CN116449077B - 基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Wigner‑Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析的方法，根据PT二次侧骚扰电压测量要求，设计开发了可以在特高压GIS变电站现场测量PT二次侧骚扰电压的测量系统，从产生的VFTO波形中给出A、B两组在测量结果中具有代表性的测量波形：A组为隔离开关分闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形，B组为隔离开关合闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形，从多个角度阐述所测量到的PT二次侧骚扰特性，选取性能较优的Wigner‑Ville分布算法来获得PT二次侧骚扰电压的时频特性，对Wigner‑Ville分布进行平滑处理和去交叉项处理，Wigner‑Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析方法可以压缩频率域上所有的频率成分，从而提高频率分辨率，消除交叉项，解决了VFTO对二次设备的电磁骚扰问题，对PT二次侧骚扰电压模型的建立、二次设备的电磁抗扰度测试和电磁兼容防护设计具有一定的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，具体为一种基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法。
背景技术
能源是人类社会发展的推动力，其中电能由于其运输经济安全、转换其他形式能量方便、易于实现机械化和自动化等特点成为当今社会的能源形式。智能变电站作为能源转换和控制的核心组成部分，也是实现风能、太阳能、核能等新能源接入电网的重要支撑。气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)由于其相较传统的敞开式空气绝缘开关设备相比(Air Insulated Switchgear,AIS)具有结构紧凑、运行可靠、占地面积小、易于现场布置、易于维护等优点，在新投入的智能变电站中到了广泛的应用。
在气体绝缘变电站中，电压互感器PT是接入二次设备和二次线缆的端口，通常也是受VFTO电磁骚扰最严重的地方，GIS变电站开关操作产生的VFTO会对二次设备工作的可靠性产生重大的影响。VFTO对二次设备的电磁骚扰问题是GIS变电站电磁兼容设计的关键问题，研究在VFTO激励下PT二次侧的电磁骚扰是研究VFTO对二次设备影响的关键所在。
为了解决以上问题，如公开号为CN106680549A的中国专利公开了一种GIS暂态模拟电磁骚扰源，包括升压变压器U1、电源侧模拟电容C1、断路器、电源侧出线套管A2、球隙、隔离开关、负载侧出线套管A1和负载侧模拟电容；断路器、球隙和隔离开关串接于电源侧出线套管A2和负载侧出线套管A1之间，形成主回路；升压变压器U1的输出端连接电源侧出线套管A2；电源侧模拟电容C1连接电源侧出线套管A2，用于模拟实际变电站电源侧电容值；负载侧模拟电容C2连接负载侧出线套管A1，用于模拟实际变电站GIS出线负载侧电容值。本发明能够模拟GIS中断路器、隔离开关分合过程所产生的暂态电磁骚扰过程、特快速瞬态过电压VFTO过程，以及地电位抬升过程等，能够真实的模拟电子设备所处真实电磁环境，使得测试结果更加真实可靠。
又如公开号为CN102608388B的中国专利公开了一种VFTO的测量方法和系统，涉及电力系统过电压保护技术领域，对VFTO的高频分量采用高分辨率连续采样测量，对VFTO的低频分量中的工频分量采用低分辨率单次采样测量，将VFTO的高频分量和低频分量的测量数据合成得到VFTO全波形。本发明公开的VFTO的测量方法和系统，将VFTO的高、低频分量分开测量，将测量结果合成得到全波形的VFTO，降低了VFTO测量的难度和存储测量结果的存储容量要求，提高了VFTO测量的准确性。
目前，现有PT二次侧骚扰电压的现场测量技术还存在不足之处：第一份专利模拟电磁骚扰源，由于GIS变电站开关操作产生的VFTO对PT二次侧骚扰影响因素多，如GIS变电站的电压等级、GIS变电站布局、采用的电压互感器型号等，难以通过仿真软件去精确计算；第二份专利将VFTO的高、低频分量分开测量，测试方式复杂，且需要其高低频特性都要优异的测量系统，VFTO对二次设备的电磁骚扰问题仍是当前亟需解决的技术问题，现有技术仍有待改进。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，以解决上述问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：开发设计了可以在特高压GIS变电站现场测量PT二次侧骚扰电压的测量装置，通过从产生的VFTO波形中选出A、B两组具有代表性的测量波形，从多个角度阐述所测量到的PT二次侧骚扰特性，采用Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析，具有更高的时频分辨率，并且在尺度域上可以减少能量扩散，提高时频分布的聚集程度。
基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，包含以下步骤：
S1：设计可以在特高压GIS变电站现场测量PT二次侧骚扰电压的测量系统，测量系统由电压探头、衰减器、屏蔽箱、光纤通信模块组成，所述屏蔽箱由示波器、逆变器、锂电池、信号发射器组成；
S2：从产生的VFTO波形中选出A、B两组具有代表性的测量波形：A组为隔离开关分闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形，B组为隔离开关合闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形，图3和图4分别展示了在隔离开关分闸和合闸情况下VFTO激励下电压互感器二次侧全过程骚扰电压波形(宏脉冲)，图5和图6分别展示了在隔离开关合闸和分闸情况下电压互感器二次侧骚扰电压的独立脉冲波形(微脉冲)；
S3：多个角度阐述所测量到的PT二次侧骚扰特性；
