基于小波变换的配电网电压暂降的干扰源辨识王克星,宋政湘,陈德桂,王建华,耿英三（西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049）摘要：该文用EMTP建立了一个配电网电压暂降仿真系统，对线路故障引起的电压暂降以及多级电压暂降、变压器投运和感应电动机启动引起的电压暂降进行了原理分析并给出了相应的仿真结果。仿真分析结果表明：电压暂降的电压波形特征是和特定的干扰源相联系的，因此，可以利用它来辨识电压暂降的干扰源。在此基础上，文中提出了基于三次中心B样条小波变换的电压暂降干扰源辨识方法，该方法以电压暂降的电压波形为分析对象，以小波变换的奇异性检测理论为基础，利用B样条小波变换准确地提取了各种电压暂降的波形特征量，并对故障、变压器投运和三相感应电机启动引起的电压暂降做了辨识。仿真试验结果表明该方法简洁可靠，辨识准确性高，抗干扰能力强。
关键词：电压暂降；小波变换；电能质量；辨识；线路故障1引言
电压暂降(Voltagesag)是指供电电压有效值在90％~10％额定值间变化，持续时间从半个周期到1min的电压有效值变化现象^[1]。输配电线路故障、变压器投运、感应电动机启动以及其它启动电流较大的大型负荷接入电力系统时均会引起一定范围的电压暂降。
随着微电子、电力电子和自动化技术的发展，过程控制器、可编程逻辑器件、调速驱动器等设备对电压暂降越来越敏感，使用范围也越来越广，因此对于工业电力用户来说，电压暂降已经逐渐成为主要电能质量问题。另外，电压暂降会导致企业生产率和产品质量下降、制造成本增加，阻碍企业正常的生产计划，同时，对各电力部门来说，由电压暂降引发的客户抱怨以及经济纠纷增多^[2]，会影响其在电力市场环境下的竞争力。文[3]~[5]中对几家大型敏感工业用户调查结果表明：电压暂降会影响各种电子监控设备的正常工作，导致其控制的其它设备失控，从而造成严重的经济损失。
电压暂降问题的解决需要电力部门和用户的通力合作，同时也须得到设备供应商和标准化组织的支持^[6]。从目前采用的电压暂降的治理措施^[2,6,7]来看，主要从干扰源消除、电压暂降传播途径的抑制以及提高用电设备的工作电压范围3个方面进行综合考虑。由于各种治理措施的效果和成本不同，因此，考虑治理措施时必须结合待治理区域的电压暂降综合指标。电压暂降的干扰源辨识是指根据检测到的电压暂降数据特征识别其产生原因，它是电压暂降的重要评价指标之一。准确的干扰源辨识不但有助于评估区域配电系统和选择合理的治理措施，而且可以作为电力市场环境下供电部门、用户以及设备供应商之间协调纠纷的重要依据。
2配电网电压暂降的干扰源分析
2.1电压暂降的仿真系统模型
引起电压暂降的根本原因是线路故障或大型感性负荷启动引起短时线路电流突然增大^[6]几倍甚至几十倍的额定电流，导致邻近变压器电压和公共联接点(PCC)电压，甚至发电机端电压短时下降。电压暂降的发生是随机的，监测点附近的电动机启动、故障均能引起电压暂降，几百公里远的输电线路故障也能引起电压暂降。
图1给出了本文所用的电压暂降仿真系统结构图。这是一个包含110kV输电、10kV配电和0.4kV用电系统的辐射型系统。图中，变压器T₁、T₂采用Y_n/Y型，T₃、T₄采用Y/Y型接线方式，考虑了变压器的铁心饱和特性；线路上F₁、F₂表示故障点(F_P)，M₁、M₄是测量点(M_P)，K₁~K₅表示三相开关；负载端的IM_A、IM_B表示感应电动机。仿真系统的采样频率为1000Hz，因为电压信号本身的特征不明显，且为了减少谐波干扰，所以,文中给出的电压暂降波形仿真结果都是经过滤波后的基波有效值。2.2线路故障引起的电压暂降
