基于波动负荷功率分析的闪变源判别方法

高云鹏　陈婧　李林　滕召胜　柯盼盼

摘 要：通过建立多闪变源电路等效模型，分析了闪变功率闪变源判别原理，构建了改进能量算子提取电压和电流闪变包络，采用改进FFT谱分析获得闪变包络参数计算闪变功率，基于闪变功率方向和幅值特性实现闪变源定位及其污染评估，提出并建立了基于波动负荷功率分析的闪变源判别方法.仿真分析和实验表明，提出方法能快速有效定位闪变源，准确评估多闪变源的污染程度，判别结果快速准确、误判率低.

关键词：闪变源；闪变功率；改进能量算子；改进FFT；电能质量

中图分类号：TM835.4 文献标识码：A

Abstract： Through the establishment of multi-flicker sources circuit equivalent model， the theoretical background of tracing flicker sources by flicker power was analyzed. To accurately estimate flicker power， the flicker envelope parameters were obtained by using improved Teager-Kaiser energy operator and the improved FFT. The direction of flicker flow was determined by the sign of flicker power， and pollution assessment was achieved with the magnitude of flicker power. The simulation analysis and experiment results show that this approach can trace flicker sources effectively and rapidly and assess the pollution level of different flicker sources accurately. The tracing results are computed fast and correctly and the misdiagnosis rate is reduced.

Key words：flicker source；flicker power；improved energy operator；improved FFT；power quality

电压闪变是电能质量的重要参数，是导致电气设备故障与失效的重要原因[1].随着大功率波动负荷（如电弧炉、轧钢机等）的广泛应用，电网电压波动和闪变问题越来越严重.现有研究主要集中在电压闪变值的检测和计算方面，针对闪变源定位和闪变污染评估研究较少，而快速有效定位闪变源，明确闪变污染责任方，且在多闪变源情况下准确评估各闪变源污染程度，可为实现闪变问题针对性治理提供重要依据[2].

闪变源判别包括闪变源定位和闪变污染评估.针对闪变源的追踪和定位问题，Dan[3]提出基于电流的闪变分离法；文献[4]基于闪变能量在不同电压等级间的传递规律实现闪变源快速定位；文献[5]运用动态向量法建模，通过计算闪变传播系数定位闪变源；文献[6]提出母线电压和各支路电流的相关度系数法；文献[7]从分形角度分析闪变源和非闪变源间差异，提供闪变源定位新思路；文献[8]提出基于多频率S变换得到闪变指数进而采用多层次感知器神经网络定位闪变源的方法.由于在闪变干扰环境检测分析中，恒定负荷的电流也是波动复杂信号[3]，直接影响闪变源判据，且上述方法计算复杂，在线检测分析实现困难.

为实现闪变源快速定位，借鉴谐波/间谐波源判别方法，文献[9]提出基于间谐波功率流向法进行周期性闪变源定位；文献[10]基于电网分析原理提出短路容量和潮流计算的闪变预测算法；依据电压电流有效值关系，文献[11]提出节点电压对负荷电流微分的方法；根据波动负荷引起的闪变电压和电流变化规律，文献[12]提出利用闪变功率特性判别闪变源的方法.为提高闪变功率的计算准确度，国外学者采用平方解波[12]、有效值解波[13]、小波解波[14]和d-q变换[15]等方法，进一步提出了基于闪变功率特性分析的闪变源定位方法.但这些方法在多闪变源同时作用电力系统时，易引起闪变传递的方向误判或干扰程度的评定误差，无法实现闪变干扰源的准确定位和判别.

为实现对多闪变源快速、准确定位和污染责任评估，本文通过建立多闪变源电路等效模型，分析闪变功率判别闪变源机理，构建改进能量算子提取闪变包络，采用Nuttall窗改进FFT频谱校正方法获得准确的闪变包络参数，基于闪变功率方向和幅值的特性分析，实现闪变源快速定位和污染评估.并分别针对单闪变源和多闪变源进行仿真与实验分析，验证了本文提出方法的准确性和有效性.

