基于超窄帶通信與小波變換的電能質(zhì)量擾動源定位方法

王 薪

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司黃岡供電公司，湖北 黃岡 438000）

0 引 言

現(xiàn)階段的電力系統(tǒng)以往復能量交換的方式進行運行。這種運行方式可以在極大限度上提高供電的質(zhì)量，但也會對電力系統(tǒng)的正常運行造成威脅[1]。在進行廣域傳播的過程中，擾動源為電能質(zhì)量的影響也越發(fā)明顯[2-3]。在電能質(zhì)量擾動源定位研究中，欒某德等人提出一種以模型響應功率譜密度預測為基礎(chǔ)的電能質(zhì)量擾動源定位法，該方法能在大多數(shù)情況下準確定位電能質(zhì)量擾動源，但當擾動源分布在電力系統(tǒng)的異側(cè)時，結(jié)果的準確性會降低[4]；徐方維等人提出一種以正序分量相位差為基礎(chǔ)的電能質(zhì)量擾動源定位方法，該方法同樣存在電力系統(tǒng)異側(cè)分布擾動源定位性能較低的問題[5]；孟慶偉等人提出一種以上游正序參數(shù)比較為基礎(chǔ)的電能質(zhì)量擾動源定位方法，該方法的定位性能不受擾動源電力系統(tǒng)異側(cè)分布的影響，但是當電力系統(tǒng)存在擾動源時，其定位的準確性會下降[6]。因此，對電能質(zhì)量擾動源定位進行研究和設(shè)計時，保障其能夠適應不同工況環(huán)境是必要條件之一[7]。文章提出基于超窄帶通信與小波變換的電能質(zhì)量擾動源定位方法研究，通過對比測試方式分析驗證設(shè)計方法在不同運行工況下性能。

1 電能質(zhì)量擾動源定位方法設(shè)計

1.1 電能超窄帶通信信號解調(diào)

在定位電能質(zhì)量擾動源之前，需要考慮新型電力系統(tǒng)在進行電能傳輸?shù)倪^程產(chǎn)生的信號具有多元化的屬性特征[8]。針對這個問題，文章對電能超窄帶通信信號進行解調(diào)處理[9]。電能超窄帶通信信號解調(diào)的目的是提取和識別電能擾動信號，從而準確地識別和定位擾動源。通過解調(diào)技術(shù)，可以從復雜的電力信號中提取出有用的信息，進而監(jiān)控和管理電能質(zhì)量，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

在考慮電力系統(tǒng)傳輸階段基帶的前提下，對應的多元并構(gòu)電能超窄帶通信信號表達式為

式中：s(t)為原始電能超窄帶通信信號；g(t)為原始電能超窄帶通信信號的基帶波形；dn為電能超窄帶通信信號的調(diào)制碼元；δ為多元并構(gòu)電能超窄帶通信信號間的作用波形；n為單位周期內(nèi)電能超窄帶通信信號的更新次數(shù)；T為信號波形的發(fā)展周期。文章采用低通濾波的方式處理原始電能超窄帶通信信號的系帶波形，以降低不同傳輸信道信號對于目標分析信號的影響。經(jīng)過低通濾波后的電能超窄帶通信信號可為

式中：x(t)為低通濾波后的電能超窄帶通信信號；h(t)為低通濾波的沖擊響應函數(shù)；q為低通濾波后的電能超窄帶通信信號基帶波形。

1.2 基于小波變換的擾動源定位

利用Nyquist 定律分析電能超窄帶通信信號在無碼間干擾下，低通濾波的沖擊響應函數(shù)的最小截止頻率一般為原始信號波形發(fā)展周期的1/2。受超窄帶通信的特殊性影響，實際的低通濾波的沖擊響應函數(shù)的最小截止頻率會遠小于理論值。文章從線性方程組的角度出發(fā)，建立電能超窄帶通信信號中N個碼元為基礎(chǔ)的N元線性方程組為

式中：G為構(gòu)建電能超窄帶通信信號N元線性方程組系數(shù)矩陣；D為電能超窄帶通信信號的碼元列向量；X為信號列向量。當構(gòu)建電能超窄帶通信信號N元線性方程組系數(shù)矩陣為滿秩狀態(tài)時，此時的方程組存在唯一解為