线路故障是引起系统中电压暂降的主要原因，它通常由雷电、大风、雨雪等天气因素造成，动物或树枝搭接线路、绝缘差、工程运输活动等也会引起线路故障。故障类型可分为单相、两相、三相接地和两相、三相短路，不同的故障类型会导致不同的三相电压暂降。检测点的电压暂降幅值不但受故障类型的影响，而且也受到变压器接线方式、故障点位置、故障阻抗大小的影响^[8]。
配电网或工厂内部发生的故障一般只在本条支路及邻近支路产生电压暂降，而发生在输电线路上的故障则会引起较大范围的电压暂降。暂降电压波形中的陡降处对应故障的发生，而回升电压对应故障自消除或被保护装置的切除，因此，故障引起电压暂降的持续时间基本和保护装置发现并清除故障时间一致。
由于故障转换、电动机负荷、重合闸等因素的影响，故障引起的暂降波形还会呈现以下几种特征：
（1）故障转换和保护装置动作不同步导致多级电压暂降。图2是单相接地故障转换为两相接地故障的多级电压暂降和相角变化仿真结果，在t₁时刻F₁处发生A相接地故障，t₂时刻故障转换为A、B两相接地故障，t₃时刻故障被清除。图2的相角变化也可以看出两相接地故障会引起相角剧变。图5(a)是断路器相继动作引起的故障相多级暂降电压波形，F₂发生短路故障后，K₄和K₅需要同时开断以切除故障线路，然而实际上K₄和K₅的开断往往并不同步，K₄先开断，改变了原系统结构，故障阻抗变大，因此暂降电压在t₂时刻有所回升，直到K₅也开断，清除整条故障线路；
（2）电动机的转子惯性和再启动将导致暂降波形开始和恢复发生畸变。电压暂降发生时，由于转子惯性，电动机工作于发电机状态，因此暂降电压不会立即降到最小；当故障切除时供电电压恢复，电动机开始加速或重新启动，这时，暂降电压恢复波形会再有一个小的衰减后再恢复；
（3）故障后重合闸操作会引起连续几个电压暂降的发生，文[6]中已经分析了多次电压暂降现象，并建议实际检测中应把重合闸引起的多次电压暂降看作一次电压暂降进行处理。由上述分析可得故障引起的暂降电压波形的典型特征为：电压暂降发生和恢复波形陡；故障期间可有多级电压暂降；突变信号间的电压幅值基本不变；不同的故障类型会引起不同的三相电压电压暂降程度和相角变化。此外，故障时线路电流陡增，随后设备保护动作，这样的设备故障所引起的暂降电压波形也和线路故障引起的电压暂降波形相似。
2.3变压器投运引起的电压暂降
变压器在投运时，由于铁心饱和特性，会在送电端产生数倍于额定电流的涌流，其大小和变压器投运时正弦电压的初相角及铁心剩磁有关。初相角为0°时产生最大的涌流，此时电压暂降程度也最深；相角为90°时，则不会产生涌流。由于变压器投运时三相的初相角始终互差120°，因此，变压器投运引起的电压暂降总是三相不平衡。线圈铜损导致暂降电压的恢复是个逐渐过程，小型变压器的电阻较大，电抗较小，约几个周期就达到稳态；而大型变压器由于电阻较小，电抗较大，因此一般需要几十个周期才能达到稳态^[9]。
图3给出了图1中变压器T₂投运时在监测点M₁测得的电压暂降波形，从图中可以看出三相电压暂降程度是不同的，变压器投运前后系统电压有轻微跌落。基于上述分析可以得到变压器投运引起的暂降电压波形特征：三相电压暂降程度不同；暂降电压逐渐恢复,无突变；暂降电压波形中含有高次谐波。.2.4三相感应电机启动引起的电压暂降
感应电动机是电网中的重要负荷，它在启动时会引起附近区域的电压暂降。感应电动机启动时，初始转子转速为0，定子上产生很大的启动电流，启动电流大小取决于电动机的类型和启动方式，一般是正常工作电流的2~8倍^[9]。启动电流大是引起电[1][2][3][4]下一页