CN110531137A - 一种电能质量调节、电压暂变检测方法及动态电压恢复器 - Google Patents

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许丹
李献伟
翟登辉
毋炳鑫
谢卫华
张敬安
王雷涛
王毅
李博
张彦龙
李民
赵中华
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    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/12—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks for adjusting voltage in ac networks by changing a characteristic of the network load

Abstract

本发明提供了一种电能质量调节、电压暂变检测方法及动态电压恢复器，通过采集电网电压信号，选择分解尺度，进行初次小波变换，获取第一设定频率段及第二频率段的小波系数；对第一频率段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；进行第二次小波变换，获取第一、第二频率段分量；对第二频率段分量进行单支重构，确定电压暂变发生的起止时刻；对第一频率段分量进行单支重构，确定基波电网电压暂变幅度信息。采用双小波变换对含有暂变、谐波的电压信号进行检测，利用了小波变换多分辨分析特点和奇异性检测性质，实现谐波和暂变电能质量问题的解耦，抑制噪声影响，完成暂变信号的精确定位，可有效减少时间延迟，降低对电网实时性补偿的影响。

Description

一种电能质量调节、电压暂变检测方法及动态电压恢复器
技术领域
本发明属于电网质量调节技术领域，特别涉及一种电能质量调节、电压暂变检测方法及动态电压恢复器。
背景技术
在过去的几十年，电能质量问题在电力系统中造成了巨大的经济损失，电能质量问题越来越受到科研工作者和工程师的重视。当电力系统中的电流或电压信号受到电能质量问题干扰时，电流或电压信号的幅值和频率成分组成会发生变化。根据不同变化特点，将常见的电能质量问题分为两大类：一种是以幅值变化为主的电能质量问题，如电压暂升、电压暂降和电压瞬时中断等；另一种是以频率变化为主的电能质量问题，如暂态震荡，谐波等。为了降低电力系统的经济损失，我们需要快速、准确的对电能质量问题进行检测和排除。
近年来，随着电力电子技术的快速发展以及计算机和制动化控制设备在工业和社会中大规模应用，人们对供电系统的电能质量提出了更高的要求，电压暂变是电能质量中的主要问题，电压暂变对敏感负荷造成极大危害，因而受到广泛关注，如引起PLC失灵，计算机存储数据丢失等，这些危害将导致巨大经济损失。另外，随着分布式电源的大量接入以及非线性、冲击性负荷的使用对电网质量造成严重影响，使得电能质量呈现多重化和复杂化，因此，需要解决电能质量受到影响的问题。目前，用于电能质量干扰检测的方法主要有时域法和坐标变换法。时域法通过求取差变信号检测电压暂变发生时刻及持续时间；坐标转换法包括短时傅立叶变换、dq坐标变换以及小波变换等。其中小波变换具有良好的暂态信号分析能力，因能够准确识别电压暂变点的特征量而受到研究人员的广泛关注。滤波和去噪是确保电压暂变检测实时和精确的关键。在实际应用中，检测信号的过程中存在的噪声和谐波干扰会影响小波变换检测分析能力，以至于误差增大甚至造成误判，无法满足电能质量实时治理的要求。
如公开号为“CN104502765A”，名称为“一种基于广义形态学开闭和闭开小波变换的电能质量检测方法”的中国专利，该专利的方案首先采集电能质量检测的信号并且进行归一化处理，并将归一化处理后的信号进行第一层广义形态学开闭和闭开小波变换处理，提取陷波和暂态振荡的信号特征，然后再进行第二层和第三层广义形态学开闭和闭开小波变换处理，最后根据处理后的信号特征对电能质量进行判断，采用广义形态学能够使电能质量检测不受外面小脉冲干扰的影响，但是采用广义形态学的计算量比较大，对电能质量检测信号归一化处理的过程中需进行近似分析处理，可能造成电能质量信号的检测不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电能质量调节、电压暂变检测方法及动态电压恢复器，用于解决现有技术中电压质量检测方法计算量大及对电压质量检测不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种电压暂变检测方法，包括如下步骤：
(1)采集电网电压信号，选择分解尺度，对电网电压进行初次小波变换，获取第一频率段及第二频率段的小波系数，所述第一频率段小于所述第二频率段；
