基于瞬时无功功率理论的电能质量扰动检测、定位与分类方法

魏磊¹，张伏生¹，耿中行²，张柏林¹，李宁¹，刘沛³

(1．西安交通大学电力工程系，陕西省西安市710049；2．空军装备技术部第一研究所，北京100076；3．西安建筑科技大学，陕西省西安市710055)
DETECTION,LOCALIZATIONANDIDENTIFICATIONOFPOWERQUALITYDISTURBANCEBASEDONINSTANTANEOUSREACTIVEPOWERTHEORY

WEILei¹，ZHANGFu-sheng¹，GENGZhong-xing²，ZHANGBai-lin¹，LINing¹，LIUPei-jin³

(1．DepartmentofElectricPowerEngineering，Xi’anJiaotongUniversity，Xi’an710049，ShaanxiProvince，China；2．ResearchCenterforAviationEngineeringandTechnology，Beijing100076China；3．Xi’anUniversityofArchitecture&Technology，Xi’an710055，ShaanxiProvince，China)
ABSTRACT：Aneffectivemethodtodetect,localize,identify,andclassifypowerqualitydisturbanceisproposed.Firstly,thesignalcontainingnoiseisde-noisedbywavelettransformtoobtainasignalwithhighersignal-to-noiseratio.Thenthede-noisedsignalisdifferentiatedtoformadifferencesignalandthedurationandpositionofthedisturbancecanbedetermined.Usingphase-shiftingofthede-noisedsinglephasesignalby-60°toachieveavirtualsymmetricalthreephasevoltagesystemandusingthethreephasevoltagestosubstitutethethreephasecurrents,theinstantaneousactivepowercanbecalculatedbymeansofinstantaneousreactivepowertheory,andthentheamplitudeofinstantaneousvoltagecanbecalculated,therefore,thetypeofthedisturbancecanbeidentifiedbythedurationandamplitudeofthedisturbance.
KEYWORDS：Instantaneousreactivepowertheory；Waveletde-noising；Classifyandidentification；Powerqualitydisturbance；Powersystem

摘要：提出了一种对电能质量扰动进行检测、定位、辨识与分类的有效方法。首先对含有噪声的信号进行小波去噪处理，得到信噪比较高的信号，再对去噪后的信号进行差变处理得到差变信号，通过小波去噪和信号差变法来确定扰动的位置和持续时间。将去噪后的单相电压信号通过移相-60°得到三相电压，并用三相电压代替三相电流，利用瞬时无功功率理论计算出瞬时有功，进而计算出瞬时电压幅值，根据扰动的持续时间和扰动的幅度对扰动类型进行识别。
关键词：瞬时无功理论；小波去噪；分类与识别；电能质量扰动；电力系统
1引言
如何正确分类与识别诸如电压上升(voltageswell)、电压跌落(voltagesag)、瞬时脉冲、瞬时断电、暂态振荡等电能质量扰动，在电能质量研究领域中已越来越受到重视。国内外学者已提出了许多检测方法，其中小波变换尤为突出^[1-4]。
许多文献在采用小波技术解决电能质量扰动识别问题时，多数未考虑噪声的影响；而实际电网中通常含有噪声，这使得小波变换中反应高频信号的前两个尺度往往不能正确提取一些电能质量扰动的特征量，及谐波存在时不能正确确定发生在工频相位0˚或p附近的电压上升与电压跌落的开始时刻与持续时间，因此减少噪声干扰十分必要。
文[5]作者建议在时域分析所有扰动。文[6]在无噪声的情况下在时域分析了扰动信号。时域分析的特点是简单、快捷，但噪声的影响使得分析产生较大的误差。此外，对电能质量扰动的分类需借助于电压幅值的计算，而传统计算幅值的方法速度较慢，采用瞬时无功功率理论计算电压幅值可提高运算速度。本文先采用小波软阈值去噪技术去除测量信号中的噪声，再在时域内鉴别扰动发生的时刻和持续时间。对去噪后的单相电压信号延迟60°可得到三相电压，将三相电流用三相电压代替，进行a–b变换，得到瞬时有功功率，且对变换结果进行简单的数字处理，即可得到与扰动波形相似的变换结果，从中提取信号的特征，从而对电压上升、电压跌落、瞬时断电、暂态振荡、电压短时跌落(voltagedip)、暂态脉冲等扰动类型进行分类。

2采用小波软阈值去噪
电能质量扰动的电压信号不是平稳信号，普通滤波器在滤除噪声的同时可能也将有用的高频信号一并滤除，小波滤波器可很好地解决这个问题。小波变换具有时频分析的能力，可在时域和频域内有效区分信号和噪声。文[7]作者提出的小波软阈值去噪方法近年来得到广泛应用，其去噪效果被证明是有效的。
对一维信号进行去噪处理是小波分析的一个重要应用。一般来讲小波去噪分为以下三个步骤：
(1)选择一个小波并确定小波分解的层数，再对信号进行小波分解。3次B样条小波是对称小波，因而具有线性相位，它在信号分解与重构时可保持信号各频率分量的相位不变，在抑制噪声和提取边缘方面效果较好，本文将分解层数取为3；
(2)对小波分解高频系数进行阈值量化处理。对1-3层的每一层高频系数选择一个阈值进行软阈值量化处理；
(3)进行一维信号的小波重构。根据分解的3层低频系数和经量化处理的1、2、3层高频系数，进行一维信号的小波重构。
三个步骤中的关键是选择阈值和进行阈值量化，由于分解层数较少，本文采用软阈值算法。设某一采集信号为x(n)，其长度为m，对x(n)进行B样条小波变换，小波的分解层数定为3，则得到相应的小波高频系数为d₁、d₂、d₃，低频系数为c₁，软阈值去噪过程为：

4)对处理后的小波系数进行重构，得到去噪后的信号。
设一个含有噪声的纯正弦信号为
x(t)=50sin(100πt) e(t)(1)
式中e(t)为噪声。差变信号为
y(t)=x(t)-x(t-T)(2)
式中T为工频周期。图1为去噪前后的差变信号，为叙述方便，本文图中时间用采样点来描述，采样频率为20kHz。由图1可见，去噪处理提高了差变信号分析扰动时刻、扰动持续时间的准确度，这比小波分析更方便、更准确。3采用瞬时无功功率理论确定电压信号幅值
瞬时无功功率理论可用于谐波和无功电流的检测^[8,9]，本文用来确定电压信号变化的幅度。

式中C_αβ为不含有零序分量的Park变换矩阵P_park在时的值。

三相电压和电流均为正弦波时，即
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