1 闪变源等效模型

同理可推导电流波动信号的包络参数.

2.3 闪变源定位和多闪变污染评估

多闪变源判别包括闪变源定位和各闪变源污染评估[16]，基于上述改进能量算子改进Nuttall窗改进FFT方法提取电压和电流闪变包络频率、幅值和相角参数，代入式（10）求得闪变功率，通过分析闪变功率的方向和幅值特性，实现多闪变源定位和污染评估.

闪变功率特性分析：

1）闪变功率方向分析.闪变功率的正负表示闪变功率方向.波动负荷位于监测点负荷侧时，电压和电流的包络异相，即闪变功率Pf < 0，闪变功率从负荷侧传递到系统侧，对电路中的波动性负荷作负功；波动负荷位于监测点系统侧时，电压和电流的包络同相，即闪变功率Pf > 0，闪变功率从系统侧传递到负荷侧，对电路中的波动性负荷作正功.由此，根据闪变功率方向可以定位闪变源.

2）闪变功率幅值分析.闪变功率幅值即闪变功率的大小，可用闪变功率的绝对值表示，反应出波动负荷吸收或消耗的波动负荷功率的大小.在同一电压信号输入的各输出支路同时检测闪变功率，若计算得到闪变功率幅值大，则该支路对电网闪变的贡献大；若闪变功率幅值小，则该支路对电网闪变的贡献小.通过追踪各支路闪变功率幅值，分析各支路对电网闪变贡献的程度，评估各支路闪变污染贡献程度.

综上所述，多支路同时存在闪变时，在各支路监测点处同时获得闪变功率，根据闪变功率方向，定位闪变源位于各监测点的系统侧还是负荷侧，根据闪变功率幅值，评估各支路闪变污染贡献程度，实现多闪变源判别和分析.

3 仿真实验与分析

3.1 闪变功率测量结果

为验证本文提出算法测量闪变功率的准确性，设定采样频率为fs = 400 Hz，采样点数N = 2 048，鉴于闪变频率f = 8.8 Hz时，电压波动对照度波动的影响最大[22]，因此，采用该频率下的电压和电流调幅波为例进行仿真，基于本文方法提取闪变电压和电流调制量为20%和0.25%时闪变包络各参数计算得到闪变功率的测量结果分别如表3和表4所示.

在监测点M1-M4处同时采集电压和电流波形数据，采用本文提出的算法同时测量波动负荷功率，获得闪变功率结果如图8所示.

由图8可知，监测点M1，M2和M3处的闪变功率测量结果均小于零，监测点M4处的闪变功率测量结果大于零.仿真结果表明：闪变源位于监测点M1，M2和M3负荷侧，位于监测点M4系统侧，与仿真模型设置一致.其中，监测点M2处闪变功率幅值大于监测点M3处的闪变功率幅值，且M2连接支路闪变污染贡献程度约为M3连接支路的3倍.因此，闪变源位于M2和M3监测点负荷侧，M2和M3连接的支路承担闪变责任，且M2负主要责任.由此可见，基于本文提出方法可以有效实现多闪变源情况下闪变源定位，准确评估各闪变源支路污染程度.

4 结 论

本文在提取电压和电流波形特征过程基础上，通过改进Teager-Kaiser能量算子改进Nuttall窗频谱校正，提出并建立了基于波动负荷功率分析的闪变源判别方法，利用闪变功率特征实现多闪变源判别与污染评估.仿真分析与实验结果表明：改进能量算子电压和电流闪变包络特征提取无需平方根计算，计算量小，包络参数提取快速准确；基于改进能量算子与改进Nuttall窗频谱校正的闪变功率测量结果准确性高，降低闪变源定位的误判率；多闪变源情况下，有效实现多闪变源定位，准确评估各闪变源支路污染程度.

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