基于变换的电能质量分析方法

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电能质量监测与分析

电能质量监测与分析

电能质量监测与分析

随着电力系统的不断发展和现代社会对电能供应要求的不断提高,电能质量(Power Quality)的问题也日益引起广泛关注。电能质量的好坏直接关系到电力设备的工作性能和生产效率,对于实现可靠供电和安全运行具有重要意义。因此,电能质量监测与分析成为了改善电力质量、提高电能可用性的关键技术之一。

一、电能质量的概念和影响因素

电能质量是指电力系统提供给用户的电能在电压、电流、频率等方面是否满足规定的技术标准。电能质量问题主要表现为电压波动、电压暂降、电压闪变、谐波等方面,其中谐波问题是电能质量中最常见也是最严重的问题之一。谐波会导致电流不稳定、电压失真、设备过热、设备寿命缩短等问题,给生产和生活带来诸多不便和损失。

影响电能质量的因素多种多样,常见的包括电源设备的工作状态、线路参数、系统容量、线路长度、负载特性和谐波源等。其中,谐波源是最主要的影响因素之一,如电弧炉、电焊机、变频器等,这些设备产生的谐波会对电能质量产生严重影响。

二、电能质量监测的重要性

电能质量监测是了解和评估电能质量状况的基础,对于发现、掌握、解决电能质量问题具有重要作用。通过对电能质量的监测,可以及时发现和分析电能质量问题,为采取相应的技术措施提供科学依据。同时,电能质量监测还可以为电力系统的运维管理提供数据支持,有助于提高电力系统的可靠性和稳定性。

电能质量监测的具体内容包括对电压、电流、频率、功率因数、谐波等关键参数进行实时监测和记录。利用先进的电能质量监测仪器设备,可以进行高精度、高速度的数据采集和存储,为后续的数据分析提供可靠的基础。

衡量电能质量的主要指标

衡量电能质量的主要指标

衡量电能质量的主要指标

随着国民经济的发展,科学技术的进步和生产过程的高度自动化,电网中各种非线性负荷及用户不断增长;各种复杂的、精密的,对电能质量敏感的用电设备越来越多;上述两方面的矛盾越来越突出,用户对电能质量的要求也更高,在这样的环境下,探讨电能质量领域的相关理论及其控制技术,分析我国电能质量管理和控制的发展趋势,具有很强的观实意义;

由于所处立场不同,关注或表征电能质量的角度不同,人们对电能质量的定义还未能达成完全的共识,但是对其主要技术指标都有较为一致的认识;

1.衡量电能质量的主要指标

1 电压偏差voltage deviation:是电压下跌电压跌落和电压上升电压隆起的总称;

2 频率偏差friquency deviation:对频率质量的要求全网相同,不因用户而异,各国对于该项偏差标准都有相关规定;

3 电压三相不平衡unbalance:表现为电压的最大偏移与三相电压的平均值超过规定的标准;

4 谐波和间谐波harmonics & inter-hamonics:含有基波整数倍频率的正弦电压或电流称为谐波;含有基波非整数倍频率的正弦电压

或电流称为间谐波,小于基波频率的分数次谐波也属于间谐波;

55 电压波动和闪变fluctuation & flicker:电压波动是指在包络线内的电压的有规则变动,或是幅值通常不超出0.9~1.1倍电压范围的一系列电压随机变化;闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响;

2.电能质量问题的产生

2.1电能质量问题的定义和分类

电能质量问题是众多单一类型电力系统干扰问题的总称,其实质是电压质量问题;电能质量问题按产生和持续时间可分为稳态电能质量问题和动态电能质量问题;

电能质量监测与评估技术研究

电能质量监测与评估技术研究

电能质量监测与评估技术研究第一章电能质量概述

电能质量是指电力系统中电能在电压、电流和频率等方面的波动、变形、偏差和干扰程度,主要包括以下几种类型:电压波动、电压暂降、电压闪变、电压谐波、电流谐波、电容器谐波、相位

