基于統(tǒng)計評價的電壓閃變參數(shù)特征提取

0同步信號檢測法和fft變換能源價格擾動信號的檢測已成為國內外的研究熱點[1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14]。所采用的電壓閃變法包括半波有效值法、單調解調法和整波流補償法。半波有效值檢波是一種平均效果,易受基波電壓和頻率影響。平方解調和全波整流均需設計頻帶嚴格的低通或帶通濾波器,但直流、工頻及工頻諧波的濾波較困難。文提出基于小波多分辨率分解的同步信號檢測法,即在小波域上檢測信號的時間、頻率,并提出了一種同步檢波器,取得了較好的檢測效果;然而需分頻嚴格、能量集中的小波基以提高檢測的精度,現(xiàn)有的小波變換檢測諧波的精度仍有待于進一步提高,必須構造。且需同步信號與載波信號同相位同頻率,否則包絡信號也不準確。本文提出一種利用瞬時無功功率理論結合高精度FFT變換用于電壓閃變有關參數(shù)的計算。該方法除能夠快速提取出閃變包絡外,還能準確地計算出調制信號的幅值、調制頻率和閃變電壓幅值等參數(shù)。對含有高次諧波和噪聲的閃變信號,計算結果也準確。為敘述簡便,假定電壓波形信號已經(jīng)過小波去噪預處理。1[uu][3-],u,1984年AkagiHirofumi提出瞬時無功功率理論。設三相電路為三相三線制,其各相電流、電壓的瞬時值分別為ua、ub、uc和ia、ib、ic,且滿足ua+ub+uc=0,ia+ib+ic=0,則可將其分別變換至兩項正交的α-β坐標系:[iαiβ]=cαβ[iaibic],[uαuβ]=cαβ[uaubuc],(1)[iαiβ]=cαβ???iaibic???,[uαuβ]=cαβ???uaubuc???,(1)并定義瞬時有功功率p和無功功率q為:[pq]=[uαuβ-uβuα][iαiβ],(2)[pq]=[uα?uβuβuα][iαiβ],(2)其中:cαβ=√23[1-12-120√32-√32],cαβ=23√[10?123√2?12?3√2],cαβ為無零序分量θ=0°時Park變換矩陣的值,設均為正弦波的三相電壓和電流為:[uaubuc]=[EsinωtEsin(ωt-2π/3)Esin(ωt+2π/3)],(3)[iaibic]=[ΙsinωtΙsin(ωt-2π/3-φ)Ιsin(ωt+2π/3-φ)]。(4)???uaubuc???=???EsinωtEsin(ωt?2π/3)Esin(ωt+2π/3)???,(3)???iaibic???=???IsinωtIsin(ωt?2π/3?φ)Isin(ωt+2π/3?φ)???。(4)利用式(1)對式(3),(4)進行變換,可得:[uαuβ]=√32E[sinωt-cosωt],[iαiβ]=√32Ι[sin(ωt-φ)-cos(ωt-φ)],代入(2)式中得:p=(3/2)EIcosφ,q=(3/2)EIsinφ,E、I為電壓、電流幅值。2采用時間消耗理論2.1幅值低頻調制試驗閃變通常是指人眼對由一定頻率的電壓波動所引起的照明異常而產(chǎn)生的直觀視覺感受。閃變屬于二次電能質量問題,其影響因素包括電壓波動、照明裝置和人的視覺感受程度。根據(jù)擾動原因不同,閃變有周期性和非周期性之分。本文側重考慮周期性閃變。閃變可看成是對正弦電壓的低頻調制,調制信號頻率范圍從0.5～30Hz,是人眼視覺最為敏感的頻率區(qū)域,可用調幅信號表示為:u(t)=A(t)cosωt=√2U(1+Μa(t))cosωt,(5)式中ω為工頻角頻率;u為電網(wǎng)電壓額定值;M為調頻的幅度,一般取為1%,最高可達10%;A(t)為包絡信號;a(t)為調制信號,取為模擬電弧爐的調制信號:a(t)=∑m1mcosmΩt,式中Ω為調制信號的基波角頻率;m為諧波次數(shù)。閃變?yōu)榈湫偷姆档皖l調制的窄帶信號。基于此可用瞬時無功功率理論獲得電壓閃變的調制信號(包絡信號)。2.2基于數(shù)字濾波器的電壓信號轉換對檢測到的含有諧波量的單相電壓信號處理得三相電壓和電流。設ua(t)=+∞∑k=1Eksin(kωt+φk0),(k≥1),考慮到對稱三相系統(tǒng)中,各相電壓波形相同、相位差120°的特點,只將ua(t)延時60°就得-uc(t),ub(t)=-ua(t)-uc(t)。