(2)对第一频率段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；
(3)对电网电压的基波信号进行第二次小波变换，获取第一频率段分量及第二频率段分量；
(4)对第二频率段分量进行单支重构，确定电压暂变发生的起止时刻；对第一频率段分量进行单支重构，确定基波电网电压暂变幅度信息。
进一步地，在进行初次小波变换时，分解尺度的选择需保证所述第一频率段仅含有基波信息。
本发明还提供了一种电能质量调节方法，包括如下步骤：
1)采集电网电压信号，选择分解尺度，对电网电压进行初次小波变换，获取第一频率段及第二频率段的小波系数，所述第一频率段小于所述第二频率段；
2)对第一频率段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；
3)对电网电压的基波信号进行第二次小波变换，获取第一频率段分量及第二频率段分量；
4)对第二频率段分量进行单支重构，确定电压暂变发生的起止时刻；对第一频率段分量进行单支重构，确定基波电网电压暂变幅度信息；
5)根据所述电压暂变发生的起止时刻以及所述基波电网电压暂变幅度信息对电网电压进行调节。
进一步地，在进行初次小波变换时，分解尺度的选择需保证所述第一频率段仅含有基波信息。
本发明还提供了一种动态电压恢复器，包括检测单元、控制单元及逆变单元，所述检测单元与所述控制单元连接，所述控制单元与所述逆变单元连接；所述检测单元用于采集电网电压信号；所述控制单元用于选择分解尺度，对电网电压进行初次小波变换，获取第一频率段及第二频率段的小波系数，所述第一频率段小于所述第二频率段；对第一频率段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；对电网电压的基波信号进行第二次小波变换，获取第一频率段分量及第二频率段分量，对第二频率段分量进行单支重构，确定电压暂变发生的起止时刻，对第一频率段分量进行单支重构，确定基波电网电压暂变幅度信息，并根据获取的电网电压的基波信号控制逆变单元输出电压暂变补偿信号对电网电压进行调节。
进一步地，在进行初次小波变换时，分解尺度的选择需保证所述第一频率段仅含有基波信息。
进一步地，还包括滤波单元，所述滤波单元用于对电压暂变补偿信号进行滤波。
本发明的有益效果是：
本发明通过采集电网电压信号，选择分解尺度，对电网电压进行初次小波变换，获取第一频率段及第二频率段的小波系数；对第一频率段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；对电网电压的基波信号进行第二次小波变换，获取第一频率段分量及第二频率段分量；对第二频率段分量进行单支重构，确定电压暂变发生的起止时刻；对第一频率段分量进行单支重构，确定基波电网电压暂变幅度信息。采用双小波变换对含有暂变、谐波的电压信号进行检测，利用了小波变换多分辨分析特点和奇异性检测性质，实现谐波和暂变电能质量问题的解耦，抑制噪声影响，完成暂变信号的精确定位，可有效减少时间延迟，降低对电网实时性补偿的影响。
附图说明
图1是本发明动态电压恢复器的系统结构图；
图2是本发明双小波变换检测分析原理图；
图3是消失矩阶数电压暂降检测结果影响示意图；
图4-a是含单次稳态谐波、噪声和暂降信号的分析结果示意图；
图4-b是含稳态谐波、暂态谐波、噪声和暂降信号分析结果示意图；
图4-c是含稳态谐波、暂态谐波、噪声、和暂升、暂降信号分析结果示意图；
图5是基于双小波变换的动态电压恢复器电压暂降治理效果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
本发明提供了一种电压暂变检测方法，包括以下步骤：
(1)采集电网电压信号，选择分解尺度，对电网电压进行初次小波变换，获取第一频率段的小波系数及第二频率段的小波系数；在保证延时特性的基础上，小波函数的消失矩阶数尽可能的大，如小波变换的消失矩阶数需大于第一设定值，以满足小波的基波分析精度需要，其中，第一频率段小于第二频率段，最低频断为第一频率段，最高频断为第二频率段；
(2)对第一频率段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；由于电网电压的基波信号通过小波最低频谐波频率段系数重构所得，信号中不包含谐波和噪声等干扰信息，仅包含暂变信息的电压信号并对第二频率段的小波系数进行单支重构，获取各频率段对应的谐波信息。电网电压的基波信号通过小波最低频谐波频率段系数重构所得，信号中不包含谐波和噪声等干扰信息，仅包含暂变信息的电压信号；采用多尺度分解实现检测，小波变换的分解尺度的选择要适当，能够确保最低频谐波频率段仅含有基波特征信息；
(3)对电网电压的基波信号进行第二次小波变换，获取第一频率段分量及第二频率段分量；