移动、电压不平衡、负载电流不平衡、谐波扭曲等。这些问题的

存在将会对电力设备的可靠性、生命力和安全性产生重大的影响,因此,电能质量监测与评估技术的研究显得十分重要。

第二章电能质量监测与评估方法

1. 动态矢量法

通过感应式电压传感器和钳形电流传感器来获得实时的电流和

电压的限值。通过对得到的电流和电压进行处理,得到电能的各

种质量指标,如电流不平衡度、谐波含量等。

2. 快速小波变换法

小波变换是一种在时间和频域都具有局部性的分析方法,该方

法可以有效地分析具有多尺度和非平稳性质的信号,如电能质量

信号。快速小波变换法可以对电能质量信号进行快速的分析,并

得到各种质量参数。

3. 小波包分析法

小波包分析法是建立在小波分析基础上的一种信号处理方法,

它是将小波分析继续分解。使用小波包分解可以有效地提取原信

号中的重要信息,从而获得更为精确的质量参数。

第三章电能质量评估技术发展现状

目前,国内外的研究者已经提出了许多电能质量评估方法。例如,美国标准协会(ANSI)提出了一系列的电能质量标准,南非

电力公司也制定了一系列的电能质量标准。同时,国内也出现了

大量的电能质量监测与评估技术研究,如智能电网、微电网、分

布式能源等技术的发展取得了显著进展,在电能质量监测与评估

上也做出了贡献。

第四章电能质量监测与评估技术应用实例

衡量电能质量得主要指标

衡量电能质量得主要指标

衡量电能质量得主要指标

随着国民经济得发展,科学技术得进步与生产过程得高度自动化,电网中各种非线性负荷及用户不断增长;各种复杂得、精密得,对电能质量敏感得用电设备越来越多。上述两方面得矛盾越来越突出,用户对电能质量得要求也更高,在这样得环境下,探讨电能质量领域得相关理论及其控制技术,分析我国电能质量管理与控制得发展趋势,具有很强得观实意义。

由于所处立场不同,关注或表征电能质量得角度不同,人们对电能质量得定义还未能达成完全得共识,但就是对其主要技术指标都有较为一致得认识。

1、衡量电能质量得主要指标

(1) 电压偏差(voltage deviation):就是电压下跌(电压跌落)与电压上升(电压隆起)得总称。

(2) 频率偏差(friquency deviation):对频率质量得要求全网相同,不因用户而异,各国对于该项偏差标准都有相关规定。

(3) 电压三相不平衡(unbalance):表现为电压得最大偏移与三相电压得平均值超过规定得标准。

(4) 谐波与间谐波(harmonics & inter-hamonics):含有基波整数倍频率得正弦电压或电流称为谐波。含有基波非整数倍频率得正弦电压或电流称为间谐波,小于基波频率得分数次谐波也属于间谐波。

5(5) 电压波动与闪变(fluctuation & flicker):电压波动就是指在包络线内得电压得有规则变动,或就是幅值通常不超出0、9~1、1倍电压范围得一系列电压随机变化。闪变则就是指电压波动对照明灯得视觉影响。

2、电能质量问题得产生

2、1电能质量问题得定义与分类

电能质量分析与案例(电力节能公司)

电能质量分析与案例(电力节能公司)

电力系统对电能质量的要求
1)电力系统扩张与联网逐渐形成,系统运行的安全稳定性和可 靠性要求不断提高。
2)在保证电力系统一定的自然垄断特性的条件下,强化环境保 护意识与提高信息管理水平已经势在必行。
3)电力系统与计算机技术和通信技术的结合更加紧密,采用高 新技术(如TCSC、FACTS、HVDC、Cus-Pow)以提高电力 传输能力和实现配电自动化的趋势方兴未艾。
电能质量分析与案例(电 力节能公司)
2023年5月11日星期四
电能质量概论
电能既是一种经济实用、清洁方便且容 易传输、控制和转换的能源形式,又是一种 由电力部门向电力用户提供,并由供、用双 方共同保证质量的特殊产品。
电能质量基本要求
为保证电能安全经济地输送、分配和使用,理想供 电系统的运行应具有如下基本特性: (1)以单一恒定的电网标称频(50Hz或60Hz,我 国采用50Hz)、规定的若干电压等级(如配电系统 一般为110kV,35kV,10kV,380V/220V)和以正弦函 数波形变化的交流电向用户供电,并且这些运行参 数不受用电负荷特性的影响。 (2)始终保持三相交流电压和负荷电流的平衡。用 电设备汲取电能应当保证最大传输效率,即达到单 位功率因数,同时各用电负荷之间互不干扰。 (3)电能的供应充足,即向电力用户的供电不中断, 始终保证电气设备的正常工作与运转,并且每时每 刻系统中的功率供需都是平衡的。