利用小波變換的方式確定異常電能超窄帶通信信號在N元線性方程組系數(shù)矩陣中的位置分析，實現(xiàn)對電能質(zhì)量擾動源的定位。小波變換能夠分析信號的細節(jié)部分，準確確定擾動起止時刻，從而提高擾動源定位的精度。小波變換可以提取出電能擾動信號的特征信息，為后續(xù)的分析和識別提供可靠的依據(jù)。借助于小波變換技術(shù)，擾動源定位方法可以適應不同的電能擾動類型和復雜的電力系統(tǒng)環(huán)境，具有較強的實用性和廣泛的應用前景。利用小波變換完成擾動源定位的具體實現(xiàn)方式為

式中：φa,b為母小波；a和b分別為尺度因子。

2 應用測試

2.1 測試環(huán)境準備

測試中考慮在不提供電能質(zhì)量擾動源下，對電能數(shù)據(jù)不同的影響方式，因此分別設(shè)置2 種功率振蕩擾動，并對設(shè)計的電能質(zhì)量擾動源定位方法性能分析。從驗證電能質(zhì)量擾動源定位方法有效性的角度出發(fā)，將DIgSILENT 仿真軟件作為測試環(huán)境，搭建包含9節(jié)點WSCC3 機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 9 節(jié)點WSCC3 機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

文章結(jié)合圖1 的9 節(jié)點WSCC3 機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計電能質(zhì)量擾動源定位方法的適用性階段。在不同的負荷位置上設(shè)置隨機波動屬性，對具體狀態(tài)進行差異化設(shè)置，模擬不同工況下電能質(zhì)量擾動狀態(tài)。測試工況如表1 所示。

表1 測試工況環(huán)境構(gòu)建

按照表1，實現(xiàn)對不同工況的測試，使測試節(jié)點WSCC3 機系統(tǒng)產(chǎn)生相應的功率振蕩反應。

2.2 測試結(jié)果與分析

為更加直觀地體現(xiàn)文章設(shè)計電能質(zhì)量擾動源定位方法的有效性，分別設(shè)置文獻[4]提出的以模型響應功率譜密度預測為基礎(chǔ)的擾動源定位法，文獻[5]提出的以正序分量相位差為基礎(chǔ)的擾動源定位方法及文獻[6]提出的以上游正序參數(shù)比較為基礎(chǔ)的擾動源定位方法在相同的測試環(huán)境下對比。

4 種方法對于電能質(zhì)量擾動源定位結(jié)果的準確度如表2 所示。

表2 不同方法測試結(jié)果統(tǒng)計表 單位：%

由表2 結(jié)果可知，在4 種不同電能質(zhì)量擾動源定位方法下，對不同工況下擾動源的定位效果存在較為明顯的差異，在模型響應功率譜密度預測定位的同一側(cè)（工況1 ～工況6）時，4 種方法對應的定位結(jié)果準確性較高，但是當測試工況的擾動源處于測試9 節(jié)點WSCC3 機系統(tǒng)的不同一側(cè)（工況7 ～工況9）時，對比的3 種方法對應的定位結(jié)果準確性明顯降低，最大值僅為96.45%以上，且當同側(cè)擾動源不唯一（工況9）時，對比的3 種方法定位結(jié)果準確率僅為95.06%，而文章設(shè)計方法在工況1 ～工況9 下，準確率始終在99.20%以上。由此表明，基于超窄帶通信與小波變換的電能質(zhì)量擾動源定位方法，可實現(xiàn)對不同工況下擾動源的準確定位。

3 結(jié) 論

為及時解決電能質(zhì)量問題，降低由于電能質(zhì)量導致供電安全問題，文章提出基于超窄帶通信與小波變換的電能質(zhì)量擾動源定位方法研究，利用超窄帶通信信號特征，借助小波變換的方式對信號進行處理與分析，實現(xiàn)對不同工況下精準定位擾動源的目的。借助文章設(shè)計與研究，也希望能夠為電能質(zhì)量擾動源定位工作的開展提供有價值的參考。