信號分解為八個頻帶，每個頻帶的帶寬為3.125kHz，L30為信號的低頻，L31-L37同時包含低頻和高頻信息。根據奇異點，我們可以判斷出突變發生的時刻和持續時間。

3.2 震蕩暫態

根據頻率的不同可以分為高頻暫態、中頻暫態和低頻暫態。本文只對低頻暫態進行研究。

圖2a為一個含有10%高斯白噪聲的電源頻率的震蕩暫態信號。采樣頻率為20kHz;采樣點為400個每周期。X軸和Y軸分別為采樣點和電壓幅值。電壓振蕩發生在t=0.1s的時刻。

用同樣的方法去噪，去噪后的信號見圖2b。去燥效果很好，信號特征被保留。

去噪后檢測和定位信號。用db4小波分解，正交小波包變換把信號分解到8個頻帶，每個頻帶是2.5kHz。S30是低頻信號，S31-S37包含高頻和低頻信息。我們可以看出震蕩暫態開始在2000th，和理論值相同。

4 結束語

本文提出的基于正交小波包變化進行電能質量擾動檢測和定位的方法，通過對仿真原始信號去噪后，用正交小波包變換法對信號進行檢測和定位。仿真結果表明，該方法有更好的檢測性能，對信號擾動的檢測和定位準確，具有較高的使用價值。

參考文獻：

[1]關維國，姚志清，高陽，等.基于db4小波的配電網暫態電能質量擾動的檢測與定位[J].電力系統運行與控制，2015，43（8）：102-106.

[2]常學飛，田立軍，秦英林.一種精確確定電壓暫降凹陷域的算法[J].電力自動化設備，2011，31（4）：64-68.

[3]全惠敏，戴瑜興.基于S變換模矩陣的電能質量擾動信號檢測與定位[J].電工技術學報，2007，22（8）：119-125.

[4]潘泉，張磊，孟晉麗，等.小波濾波方法及應用[M].北京：清華大學出版社，2005.