关于电能质量问题的系统阐述

关于电能质量问题的系统阐述

关于电能质量问题的系统阐述

摘要:电能的质量和电网的安全性及经济性有紧密关系,还和社会的整体利益

有关系,加之在生产过程中一些较为精密的仪器往往会对电能的质量提出很高的

要求,因此,做好电能质量控制策略有很强的学术及实践意义。下文主要就电能

质量产生的原因、电能质量问题的分析方法以及电能质量的控制及管理进行探究。

关键词:电能质量;问题;控制;产生原因

前言

近年来,随着社会经济的不断发展,电力行业也取得很好的发展,电能作为

当代经济社会发展中不可获取的重要能源,其质量关乎每个行业以及民众的日常

生活,也直接影响到国民经济的整体效益。伴随电能科技的日新月异及生产自动

化趋势的不断加强,电网用户的持续增加,各类精密化的、对电能质量要求较高

的电力器械设备愈发增加,基于此,电能质量问题的技术控制便成为热议的话题。

一、电能质量问题及产生原因分析

什么是电能质量问题呢?电能质量,从严格意思上讲,衡量电能质量的主要

指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电,包括电压质量、电流

质量、供电质量和用电质量。其可以定义为:导致用电设备故障或不能正常工作

的电压、电流或频率的偏差,其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以

及供电连续性等。这些指标可能听起来有些复杂,对应到生活中,则意味着电灯

是不是稳定照明,精密仪器能不能正常使用,电气设备能不能稳定运行等。现在

工业领域最常见的电能质量问题是电压暂降和电压谐波问题。而产生电能质量问

题的主要原因有:1)电力系统本身元器件的非线性。例如发电机、变压器、直

电能质量的定义以及分析方法

电能质量的定义以及分析方法

一、电能质量

1、电能质量的定义

不管对电能质量给出什么样的定义,电能质量的内涵应该包括如下几个方面的内容,已经取得了普遍的共识解决电能质量测试设备,使用电能质量分析仪。

电压质量:给出实际电压与理想电压间的偏差,以反映供电部门向用户分配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电磁暂态现象、电压波动与闪变、短时电压变动、电压谐波、电压间谐波、电压缺口、欠电压、过电压等。

电流质量:电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率,除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波外,还应尽量保持该电流波形与供电电压相同。电流质量通常包括电流谐波、间谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。研究电流质量有助于电网电能质量的改善,降低线路损耗,但不能概括大多数因电压原因造成的质量问题,而后者往往并不总是用电造成的。

供电质量:它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和供电可靠性;非技术含义是指服务质量,包括技术供电部门对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价目的透明度等。

用电质量:用电质量反映供用电双方相互作用与影响的责任和义务,它包括技术含义和非技术含义等。技术含义包括对电力系统电能质量技术指标的影响和要求。非技术含义是指用电责任和义务的履行质量,如用户是否按时、如数缴纳电费等。

目前,国内外虽然对使用电能质量这一术语及其内涵达成了共识,但是对电能质量确切的定义尚未形成统一的共识。使用比较广泛的几个定义如下: 定义1:合格电能质量的概念是指,给敏感设备电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工作。这一定义来自IEEE标准化协调委员会给出的power quality(电能质量)的技术定义。

基于机器学习的电能质量分析与改进方法研究

基于机器学习的电能质量分析与改进方法研究

基于机器学习的电能质量分析与改进方法研

电能质量是衡量电力系统性能的重要指标,直接影响着用电设备的正常运行和电网的稳定运行。随着工业化和城市化的快速发展,电能质量问题日益凸显,给生产生活带来了诸多困扰。因此,研究如何准确评估电能质量并提出有效改进方法显得尤为重要。

一、电能质量分析方法

1. 传统电能质量分析方法

传统的电能质量分析方法主要依靠仪器设备采集数据后再由专业人员进行分析,由于数据量庞大且复杂,难以快速准确地找出问题点并提出改进建议。

2. 基于机器学习的电能质量分析方法

近年来,随着人工智能技术的不断发展,利用机器学习算法来分析电能质量成为研究热点。通过建立数据模型,机器学习能够从海量数据中学习规律,并根据建模结果进行预测和优化,提高了分析的速度和准确度。