三相電流用三相電壓代替,即:ua(t)=ua(t),ia(t)=ua(t),ub(t)=-ua(t)-uc(t),ib(t)=ub(t),uc(t)=-ua(t-T/6),ic(t)=uc(t),(T為工頻周期)。用瞬時無功功率原理進行變換。經(jīng)以上處理不需確定相位,減少了三相不平衡帶來的負面影響。利用式(1)、(2)可計算出p和q,因u和i間沒有相位差,即φ=0°,q為0,為分析提供了方便。因ua(t)中含諧波分量,p中除有直流分量外還包含諧波分量,需由濾波提取直流分量計算電壓幅度。因諧波次數(shù)是工頻信號的整數(shù)倍,對于諧波次數(shù)為2k+1(k≥0),由(p(t)+p(t+T/2))/2就可將其濾除。以此為出發(fā)點,借助數(shù)字濾波器的設計思想構造簡單的濾波器,可得到較理想的直流信號p1,計算式為:p1(t)=(1/32)32∑k=1p(t+kΤ/32),經(jīng)過濾波后得到瞬時有功功率p1,其值為:p1(t)=3E(t)2/2,得E(t)=√2p1(t)/3。用該算法計算電壓信號的包絡線很簡便。電壓閃變的包絡信號A(t)攜帶著電壓閃變的幅值和頻率信息,故由本方法求取信號的包絡線來得到A(t),進一步用高精度FFT變換計算出閃變信號的頻率和幅值。高精度FFT算法因用加窗插值方法對FFT進行修正,減少了泄漏,有效抑制了諧波間,或雜波及噪聲的干擾,可精確計算諧波電壓的頻率、幅值及相位。用高精度FFT計算時,取閾值k作為標準,對于幅值<k的分量可忽略。3模擬示例3.1信號et分析依式(5)的閃變調制原理,仿真生成了單純對基波進行調制的閃變。圖1(a)為短時暫態(tài)電壓閃變信號,其表達式為u(t)=A(1+ΜsinΩt)sin2πft,式中A=1V;M=0.1;Ω=6πrad/s;f=50Hz。采樣頻率為3200Hz。圖1(b)為調制信號a(t),根據(jù)瞬時無功功率理論計算出包絡信號E(t)見圖1(d),2個波形對比可看出由瞬時無功功率理論求得的包絡信號和理論值基本一致。利用高精度FFT方法對信號E(t)分析得到調制信號的頻率為3.000Hz、幅值為0.1001V,這樣計算出的結果與數(shù)學模型相一致。從分析結果能夠明顯地看出,采用本文方法分析簡單閃變得到的結果準確、有效。3.2最佳調制信號的參數(shù)電壓信號中往往含有工頻的整數(shù)倍次諧波,對于信號中的諧波必須加以考慮。在3.1節(jié)簡單閃變仿真的基礎上,加入幅值為0.05的3、5、7次諧波,然后再進行調制,調幅信號為:u(t)=(1+ΜsinΩt)4∑i=1Aisin(2πnift),(6)式中:A1=1V;A2=0.05V;A3=0.05V;A4=0.05V;M=0.1;Ω=6πrad/s;f=50Hz;n1=1;n2=3;n3=5;n4=7。采樣頻率為3200Hz。后面的各式計算均用此參數(shù)。圖2給出了含有諧波電壓信號的一小段波形,可見有明顯的諧波畸變,以下算例中諧波電壓信號均如此。瞬時無功功率理論分析的結果見圖3。依瞬時無功功率理論計算出的包絡信號E(t),見圖3(d)。采用高精度FFT方法對信號E(t)進行分析得到調制信號的頻率為3.000Hz、幅值為0.0998V,這與數(shù)學模型相一致。通過和正弦信號的簡單閃變分析對比,可看出不論是標準正弦還是諧波信號發(fā)生閃變,用本方法分析的結果均準確。3.3包絡信號分析在3.2節(jié)閃變仿真的基礎上,調制信號由單一調制變?yōu)橹C波調制,調幅信號為:u(t)=(1+Μa(t))4∑i=1Aisin(2πnift),a(t)=∑m1mcosmΩt,式中計算參數(shù)量同式(6)。瞬時無功功率理論分析結果見圖4。計算出的包絡信號E(t)見圖4(d)。用高精度FFT法分析E(t)得到調制信號的頻率為3.000、9.000、15.000Hz,幅值為0.0998、0.0331、0.0197V,這與理論值基本一致。3.4顯著擾動發(fā)生時段和持續(xù)時間設短時電壓閃變信號為:u(t)=(1+g(t)Μa(t))4∑i=1Aisin(2πnift),a(t)=∑m1mcosmΩt,式中,0.58s<t<2.0s時,g(t)=1,其他時刻g(t)=0;其它參數(shù)量同式(6)。瞬時無功功率理論分析結果見圖5。計算的包絡信號E(t)見圖5(d)。可得較準確的擾動發(fā)生時刻和持續(xù)時間。用高精度FFT方法分析信號E(t)中擾動信號得調制信號的頻率為3.000、9.