暫態電壓波動信號的檢測

摘 要:暫態電壓干擾現象會造成用戶用電設備異常運行，這些現象包括電壓驟降、電壓驟升以及供電瞬時中斷。均方根計算法在計算電壓波動幅度時誤差較大，本文采用小波包變換對波動的電壓信號進行平方解調，從而實現計算擾動信號有效值的目的。仿真結果表明該方法簡單易行，滿足精度要求。

關鍵詞:方均根電壓波動小波分析

中圖分類號:TM7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)08(b)-0073-02

隨著經濟的發展和高科技設備的廣泛應用，用戶對電能(電壓)質量的要求越來越高。以前人們關注的電能質量問題主要是頻率偏差、電壓偏差、諧波、電壓不平衡以及波動和閃變，對電力系統中普遍存在的諸如電壓驟降、電壓驟升、電壓中斷等暫態電能質量問題的研究較少。隨著用戶對電能質量水平要求的提高，研究和開發暫態電能質量領域的新技術已成為近年來電力系統研究領域的新熱點。

暫態電能質量擾動現象包括電壓驟降、電壓驟升以及供電瞬時中斷等。短時間電壓持續的時間較短，產生原因復雜，但對電子類控制設備的影響很大，短時間電壓驟降甚至會造成敏感用戶停產。

1 電壓波動的特征

電壓波動是配電系統中大量存在的電能質量現象，諸如短路故障、無功補償裝置的投切、大容量電動機的啟動都能引起電壓波動。功率沖擊型波動負荷會導致持續時間較長的電壓波動，并導致照明設備的照度變化，通常稱之為閃變。GB 12326-2000《電壓允許波動和閃變》特別規定了各級電壓下的閃變限制值，它適用于由波動負荷引起的公共連接點電壓的快速變動及由此可能造成人對燈閃明顯感覺的場合。針對持續時間較短的電壓波動尚未形成相關標準。

當電壓幅值在一定范圍內變化時，一般用電壓最大值與最小值之差相對額定電壓的百分比來描述電壓波動。另外，持續時間也是描述電壓波動的特征之一。文獻[1]按特征對不同電能質量現象進行了分類，關于電壓波動的部分如表1所示。

2 電壓波動的檢測原理

2.1 電壓波動持續時間的檢測

暫態電壓波動的持續時間可由其擾動起始和終止時刻的位置確定，因此電壓波動的時間定位也就是對其擾動時刻的檢測。在電壓波動的起始時刻，電壓信號幅值發生突變，一般根據幅值的奇異來檢測波動的起始時刻。由于傅立葉變換不具有時域分辨率，不能用來進行波動電壓的時間定位。在小波變換中，可以根據不同尺度上的小波變換模極大值點的位置來檢測信號的奇異點，從而實現對暫態信號擾動時間的精確定位。一般情況下，工程上對波動持續時間檢測的精度要求不高，可以結合波動幅值檢測來確定波動持續時間。

2.2 電壓波動幅值的計算

通常，計算電力信號的幅值可以采用方均根值法。設采樣的離散信號為x(k)，一個周波采樣點數為N，采樣點k對應的信號幅值為A(k)。下式把x(k)之前一個周波的信號方均根值作為當前的信號有效值

這種計算方法不適合跟蹤小于一個周波的電壓波動，只適用持續時間較長且呈階躍波動的電壓擾動，且在擾動起止前后一個周波內的計算誤差會比較大。如圖1所示，在0.08s長的時間段中只有[0.02s，0.03s]、[0.05s，0.07s]兩段時間的檢測是正確的(如圖1)。

2.3 電壓波動形態的檢測

在電壓波動的相關研究中，更關心的是電壓波動的形態，如大容量電容投切和電動機啟動過程的分析。電壓波動形態指的是電壓幅值隨時間變化的規律，包含了幅值波動和波動持續時間的相關信息。方均根值法計算出的幅值的時域分辨率小于一個周波，遠遠達不到工程要求。基于加窗傅立葉算法的檢測方法也存在類似的缺陷。小波變換具有良好的時域、頻域分析能力，適用于電壓波動形態的檢測。小波分析的原理就是把L2(R)上的信號x(n)在一系列的小波函數空間上投影得到xj(n)，那么L2(R)=Wj、x(n)＝∑xj(n)。當用有限個子空間來逼近空間L2(R)時，那么這有限個子空間上投影分量的和就可以作為信號x(n)的逼近。在這個分解過程中，也就同時進行了信號x(n)的特征分解過程，即不同程度的逼近包含了原信號不同的特征[2]。小波分解的計算過程可參見文獻[3]。文獻[4，5]已基于小波分解提取了了暫態諧波分量和閃變電壓包絡線的特征量。

設電壓信號為u(t)＝1.414*A(t)sin( t+ )，A(t)是工頻電壓的波動幅值，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s1(t)＝A2(t)，s2(t)＝－A2(t) *cos(2 t+2 )，有u2(t)＝s1(t)＋s2(t)。

當電壓波動定時間長度大于0.5周波，既A(t)的波動頻率<25Hz時，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，那么y(t)就是電壓的波動幅值。

3 仿真實例

假設采樣頻率12.8kHz，采樣時間長度為1.28s，電壓信號的波動模式分別為間斷恒定、正弦變化、正弦衰減三種，波動的電壓信號如圖2(a)、3(a)、4(a)所示，設置的電壓幅值和檢測的電壓幅值如圖2(b)、3(b)、4(b)所示。

工程實際中的電壓波動遠不如算例中的情形嚴重，其波動程度和變化的復雜性均較為簡單。因此，算例的檢測結果表明，本文采用的方法具有較好的時頻跟蹤能力。

4 結語

準確檢測電壓、電流有效值變化的形態是進行干擾負荷特性分析的基礎。本文所采用的基于小波包變換和平方檢測的電壓波動檢測方法，能夠很好地跟蹤多種形態的暫態電壓擾動。

參考文獻

[1]IEEE Std 1159-1995(R2001)，IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality[S]，USA，1995:12.

[2]馮象初，甘小冰.數值泛函與小波理論.西安:西安電子科技大學出版社，2003，3.

[3]Mallat S.信號處理的小波導引，第二版(A Wavelet Tour of Signal Processing， 2nd ed.).楊力華，戴道清，黃文良譯.北京:機械工業出版社，2002.

[4]邵振國，堵俊(Shao Zhenguom， Du Jun).一種提取電力系統諧波的快速算法(Fast Algorithm for Power Harmonic Component Decomposition). 電力自動化設備(Electric Power Automation Equipment)，2003，23(2):5-7.

[5]Jun Du，Zhenguo Shao， Xiaoli Guo， Xiao Wu，Zhihua Bao，Ronglin Zhang， Daoshan Huang，A New Method for Voltage Flicker Character Parameter Estimation Using Wavelet Analysis. ICEE2005，Kunming， China July 10-14，2005.