二、电能质量问题与改进方法

1. 电压稳定性问题

电压波动和电压闪变是常见的电能质量问题,可能导致设备启动困难、损坏等现象。通过合理设计电网结构、增加电容器等手段可以有效改善电压稳定性。

2. 谐波污染问题

谐波是电能质量中常见的问题之一,会导致电网频率波形失真、设备损耗增加等后果。采用主动滤波器、软开关技术等方法可以有效降低谐波污染。

3. 电能质量监测与评估

电能质量监测是解决电能质量问题的基础,准确的监测数据可以为问题分析和改进提供依据。利用智能监测装置和远程监控技术,可以实现对电能质量的实时监测和追踪。

4. 基于机器学习的电能质量改进方法

结合机器学习算法,可以对电能质量问题进行更精细化的分析和优化。通过建立智能模型,可以实现对电能质量的预测和调控,为提高电能质量提供更有效的手段。

电能质量分析与控制2-肖湘宁

电能质量分析与控制2-肖湘宁

xn
1 N
n0
X k WNnk (n
0,1,
,N
1)
(2-13)
由此,对于离散傅立叶序列 xk,我们可以用矩阵的
形式进行表述
X 0 1 1 1 1 x0
X 1
1
W
WK
W N 1
x1
X k
1
Wk
W K2
W
kN
1
xk
X N 1
1
W N 1
➢ 频域分析方法主要用于电能质量中谐波 问题。
频谱分布、谐波潮流计算
➢ 基于数学变换的方法
主要指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、 矢量变换方法以及小波变换方法和人工神经网络 分析方法。
第二节 傅立叶变换与波形的数学分析方法
一、 非正弦周期信号分解为傅立叶三角级数 周期性电压和电流等信号都可用一个周期函数 表示为 f(t)=f(t+kT) (k=0,1,2……)(2-1) 其中:T——基本周期 非正弦周期函数满足狄里赫利条件时可分解为 傅立叶级数,而在电气工程中所处理的光滑函 数通常都能满足这个条件。
➢ 奇对称 ➢ 偶对称 ➢ 镜对称 ➢ 双对称 如,表2-1中的方波为奇函数,只含正弦项,将
其坐标原点变为如图2-1(a)示,则其傅立叶 级数为
(2-4)
但无论如何选择计时起点,总是有

2电能质量分析与控制

2电能质量分析与控制

量由N的平方次降为
N 2
log2
N
次。以N=1024为例,计算量降为
5120次,仅为原来的4.88%,数字信号处理的里程碑。
常用基2FFT算法—蝶形运算:
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2电能质量的数学分析方法
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2电能质量的数学分析方法
FFT结果的具体物理意义:
根据:
N 1
j 2 k n
75点:-2.2199E-13 -1.0076E-12i 76点:3.4315E-12 + 192i 77点:-3.0263E-14 +7.5609E-13i
很明显,1点、51点、76点的值都比较大,
附近的点值都很小,可以认为是0,即在那些频率点上的信号幅度为0。
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2电能质量的数学分析方法
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2电能质量的数学分析方法
防止频谱混叠方法: 1、 加带宽为fS /2的低通滤波器,滤去 fS /2以上信号分量。 2、提高采样速率。
五、快速傅立叶变换(FFT)
快速傅里叶变换算法最早于1965年提出,巧妙地利用W因子的周
期性和对称性,导出的高效快速算法,FFT使N点DFT的乘法计算
sin
2k
N
h
T N
2 N

电能质量及其分析方法综述

电能质量及其分析方法综述

电能质量及其分析方法综述

一、本文概述

电能作为现代社会运转的基石,其质量对于电力系统的安全、稳定和高效运行至关重要。随着电力工业的发展以及新型电力系统的建设,电能质量问题日益凸显,成为国内外学者和工程师关注的焦点。本文旨在对电能质量及其分析方法进行综述,旨在全面梳理电能质量的基本概念、影响因素、评估标准以及分析方法,为电能质量的监测、评估和提升提供理论支撑和实践指导。

本文将简要介绍电能质量的基本概念,包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量等方面,并阐述电能质量的重要性和影响因素。接着,文章将重点分析电能质量评估标准和评估方法,包括国内外电能质量标准的比较、电能质量评估指标体系的建立以及电能质量评估方法的分类和特点。

本文还将详细介绍电能质量分析方法的原理和应用,包括时域分析、频域分析、统计分析和人工智能分析方法等。通过对各种分析方法的优缺点进行比较,为实际应用中选择合适的分析方法提供参考。

文章将展望电能质量分析的未来发展趋势,探讨新型电力系统下电能质量分析面临的新挑战和机遇,以及未来研究方向和应用前景。

本文旨在为读者提供一个全面、系统的电能质量及其分析方法的

知识体系,以期推动电能质量分析技术的发展和应用,为电力系统的安全、稳定和高效运行提供有力支持。

二、电能质量指标及其标准

电能质量是评估电力系统运行状况和性能的重要参数,其指标涵盖了电压、电流、频率和波形等多个方面。电能质量的优劣直接影响到电力系统的稳定性和经济性,因此,建立科学、合理的电能质量标准体系至关重要。

