基于差值算法的电能质量信号实时检测方法 |
| 2012-08-31 10:27 作者：熊 亮 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网8月31日消息 《硅谷》杂志2012年第14期刊文称，提出一种简单快速的电能质量信号扰动检测方法。该方法利用各个周期电能质量信号间的差值作为输入，结合不同精度的阈值，可以处理电压暂降，暂态脉冲等暂态检测问题及电压偏差、周期陷波等稳态电能质量问题。仿真表明，该方法简单实用，检测准确，弥补常用小波变换方法复杂费时及害怕噪声干扰的缺点，同时也弥补传统差值法对稳态信号检测不足的问题。该算法实时性强，易于在DSP等系统中实现。
电能质量问题主要包括暂态扰动和稳态问题。目前常用的电能质量监测信号扰动判别方法有时域、频域分析，小波变换，S变换等[1]。这些方法设计复杂，实时性差，对硬件要求高，且都存在一定的缺陷[2-5]。电能质量扰动可以认为是50HZ的理想波形叠加了一些非平稳信号，采用变换域的方法不仅复杂费时，而且其频谱还会随时间变换。而时域观测具有简单、直观的优点，且能够克服电压过零点或峰值时易误判的缺点[6]。
扰动信号的检测需要保证高采样率和实时性，因而其算法应尽量简单高效，易于在硬件系统中实现[7]。对于常用的扰动判别，在时域计算比在小波域中要快很多，且算法设计简单。本方所提出的差值算法，不仅可以检测暂态电能质量问题，而且能够检测电压偏差等稳态问题，弥补了传统差值信号方法和小波变换的不足，为DSP的检测研制提供了算法依据。
1电能质量信号暂态扰动检测
对于电压输入信号，差值计算方法是依据电能质量监测信号中相邻两个周波中电压的差值来判断监测信号中是否发生了扰动。当为零时，则说明相邻两个周波完全一样，没有扰动发生。但实际上，由于电力系统生产与传输的特性，几乎不存在为零的一个完整周期。即使不存在扰动，差值信号也会产生波动。因此可以设定一个阈值，常用正常情况下最大幅值的5%为限，当超过这个阈值时，则认为发生了扰动，反之则认为正常。
设采样率为每周波256点，定义正常情况下每个周波的采样信号为一个数据帧，这512个点的数据可以采用向量数组保存，为不同的周期数。这样在实时计算中，每得到一个新的采样值就能计算出对应的差值信号，然后根据设定的阈值进行比较判断。图1为电压监测信号及用差值法得到的实时差值信号，图2为电压振荡暂态时的信号及其差值信号，图中虚线代表的是阈值（5%最大值），当差值信号超过虚线时，表明存在暂态扰动。由图可见，该方法既能实时检测出信号的暂态扰动，又留有裕度，不致因微小变化误判。
2电能质量稳态问题检测
电压是电能质量最重要的指标之一，其中电压偏差是衡量供电系统正常运行与否的一项主要指标。某一节点的电压测量值与系统标称电压之差对系统标称电压的百分数称为该节点的电压偏差，其数学表达式为：
（1）
为电压测量值，为系统标称电压。
根据规定，35KV及以上供电电压的正、负偏差的绝对值之和不得超过标称电压的10%。这个阈值随着电压等级升高而降低。进行分析时，只需在电压数组中取出每个周期的最大电压值，将其绝对值按公式（1）进行计算。这需要在系统存储数组时进行判断和计算，但其计算量并不大，计算精度也要求不高，不会影响装置的实时性和可靠性。
电力电子装置在正常工作情况下，交流换相时会产生周期性的电压扰动，即陷波。对于这类稳态扰动，使用差值算法，计算相邻两点的差值的绝对值，并通过与预先设定的阈值比较来判断是否发生了扰动。计算将在一个数据帧和相邻数据帧中进行，计算量未发生大的变化，存储空间可以减小。阈值的选取可以采用周期取平均值的方法，也可以采用与附近若干个点的模值比较的方法。
3方法比较
FFT算法是对电能质量采样信号进行傅里叶变换，根据运算结果判断信号频谱是否发生变化，进而判别扰动是否发生。其计算精度虽高，但计算量大，易受噪声干扰，同时存在的频谱泄漏问题也可能影响到判别结果。而且由于傅里叶变换缺乏空间局部性，难以确定信号在空间的分布情况。
小波变换是一种时频分析方法，相当于一个低通加带通滤波器。其多分辨率特性使小波变换在不同尺度下具有不同的时频局部化精度，但其计算量通常也很大，不利于在线实时检测。采用不同的小波对分析结果会相差很大，小波基的选取与频带划分，采样率的选取等都存在困难[8]。同时如果信号混入高频噪声，小波分解后的高频系数不存在模极大值，就无法判别扰动是否存在。而对于时域的差值方法，只要阈值选取恰当，就能够准确判断是否有扰动发生，不必采用复杂的分解变换，计算量可以直接取得，同时对各种情况都不会产生误判。
4结论
本文提出了一种在时域进行电能质量信号分析的简便方法，该方法只需要存储计算时域信息，计算方法简单，计算量小，易于DSP等系统编程，十分适合应用于在线实时监测。
作者简介：
熊亮（1985-），男，江西人，硕士研究生，华东交通大学，研究方向：电能质量。（原文载于《硅谷》杂志2012年第14期，硅谷网及《硅谷》杂志版权所有，未经允许禁止转载） |
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