基于小波变换的电网电能质量评估与MATLAB仿真

何军

（四川职业技术学院电子电气工程系， 629000）

基于小波变换的电网电能质量评估与MATLAB仿真

何军

（四川职业技术学院电子电气工程系， 629000）

随着电力市场和国民经济的迅速发展，电能质量问题已经引起世界各国电力部门和用户的广泛关注，供电质量不高将引起某些重要生产过程中断，导致工业产品质量下降，从而造成严重的经济损失.本文根据电能质量扰动信号的非平稳性，通过分析小波变换的原理，利用小波变换能够突出信号局部特征的特性，分析了利用小波变换对电网电压跌落及周期脉冲等典型电能质量扰动进行判断与定位的方法.相应的仿真结果说明小波变换是对电能质量扰动进行判断和定位的有效途径.

电能质量；小波变化；电压跌落；仿真

1 引言

电能是一种经济、实用、清洁且易控制和转换的能源形态，是供电部门向电力用户提供并由发电、供电、用电三方共同保证质量的一种特殊产品[1].近年来，电力电子装置等非线性设备的迅速发展和广泛应用造成电网电能质量日益恶化；与此同时，随着基于计算机系统的控制设备和精密仪器在国民生产和生活中的普及，也需要高质量的电能质量.因此，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.据国际会议报告介绍，无论国内国外，电能质量问题都造成了巨大的经济损失.因此，要满足现代工业和广大电力用户的要求，就必须理解和重视现代电能的质量问题，考虑从技术、运行管理、经济等方面着手，加大力度保证优质供电.

2 概述

2.1 电能质量评估的国内外动态

对于电能质量，目前还没有一个准确、统一的定义.但电能质量问题是以电力用户的生产需求驱动的，所以用户的衡量标准应占有优先位置.在此原则的基础上，关于电能质量可定义为：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[2].

国外通常使用功率因数、总谐波畸变率等几种指标来对电能质量进行评价，但这具有定量性，对非周期信号存在不协调的问题，因此要考虑如何处理畸变、不平衡现象的功率定义.虽然国外在这方面已作了大量研究，但至今也无一致的结论和意见[3].从信号处理上来说，电能质量分析领域应用得最为广泛的分析方法是以傅里叶变换法、小波变换法为代表的变换域方法.

国内方面，我国相继出台多项国家标准来保证我国的电能质量.但关于暂态电能质量问题，由于研究起步较晚，还处于摸索阶段，还没有统一的标准来描述和定义暂态电能质量现象.但已经逐步开展综合应用各种分析方法，例如将小波变换、FF T和人工智能相结合对暂态电能质量进行检测、分类与识别.这在电能质量领域已成为一个新的研究方向.而关于小波变换在电能质量问题的应用，已有不少研究者取得了相应的理论成果.

2.2 电能质量干扰分类

由于过去没有统一的标准来对各种扰动引起的电能质量问题进行定义，I EEE第22标准统筹委员会和其他国际委员会建议用电压跌落、电压上升、电压中断、电压瞬、变电压畸变五种术语来描述主要的电能质量干扰[4].

其中电压跌落近年来受到了国际上较为密切的关注.这主要是因为引起电压跌落的原因比较普遍，并且电压跌落容易使调速设备出现跳闸、机电设备产生误操作等各种故障.所以对各种扰动进行分类，是为了根据电压信号的特征提取信息并且依据扰动持续的时间和扰动对信号幅值的影响综合判断信号干扰的种类.

3 基于小波变换的电能质量评估与M A TTLA B仿真

3.1 电能质量评估方法

稳态电能质量和暂态电能质量是最主要的电力系统电能质量问题.稳态电能质量问题的特征主要为波形畸变；暂态电能质量问题的特征通常是频谱和暂态持续时间，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类.目前电力行业主要着眼于暂态电能质量问题的分析与研究[5].而短时傅里叶变换（S T F T）、小波变换等几种方法是暂态电能质量问题的主要分析方法.短时傅里叶变换是用傅立叶变换分析信号的时间窗，以便确定该时间窗存在的频率.这在一定程度上弥补了不具有时频分析能力的傅立叶变换的缺陷.但其缺点是无法改变已确定的窗函数的窗口形状.因此，短时傅立叶变换实质上是具有单一分辨率的分析，必须重新选择窗函数来改变其分辨率.而小波变换是一种时频局部化分析方法，其时间窗和频率窗都可改变，窗口大小固定但其形状可变[6].因此，两者的区别在于短时傅立叶变换只能用来分析缓变信号，但不能精确分析波形变化剧烈的信号.而小波变换能自动调节窗口大小，因此成为电能质量评估方法中应用较为普遍的一种方法.

3.2 小波变换

小波变换在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率，所以被称为“数学显微镜”[7].其可以对多种扰动实现时间定位的优点在电能质量评估中显得尤为重要.但由于小波函数选择的多样化，使得用到的小波函数不同，小波分析的效果也不一样.不同的小波函数分析同一个问题会产生不同的结果，因此如何选择最优的小波函数，在工程应用中也是一个十分重要的问题.

为了在电能质量检测算法中实现电能质量信号的时频分析、突变检测和无失真重构，所选小波函数必须具备正交性、偶对成性，同时在时域和频域中具有短时的支撑集，这样才能对对电压的上升、跌落、畸变等具有很有效的分析作用[8].根据国内外的研究结果，M eyer小波由于其正交性、时域对成性、计算灵活性以及具有线性相位等特点，用来进行电能质量进行评估可以取得较好的效果.