电压质量是电能质量的核心指标之一,主要包括电压偏差、电压波动与闪变、电压不平衡和谐波等。电压偏差是指实际电压与额定电压之间的差值,反映了电网电压的稳定性。电压波动与闪变则是由于电网中负载的变化,导致电压幅值在一段时间内发生周期性或非周期性变化,对电气设备的正常运行产生不利影响。电压不平衡则是指三相电压之间的不平衡度,超过一定限度会导致电机等设备过热,降低使用寿命。谐波则是由于非线性负载引起的电压和电流波形畸变,会对电网和电气设备产生损害。

电能质量检测技术及其应用分析

电能质量检测技术及其应用分析

电能质量检测技术及其应用分析

电能质量是指电力系统中电能偏离正弦波的程度和电力系统中的各种问题。电

能质量问题的存在会对电力设备的正常运行造成不利影响,给用户带来经济损失,因此对电能质量进行检测和改善是十分必要的。本文将重点探讨电能质量检测技术及其应用分析。

一、电能质量检测技术

1.电力参数检测技术

电力参数的检测是电能质量检测的基础,主要包括电压、电流、功率、频率等

电力参数。电力参数检测技术主要有以下几种:

(1)电压、电流检测技术

电压、电流是电力系统的核心参数,电量的计量和电能质量的检测都需要对其

进行精确测量。电压、电流检测技术应满足以下要求:准确性高、响应速度快、抗干扰能力强、可靠性好、易于维护等。

(2)功率检测技术

功率是电力系统的重要参数之一,也是电能质量检测中的重要指标。功率检测

技术主要有基于功率因数的检测技术和基于傅里叶变换的检测技术两类。其中,基于功率因数的检测技术依靠功率因数的计算,通常用于低精度检测场合;基于傅里叶变换的检测技术则可以获得高精度的功率参数计算结果,可以精确检测功率因数、有功功率、无功功率、视在功率等参数。

2.电能质量信号分析技术

电能质量信号分析技术主要包括时域分析、频域分析和小波分析等。时域分析

能够对电压、电流等参数进行定量化分析,可以获得各种统计参数。频域分析则可

以将电能质量信号转换为频谱图形,以便进一步分析谐波、噪声等问题。小波分析技术则是一种新兴的数字信号处理技术,能够更加精确地分析电能质量信号的频域、时域特性,并滤除干扰噪声。

