基于超窄帶通信與小波變換的電能質量擾動源定位方法

王 薪

（國網湖北省電力有限公司黃岡供電公司，湖北 黃岡 438000）

0 引 言

現階段的電力系統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量，但也會對電力系統的正常運行造成威脅[1]。在進行廣域傳播的過程中，擾動源為電能質量的影響也越發明顯[2-3]。在電能質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的電能質量擾動源定位法，該方法能在大多數情況下準確定位電能質量擾動源，但當擾動源分布在電力系統的異側時，結果的準確性會降低[4]；徐方維等人提出一種以正序分量相位差為基礎的電能質量擾動源定位方法，該方法同樣存在電力系統異側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比較為基礎的電能質量擾動源定位方法，該方法的定位性能不受擾動源電力系統異側分布的影響，但是當電力系統存在擾動源時，其定位的準確性會下降[6]。因此，對電能質量擾動源定位進行研究和設計時，保障其能夠適應不同工況環境是必要條件之一[7]。文章提出基于超窄帶通信與小波變換的電能質量擾動源定位方法研究，通過對比測試方式分析驗證設計方法在不同運行工況下性能。

1 電能質量擾動源定位方法設計

1.1 電能超窄帶通信信號解調

在定位電能質量擾動源之前，需要考慮新型電力系統在進行電能傳輸的過程產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處理[9]。電能超窄帶通信信號解調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。通過解調技術，可以從復雜的電力信號中提取出有用的信息，進而監控和管理電能質量，保障電力系統的穩定性和可靠性。

在考慮電力系統傳輸階段基帶的前提下，對應的多元并構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制碼元；δ為多元并構電能超窄帶通信信號間的作用波形；n為單位周期內電能超窄帶通信信號的更新次數；T為信號波形的發展周期。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；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的最小截止頻率一般為原始信號波形發展周期的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，建立電能超窄帶通信信號中N個碼元為基礎的N元線性方程組為

式中：G為構建電能超窄帶通信信號N元線性方程組系數矩陣；D為電能超窄帶通信信號的碼元列向量；X為信號列向量。當構建電能超窄帶通信信號N元線性方程組系數矩陣為滿秩狀態時，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元線性方程組系數矩陣中的位置分析，實現對電能質量擾動源的定位。小波變換能夠分析信號的細節部分，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，為后續的分析和識別提供可靠的依據。借助于小波變換技術，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環境，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 測試環境準備

測試中考慮在不提供電能質量擾動源下，對電能數據不同的影響方式，因此分別設置2 種功率振蕩擾動，并對設計的電能質量擾動源定位方法性能分析。從驗證電能質量擾動源定位方法有效性的角度出發，將DIgSILENT 仿真軟件作為測試環境，搭建包含9節點WSCC3 機系統結構，結構如圖1 所示。

圖1 9 節點WSCC3 機系統結構

文章結合圖1 的9 節點WSCC3 機系統結構，設計電能質量擾動源定位方法的適用性階段。在不同的負荷位置上設置隨機波動屬性，對具體狀態進行差異化設置，模擬不同工況下電能質量擾動狀態。測試工況如表1 所示。

表1 測試工況環境構建

按照表1，實現對不同工況的測試，使測試節點WSCC3 機系統產生相應的功率振蕩反應。

2.2 測試結果與分析

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

4 種方法對于電能質量擾動源定位結果的準確度如表2 所示。

表2 不同方法測試結果統計表 單位：%

由表2 結果可知，在4 種不同電能質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（工況1 ～工況6）時，4 種方法對應的定位結果準確性較高，但是當測試工況的擾動源處于測試9 節點WSCC3 機系統的不同一側（工況7 ～工況9）時，對比的3 種方法對應的定位結果準確性明顯降低，最大值僅為96.45%以上，且當同側擾動源不唯一（工況9）時，對比的3 種方法定位結果準確率僅為95.06%，而文章設計方法在工況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量擾動源定位方法，可實現對不同工況下擾動源的準確定位。

3 結 論

為及時解決電能質量問題，降低由于電能質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，實現對不同工況下精準定位擾動源的目的。借助文章設計與研究，也希望能夠為電能質量擾動源定位工作的開展提供有價值的參考。