(4)对第二频率段分量进行单支重构，确定电压暂变发生的起止时刻；对第一频率段分量进行单支重构，确定基波电网电压暂变幅度信息。
本发明提供的电能质量调节方法，在上述电压暂变检测的基础上，根据电压暂变发生的起止时刻以及基波电网电压暂变幅度信息对电网电压进行调节。
基于上述电能质量调节方法，本发明还提供了一种动态电压恢复器，动态电压恢复器DVR相当于受控电压源，通过输出反相的扰动电压，以补偿电压暂升、暂降等电压质量问题，以实现电网电压标准化。如图1所示，动态电压恢复器包括检测单元、控制单元及逆变单元，检测单元与控制单元连接，控制单元与逆变单元连接；该动态电压恢复器还包括滤波单元，滤波单元与逆变单元连接，检测单元用于采集电网电压信号，控制单元用于选择分解尺度，对电网电压进行初次小波变换，获取低频段及高频段的小波系数；对低频段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；并对电网电压的基波信号进行第二次小波变换，获取低频段分量及高频段分量；对高频段分量进行单支重构，并进行模极大值检测，生成使能信号，确定电压暂变发生的起止时刻，在暂变发生时控制电压暂变恢复器启动，在暂变结束时控制电压暂变恢复器停止；对低频段分量进行单支重构，与标准电压信号进行对比，生成补偿电压指令信号，并确定基波电网电压暂变幅度信息，采用补偿电压指令信号生成逆变单元驱动信号，控制逆变单元输出电压暂变补偿信号。
如图2所示为双小波变换检测原理图，具体控制流程如下所示：
(1)根据检测的电压信号中所含最高频谐波频率fHmax和最低频谐波频率fHmin，确定分解尺度j与采样频率fs，本实施例以最低频谐波和基波的算术平均值作为最低频谐波频率段边界，可保证最低频谐波频率段仅含有基波特征信息，抑制谐波、噪声等信号的干扰，同时采样频率应满足才采样定理，按下式要求计算出满足条件的fs的最小正数即为采样频率，对应的采样频率与最低频谐波频率段、最高频谐波频率段的对应关系表示为：
分解尺度j与采样频率有密切的关系，分解尺度j表示为：
其中，j为分解尺度，fs为采样频率，fT为最低频谐波频率段的边界。
为了确保最低频谐波频率段仅含有基波特征信息，需保证fb<fT<fHmin，其中，fHmin为最低频谐波的频率，根据经验公式，fT的取值为(fHmin+fb)/2，fb为基波频率；
(2)根据获得的分解尺度等参数，对电压信号进行初次小波变换，分解尺度为j，获取各尺度小波系数A1、A2…Aj，D1、D2…Dj，其中A1、A2…Aj为低频小波系数，D1、D2…Dj为各尺度高频系数；
(3)对各尺度高频小波系数进行单支重构，获取各频段谐波信息，其中，各小波系数与频段对应关系为：
(4)对最低频谐波频率段低频系数Aj进行单支重构，获取含暂降信息的基波信号aj；
(5)对含暂降信息的基波信号aj进行单尺度小波分解，获得高频分量D1′和低频分量A1′；
(6)对高频分量D1′进行单支重构，获得干扰信号的时域信息，进一步进行模极大值检测，确定电压暂降发生的起止时刻；
(7)对低频分量A1′进行单支重构，获取基波电压暂降幅度信息。
需要说明的是，小波函数的选取与小波分析精度和时间延迟密切相关，消失矩阶数是影响小波函数选取的关键参数。为了更清楚的说明，以220V含30％电压暂降的工频信号为例，采用不同消失矩阶数的db小波对信号进行分析，图3所示为消失矩阶数与小波变换的分析误差和时间延迟关系。随着消失矩阶数增加，基波特征信息的分析误差逐渐下降，即分析精度逐渐提高；同时，暂降定位的误差延时逐渐增加。针对本专利提出的双小波变换电压突变检测方法，初次小波变换采用多尺度分解，抑制噪声与谐波的干扰，提取含暂降的基波信息，更关注小波变换分析精度；二次小波变换采用单尺度分解，提取基波信息，进行电压暂降起止时刻定位，更关注小波分析时间误差。本专利对双小波变换分析的小波函数选取给出参考值，建议初次小波变换选取db10小波，二次小波变换选取db20小波。
为了验证双小波变换的电压暂降检测结果，分别从谐波类型(稳态谐波与暂态谐波)和电压突变种类(暂升与暂降)进行仿真分析。
图4-a所示为含单次稳态谐波、噪声和暂降信号的分析结果图。原始信号中基波频率为50Hz，含有噪声、十三次稳态谐波和暂降信息，原始信号如下式所示：
初次小波变换采用db20小波函数进行分析，分解尺度为4，二次小波变换采用db10小波函数进行分析。图中d1、d2、d3、d4以及a4为初次小波变换分析结果，十三次稳态谐波分别分布于d3频段，而含有暂降的基波信号呈现在最低频谐波频率段a4中。进一步，对最低频谐波频率段提取出的电压暂降信号a4进行二次小波变换，并对最高频谐波频率段进行模极大值检测。经双小波检测分析，电压暂降的幅度为20.02％，电压暂降的起止时间分别为0.3997s和0.5992s。