二、电能质量检测应用分析

电能质量问题的分析方法

电能质量问题的分析方法

电能质量问题的分析方法

摘要:随着电力产业的市场化,电力系统逐渐实现网络化、规范化。广大电力

用户对电能质量提出了更高更新的要求,因此,电能质量的监测和分析得到了电

力部门的高度重视。本文基于电能质量的基本概念出发,分析了其特点,重点对

电能质量分析方法进行了阐述。

关键词:电能质量;质量分析;用电设备;分析方法

0、引言

电能质量问题直接影响到电力系统的安全稳定运行和供电的可靠性,主要分

为稳态和暂态电能质量两个方面。其中,稳态电能质量问题,主要是指电压及频

率偏差、三相不平衡偏差、电压波动、电压闪变、高次谐波等问题时限较长、特

征平稳的问题。经过各种针对电能质量问题分析的方法体系日益完善,且电力系

统运用了可靠的实时的在线监测装置,电能质量问题中的稳态电能质量已经有了

明显的提高。较之稳态电能质量,暂态电能质量主要指问题时限极短、特征不具

明显规律的短时扰动,其典型问题包括电压尖峰、电压缺口、电压中断、电压暂升、电压暂降、短时谐波、脉冲暂态﹑振荡暂态等。暂态电能质量给电力系统的

安全稳定运行造成了明显的影响,越来越收到工业生产部门、电力部门及电力客

户的普遍重视。因此,对电能质量问题进行准确的分析至关重要。

1、电能质量标准分析

电能质量标准是评价和判断电能各项指标的标尺,也是衡量电能产品优劣的

重要依据。电能质量标准由于地域不同、供电情况差异也存在一定差异。影响电

能质量的指标主要有:谐波、间谐波、负序、闪变、电压暂降。

2、电能质量的分析方法

电能质量问题的分析方法从计算工具主要分为时频分析法和非时频分析法。

其中,时频分析法主要包括:短时傅立叶变换、S变换、二次变换、小波变换和Hibert一Huang变换等。而非时频分析法主要包括:分形法、数学形态分析法、差

傅立叶变换、小波变换在电能质量检测中的应用

傅立叶变换、小波变换在电能质量检测中的应用

、 r 、 r ; w 、 , ∈ ;aO 为伸缩因子, T l )} ) , ; (= ( , r ;at R >,a
为 平移 因 子 。 一 “
把小波基 函数 (与待分析信 号x t 作内积 : r ) ()
WL a ) (, :士 I ( ’ — )t > T , ( T d ,a O ) f
短 时 性 则 是 通 过 一 个 参 数 的 平 移 来 覆 盖 整 个 时域 ,也 就
是说采用 一个 窗函数对 信号f t作 乘积 运算来 实现在 T附 ()
近的开窗和平移,然后再进行傅立叶变换 。
短 时 傅立 叶 变 换 给定 一 个 时 间 宽度 很 短 的 窗 函数 n
析 ,先选择基小波 ,这里采用D u e h e b O  ̄ ,进行 ab c i s d 2 d 波
厂 壅 堕 ]
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ

季夏轶
卢 志 刚
( 州 大 学 电 气工 程 学 院 ,贵 州 贵 阳 5 0 0 ) 贵 5 0 5

要 :本 文介 绍 了几种常 用 电能质量检 测 的算法 ,通过应 用不 同算 法对平 稳信号和 非平稳信 号仿真 分析 ,来验 证各 种
算 法的有效性和 优缺 点。
四尺度 分 解 ,采样 频 率为 3 2 H ,采 样五 个 周期 , a 、 .kz 1 a 、a 、a 是 小 波 分 解 的离 散 逼 近 信 号 ; d 、d 、d 、 2 3 4 1 2 3

基于形态学及dq变换的电能质量检测新方法

基于形态学及dq变换的电能质量检测新方法

过低通滤 波器 滤除谐 波 ,则 可得 到基 波正 序 分量 的有 效值
和相位角 为 :
直 是 学 术 界 研 究 的 热 点 。 目 前 D —F C S ( i r ue AT dsi t tb d
l il C cr te nlg) f xbeA urn t h ooy 分 布 式 柔 性 输 电 技 术 是 抑 制 e e c

一 眦 tn a
() 3 () 4
闪变 、电压暂 降 、减小谐 波 和畸 变 、消 除三 相不 平衡 的最 有效方法 。各 种 D—F C S设 备 的 工作 机 理 大致 相 同 , AT 都是根据实 时检测 的 电 网电压 电流信 号 ,来确 定注 入或 补 偿 的分量 。因此对 电气 参 数 的检测 方法 进行 改进 ,提高 设 备的检测精 度和响应特 性是需要解决 的问题 。 数学形 态学 是基 于积分 几何 和 随机 集论 建立 起来 的
且 N≥M。则 , n 关 于 g n () ( )的膨胀 和腐蚀分别定义 为 :
( ,o ) n = ma (( 一,)+g m) g () xf n ( )
(o ) ) = m n f n+m)一g 1) fg( i( ( (1 ) 7 .
种非线性数 学方 法 ,它 提供 了非常 有效 的非 线性 滤 波技
义 为开运算 : ( )= 【f g 广g (o )o g (, 】 1 7 ) () 7 () 8

基于S变换的电能质量扰动分析

基于S变换的电能质量扰动分析
(E ) 我 国均 有 严 格 的 标 准 . 稳 态 电 能 质 量 检 IC 和 与
冲、 涌、 浪 电压跌 落及 瞬 时 电压 中断. 判 电能 质量 评
的标 准 在不 断完 善 中 , 根据 不 同的 系统环 境 采用 常
指标 参 数 的幅值 和持 续 时间来 描 述 ( 时考 虑 其上 有 升 下 降率 、 生 频度 等 ) 发 . 目前 , 速 傅里 叶变 换 ( F 在 电能质 量分 析 快 F T)
态 电压 畸变程 度 , 电 网遭 受外 来 干扰侵 袭 或 内部 当
发 生 故 障 、 作切 换 引 起 系 统 冲 击 时 , 成 电 压脉 操 造
A b t a t A c o d n o t e m a n f a ur s o w e ua iy d s u b n e sgn l o e e ton a l s ii sr c : c r i g t h i e t e fpo rq lt i t r a c i a s, ne d t c i nd ca s f— c to e ho fv la i a s d on S r ns o m o a i n m t d o o t gesgn lba e t a f r m dul a rx w a o s d, n h ow e uaiy em t i spr po e a d t e p r q lt w ih dit b nc sg l w e e l s iid.T h S t a f m W 3 a ple t a a y e he t s ur a e i na s r ca sfe e — r nsor S p id o n l z t po e q lt w r uaiy dit ba c i a s s c a t la e s g, ola p ke, r n int r nd s ur n e sgn l u h s he vo t g a v t ge s i t a s e a om d s ur nc a d t i e it ba e n he tm —
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基于变换的电能质量分析方法