3.3 仿真与分析

3.3.1 仿真结果

对电能质量的干扰主要有电压跌落、电压上升、电压中断、电压畸变、电压瞬变[9].本文以幅值为1的含有不同比例谐波信号的电压信号为例，用M eyer小波变换在M A TL A B中对上述几种情况的电网信号进行仿真分析.其仿真结果如下图所示.

图1 正常电压情况下的小波变换仿真结果

图2 电压跌落情况下的小波变换仿真结果

图3 电压上升情况下的小波变换仿真结果

图4 电压中断情况下的小波变换仿真结果

图5 电压畸变情况下的小波变换仿真结果

图6 电压瞬变情况下的小波变换仿真结果

3.3.2 仿真结果分析

图1-图6中上图为含谐波分量的电压信号，分别表示了正常电压、电压跌落、上升、畸变、中断、瞬变等情况；下图为经过小波变换分解的高频分量图，突变点的时间可以通过其幅值的变化来判断.对各种情况的仿真结果分析如下：

a)图1为经过小波变换后的正常电压的仿真结果.电压是一个标准的的正弦波，其幅值为1，而其对应的高频分量图是一条信号波动很小的近似的直线.因此在正常电压情况下，高频谐波分量对电压信号不会造成任何影响.

b)图2图3图4分别为电压出现跌落、上升、中断变化时，经过小波变换后的仿真结果.设电压在500至750之间的采样点突然发生了变化（电压跌落、上升、中断）.而在对应的高频分量图上产生了两个高频脉冲，其对应位置在500和750这两个采样点上，正好与电压信号发生变化的时间相吻合，说明高频谐波信号在这两个时间点上对此电压信号产生了影响.

c)图5图6为电压突然发生畸变及瞬变时经过小波变换后的仿真结果.图5电压发生震荡畸变的采样点为550，对应的高频分量图上产生了一个高频脉冲其对应位置在550这个采样点上.图6电压同时发生震荡的畸变和三处瞬间的变化，其采样点分别为550，100、250及1000，而对应的高频分量图产生高频脉冲的时间点也与这几个采样点一致.这说明高频谐波信号在相对应的畸变或瞬变时间点上会对此电压信号产生影响.

4 结论

在工程实际中电网电压由于谐波存在而产生的扰动常常出现.例如会受到谐波影响使电压突然跌落或上升；由于网络故障使电压出现中断；由于非线性负载的谐波影响使电压出现瞬态衰减震荡干扰或脉冲干扰.对电网电能质量评估就是对这些干扰进行准确的捕获和定位，并以此来分析电能质量和扰动的原因.通过对各种情况的M A TL A B仿真结果分析，证明了小波分析对电网电压信号谐波检测的准确性.如果能够更准确地分析实际信号的特点，从而选择合适的小波函数，那么基于小波变换的电网电能质量评估将会有更广阔的情景.

[1]谭国贞.基于小波变换的电能质量分析方法的研究[D].重庆：重庆大学，2006.

[2]肖湘宁,徐永海.电能质量问题剖析[J].电网技术，2001 (3):66-69．

[3]肖国春,刘进军,王兆安.电能质量及其控制技术的研究进展[J].电力电子技术，2000,(6):58-60.

[4]吴晓朝,方立新,郭红霞.一种基于小波变换的电能质量特征量提取及分类的方法[J].控制理论与应用,2008,（2）:326.

[5]刘锐.基于小波变换的电能质量扰动的研究[D].厦门：厦门大学，2005.

[6]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2004.

[7]苏变玲.基于小波变换方法的电力暂态和谐波信号检测方法的研究[D].西安：西安电子科技大学，2005.

[8]黄勇.电能质量扰动识别与分类的研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[9]耿玲.基于M eyer小波变换方法的苏州电网电能质量的评估与改善[D].苏州：苏州大学，2008.

EstimateofWaveletTransform Based PowerQualityandMATLABSimulation

HE J un
(S ichuan V ocational and T echnical C ol lege,S uining S ichuan629000)

W ith the rapid de v elopment of po w er mar k et and national economy,the problem of po w er qual ity has caused w idespread concern of al l elect ric po w er depar tments and users o v er the w or ld.T he qual ity of po w er supply is not high w i l l cause interruption in some impor tant production process, leading to the decl ine of indust rial products’qual ity,thus causing serious economic losses.A ccording to the nonstationarity of po w er qual ity disturbing signal,by analy z ing w a v elet t ransform theory,using the characteristic that w a v elet transform can highl ight the local characteristics of signals,this ar ticle analy z es the j udging and locatingmethod of w hich w a v elet transformcan disturb po w er qual ity suchasgrid v ol tage sags and periodic pulse.T he cor responding simulation resul ts sho w that w a v elet t ransformis theef fecti v e w ay to j udgeand locate po w er qual ity disturbing.

P o w er Q ual ity;W a v elet T ransform;V ol tage S ag;S imulation

TM 7

A

1672-2094(2013)01-0142-04

责任编辑：张隆辉

2012-09-20

何 军（1963-），男，重庆万州人，四川职业技术学院电子电气工程系列教授.研究方向：电气自动化.