图4-b所示为含稳态谐波、暂态谐波、噪声和暂降信号分析结果图。原始信号中基波频率为50Hz，含有三次稳态谐波、十三次暂态谐波，以及暂降等突变和噪声信息，信号如下式所示：
初次小波变换采用db20小波函数进行分析，分解尺度为4，二次小波变换采用db10小波函数进行分析。图中d1、d2、d3、d4以及a4为初次小波变换分析结果，三次谐波和十三次谐波分别分布于d1和d3频段，其稳态特性和暂态特性在各频段能够很好的呈现，含有暂降的基波信号呈现在最低频谐波频率段a1中。进一步，对最低频谐波频率段提取出的电压暂降信号a1进行二次小波变换，并对最高频谐波频率段进行模极大值检测。经双小波检测分析，电压暂降的幅度为20.01％，电压暂降的起止时间分别为0.3996s和0.5993s。
图4-c所示为含稳态谐波、暂态谐波、噪声、和暂升、暂降信号分析结果图。原始信号中基波频率为50Hz，含有三次稳态谐波、十三次暂态谐波，以及暂降等突变信息，信号如下式所示：
初次小波变换采用db20小波函数进行分析，分解尺度为4，二次小波变换采用db10小波函数进行分析。图中d1、d2、d3、d4以及a4为初次小波变换分析结果，三次谐波和十三次谐波分别分布于d1和d3频段，含有暂降信息的基波信号呈现在最低频谐波频率段a1中。进一步，对最低频谐波频率段提取出的电压暂降信号a1进行二次小波变换，并对最高频谐波频率段进行模极大值检测。经双小波检测分析，电压暂降的幅度为20.01％，电压暂降的起止时间分别为0.3997s和0.5994s。
图5所示为基于双小波变换的动态电压恢复器电压暂降治理效果图。设定电源电压在2s时发生电压暂降，在3s时同时存在5次谐波与暂降，此外，信号还受背景噪声影响。在动态电压恢复器的作用下，电网电压维持在额定值，响应时间小于2ms，误差率低于2％。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电压暂变检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采集电网电压信号，选择分解尺度，对电网电压进行初次小波变换，获取第一频率段及第二频率段的小波系数，所述第一频率段小于所述第二频率段；
(2)对第一频率段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；
(3)对电网电压的基波信号进行第二次小波变换，获取第一频率段分量及第二频率段分量；
(4)对第二频率段分量进行单支重构，确定电压暂变发生的起止时刻；对第一频率段分量进行单支重构，确定基波电网电压暂变幅度信息。
2.根据权利要求1所述的电压暂变检测方法，其特征在于，在进行初次小波变换时，分解尺度的选择需保证所述第一频率段仅含有基波信息。
3.一种电能质量调节方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)采集电网电压信号，选择分解尺度，对电网电压进行初次小波变换，获取第一频率段及第二频率段的小波系数，所述第一频率段小于所述第二频率段；
2)对第一频率段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；
3)对电网电压的基波信号进行第二次小波变换，获取第一频率段分量及第二频率段分量；
4)对第二频率段分量进行单支重构，确定电压暂变发生的起止时刻；对第一频率段分量进行单支重构，确定基波电网电压暂变幅度信息；
5)根据所述电压暂变发生的起止时刻以及所述基波电网电压暂变幅度信息对电网电压进行调节。
4.根据权利要求3所述的电能质量调节方法，其特征在于，在进行初次小波变换时，分解尺度的选择需保证所述第一频率段仅含有基波信息。
5.一种动态电压恢复器，其特征在于，包括检测单元、控制单元及逆变单元，所述检测单元与所述控制单元连接，所述控制单元与所述逆变单元连接；所述检测单元用于采集电网电压信号；所述控制单元用于选择分解尺度，对电网电压进行初次小波变换，获取第一频率段及第二频率段的小波系数，所述第一频率段小于所述第二频率段；对第一频率段的小波系数进行单支重构，获取电网电压的基波信号；对电网电压的基波信号进行第二次小波变换，获取第一频率段分量及第二频率段分量，对第二频率段分量进行单支重构，确定电压暂变发生的起止时刻，对第一频率段分量进行单支重构，确定基波电网电压暂变幅度信息，并根据获取的电网电压的基波信号控制逆变单元输出电压暂变补偿信号对电网电压进行调节。
6.根据权利要求5所述的动态电压恢复器，其特征在于，在进行初次小波变换时，分解尺度的选择需保证所述第一频率段仅含有基波信息。
7.根据权利要求5或6所述的动态电压恢复器，其特征在于，还包括滤波单元，所述滤波单元用于对电压暂变补偿信号进行滤波。
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