摘要:对电能质量问题和基于变换的电能质量分析方法进行了综述。文中给出了各种电能质量扰动现象的分类与特征,对傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换和二次变换这4种变换分析方法的基本原理及其在电能质量领域的应用作了详细论述,阐明了各种方法的特点及其适用条件。最后提出了电能质量研究的方向。

关键词:电能质量;傅里叶变换;短时傅里叶变换;小波变换;二次变换

1引言

自从20世纪80年代末以来,电能质量已成为电力部门及其用户日益关注的问题[1]。主要原因有如下4个:①负荷设备对电能质量的变化更加敏感。许多新型负荷装置都含有基于微处理器的控件和电力电子器件,这些控件和器件对于多种扰动都很敏感。②为提高整个电力系统的效益而不断地应用一些装置,例如高效可调速电动机和用于功率因数补偿的并联电容器组等。这就使电力系统的谐波水平有所增长。③终端用户越来越了解断电、电压骤降(volt-age sag)以及开关暂态(switching transient)等电能质量问题,他们将督促电力部门提高供电质量。④许多元器件都互连于一个网络之中。集成作用意味着任何一个元件的故障都会导致更为严重的后果。

电能质量问题的出现不应该完全归咎于某个部门或某系统。从本质上讲,它是科学技术和经济发展的必然结果,其最终解决需要电力部门、设备制造厂商和电力用户三方积极密切的合作。

2电能质量

从不同的角度来考虑,电能质量可能会有截然不同的定义。文[1]中将电能质量问题定义为“导致用户设备故障或误动作的,以电压、电流或频率的偏差为表现形式的一切电力问题”。电能质量这一术语用来描述许多不同类型的电力系统扰动。表1给出了各种电能质量扰动的典型频谱成分、持续时间及电压幅值。利用这些信息就能够区分测量结果并描述电磁扰动。在电能质量分析中主要研究的4种扰动是电压骤降(voltage sag)、瞬态过电压(transient over-voltage)、谐波畸变(harmonic distortion)和闪变(flicker)。其中前2种属于短期暂态现象,而后2种属于持久性事件[2]。

随着电能质量问题的日益严重及广大用户对电能质量要求的不断提高,建立电能质量监测与分析系统,对其进行正确的检测、评估和分类就显得十分必要。为了获得有关电能质量的信息,往往需要对三相电流、三相电压、中线电流和中线对地电压等信号进行测量与储存,以构成电能质量分析的数据源[3]。由于这些数据必须以足够高的采样速率进行采样并储存,而且又必须长期在线进行,所以每年存储的数据量相当大。为了充分合理地利用这些数据,可以采用某种基于变换的方法将时域信息映射到频域或将时、频域信息结合起来进行电能质量分析。近年来,在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有傅里叶变换法、短时傅里叶变换法、小波变换法和二次变换法。本文将对这4种变换方法进行详细阐述。

3 傅里叶变换法

在电能质量分析领域,常常利用离散傅里叶变换(DFT)和快速傅里叶变换(FFT)对非正弦周期信号的时间连续信号用采样装置进行等间隔采样,并把采样值依次转换成数字序列,然后借助计算机进行谐波分析[4]。

目前,各种算法的DFT和FFT已经成为现代频谱分析和谐波分析的基础[5],这些改进的算法大大提高了FFT方法的计算精度和速度。文[6]提出了基于线性插值原理和抛物线插值原理的2种改进FFT方法,分别称为LFFT算法和PFFT算法。为了验证其优点,文中对2种常见波形(锯齿波和余弦全波整流波形)分别用LFFT和PFFT以及标准FFT作频谱分析。算例分析表明,改进后的算法明显提高了计算精度并可降低对采样频率的要求,从而提高了计算速度。文献[7]对FFT的泄漏误差进行了分析,根据V.K.Jain和T.Grandke提出的插值算法提出了多项余弦窗插值的新算法。计算结果表明,这种加窗插值算法可以有效地提高测量精度(尤其是相位精度),同时还能有效地抑制谐波之间或杂波及噪声的干扰。

由于电力系统的实际信号中往往含有衰减的直流分量,因此采用基于FFT算法的谐波测试仪进行谐波分析时必然会产生误差。为了解决这一问题,可以采用滤出非周期分量的全周期傅里叶算法[8]。该方法有效地克服了非周期分量的影响,提高了计算精度,其缺点是速度较慢。

虽然傅里叶变换能够将信号的时域特征和频域特征联系起来,分别从信号的时域和频域观察,但却不能把二者有机地结合起来。傅里叶变换只能适用于确定性的平稳信号(如谐波),对时变非平稳信号却难以充分描述。这是因为傅氏变换是在整个时域内积分,因而去掉了非平稳信号中的时变信息。同时,傅里叶分析在时域的分辨率是不变的,因

而不足以在任意小的范围内描述或确定频率f。为了分析电能质量领域的突变信号和非平稳信号,必须寻求新的信号处理工具,要求它既能保持傅里叶分析的优点,又能弥补其不足。

4短时傅里叶变换

短时傅里叶变换(STFT)亦称加窗傅里叶变换(WFFT),是一种局域化的时-频分析方法,其奠基工作是由Gabor于1946年完成的。这种方法的基本思想是:把信号划分成许多小的时间间隔,用傅里叶变换分析每一个时间间隔,以便确定该时间间隔存在的频率。它把非平稳信号看成是一系列短时平稳信号的迭加,而短时性则通过时域上加窗来获得。虽然短时傅里叶变换在一定程度上克服了标准傅里叶变换不具有局部分析能力的缺陷,但其自身也存在很大的不足,即当窗函数确定后,只能改变窗口在相平面上的位置,而不能改变窗口的形状。可以说短时傅里叶变换实质上是具有单一分辨率的分析,若要改变分辨率,则必须重新选择窗函数。因此,这类变换用来分析平稳信号尚可,但对于非平稳信号,在信号波形变化剧烈的时段内(主要是高频),要求有较高的时间分辨率,而波形变化比较平缓的时段内(主要是低频),则要求有较高的频率分辨率。而短时傅里叶变换不能兼顾两者。由于STFT的时-频窗口是固定不变的,所以这种方法对于含有多个频率分量和暂态过程不连续的信号并不是最适合的,人们难以从其谱图中看出信号的时变特性[9]。

针对这一问题,G.T.Heydt等人提出了宽度可调节的滑动窗口,并利用这种WFFT 方法对电能质量进行评估[3]。该方法的基本思想是先用宽窗对测量数据进行快速浏览,检测到扰动之后再用窄窗对扰动“聚焦”,从而进行细节分析。如果将这种方法与表1中的扰动定义结合使用,就可以对电能质量问题进行评估与分类。

5小波变换法

小波变换(WT)是由Morlet于1980年在进行地震数据分析工作时创造的。小波就是最短最简单的振动。小波分析方法是一种窗口大小(即窗口面积)固定但其形状可改变的时频局部化分析方法。它在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率,而在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率,所以被誉为“数学显微镜”。正是这种特性,使小波变换具有对信号的自适应性。小波变换是一种多尺度分析,对时间序列过程从粗到细加以分析(从低分辨率到高分辨率),既显示过程变化的全貌,又剖析局部变化特征。对于电能质量领域的非平稳时间序列,小波变换大有用武之地。近年来,国外许多学者都利用小波变换对电能质量问题进行研究[2,5,10~14]。

常见的小波基函数有:B小波、Daubechies小波、Haar小波、Meyer小波和Morlet小波等[15]。Shyh-Jier Huang等人提出了用Morlet小波监视电力系统扰动的方法[5]。仿真结果表明,该方法能够检测电压骤降、骤升、短时断电和振荡暂态等扰动,同时也能对电弧炉产生的动态谐波进行分析。今后要做的工作应该是找出最适合电能质量分析的小波基函数。1988年Mallat在Burt和Adelson图象分解和重构的塔式算法启发下,基于多分辨率分析(MRA)框架,建立了小波快速算法——Mallat算法,它在小波分析中的地位相当于FFT 在经典傅里叶分析中的地位。目前,这种MRA方法仍是电能质量分析领域中使用最多的算法[2,11]。MRA方法的一个特性是能够准确地检测到电压信号中尖锐变化的发生时刻(如电压骤降、断电、过电压和暂态)[2]。但是MRA方法也有其不足之处,它不能对基波信号的幅值进行直接可靠的测量,也无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值[2]。MRA方法的另一个特色是可以区分不同的电能质量扰动[11]。文献[11]提出了不同分辨率上的标准偏差曲线,从而为区分不同的电能质量问题以及进一步找出扰动源提供了手段。

电能质量扰动现象的频率变化范围十分广泛。例如,由电弧炉引起的典型电压波动的频率一般低于25 Hz,而由雷电冲击引起的脉冲暂态的频率则可达数MHz。为了监测这类高频暂

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