S4：Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析：Wigner-Ville分布，它也被称为“时-频能量分布”，Wigner-Ville分布的主要优点是它能够提供高分辨率的时频信息，对于非线性和非平稳信号的时频分析非常有用，Wigner-Ville分布的形式如下：
其中，x(t)表示信号，x*(t)表示x(t)的共轭复数，f表示频率，t表示时间；
S5：对Wigner-Ville分布进行平滑处理：常用的平滑方法是对Wigner-Ville分布进行高斯平滑或移动平均平滑，在Wigner-Ville分布中引入一个窗函数g(τ)，将原信号在时域上平滑，得到平滑后的信号xg(t)，其Wigner-Ville分布可以表示为：
其中，xg(t)表示原信号x(t)和窗函数g(τ)的卷积：
平滑后的Wigner-Ville分布称为平滑Wigner-Ville分布(SWVD)；
S6：对Wigner-Ville分布进行去交叉项处理：Wigner-Ville分布存在交叉项的原因是信号的频率谱密度在时间上的变化，因此可以通过消除信号频率谱密度的时间变化来去除交叉项。方法是对信号进行调频平移，即将信号的频谱向上或向下移动一定的频率，从而消除交叉项，将平滑后的信号向上或向下平移一定的频率Δf，得到平移后的信号XΔf(f)，其Wigner-Ville分布为：
其中，XΔf(f)表示平滑后的信号xg(t)的频谱向上或向下平移Δf后的信号，其频谱为：
XΔf(f)＝X(f-Δf) (5)
进一步的，S1中测量系统是通过衰减器将输入的骚扰电压衰减后再由示波器进行电压测量。
进一步的，S1中测量系统测量的数据通过光纤通信模块传输至远处的屏蔽室，图1为测量系统的原理示意图。
进一步的，S3的具体步骤包括：
S3.1：宏脉冲骚扰电压波形的时域特性：对隔离开关进行合闸操作和分闸操作时PT二次侧产生的宏脉冲分别如图3和图4所示；
S3.2：微脉冲骚扰电压波形的时域特性：从图5和图6可知，VFTO激励下PT二次侧骚扰电压的微脉冲是一个幅值高、频率丰富、持续时间短、非周期的衰减振荡波；
S3.3：微脉冲骚扰电压波形的频域特性：从图7和图8中傅里叶变换的对比结果可以看出，PT二次侧骚扰脉冲幅值高并且频率分量丰富。
进一步的，S3.2中VFTO激励下PT二次侧骚扰电压的微脉冲可达5kV，持续时间约为5μs。
进一步的，S4中Wigner-Ville分布使用一种称为Wigner-Ville变换的算法，它将信号在时间和频率上的变化都表示为一个函数。
进一步的，S4中Wigner-Ville分布具有非常高的时间和频率分辨率，可以精确地反映信号在时间和频率上的变化；
进一步的，S4中Wigner-Ville分布存在多普勒效应和交叉项问题，需要进行平滑和去交叉项处理。
进一步的，S6中信号调频平移前后的频率谱密度在时间上保持不变。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析的方法，根据PT二次侧骚扰电压测量要求，设计开发了可以在特高压GIS变电站现场测量PT二次侧骚扰电压的测量系统，从产生的VFTO波形中给出A、B两组在测量结果中具有代表性的测量波形:A组为隔离开关分闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形，B组为隔离开关合闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形，从多个角度阐述所测量到的PT二次侧骚扰特性，选取性能较优的Wigner-Ville分布算法来获得PT二次侧骚扰电压的时频特性，对Wigner-Ville分布进行平滑处理和去交叉项处理，Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析方法可以压缩频率域上所有的频率成分，从而提高频率分辨率，消除交叉项，解决了VFTO对二次设备的电磁骚扰问题，对PT二次侧骚扰电压模型的建立、二次设备的电磁抗扰度测试和电磁兼容防护设计具有一定的参考价值。
附图说明
图1为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法测量装置原理示意图；
图2为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法技术流程框图；
图3为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法隔离开关分闸时PT二次侧骚扰宏脉冲波形图；
图4为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法隔离开关合闸时PT二次侧骚扰宏脉冲波形图；
图5为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法隔离开关合闸时PT二次侧骚扰首端微脉冲波形图；
图6为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法隔离开关分闸时PT二次侧骚扰末端微脉冲波形图；
图7为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法隔离开关操作分闸时PT二次侧微脉冲的频域特性；
图8为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法隔离开关操作合闸时PT二次侧微脉冲的频域特性图；
图9为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法隔离开关合闸时PT二次侧宏脉冲波形图；
图10为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法隔离开关合闸时PT二次侧微脉冲波形比较图；
图11为本发明基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法PT二次侧微脉冲FFT分析结果比较图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本发明提供一种技术方案：基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析的方法，开发设计了可以在特高压GIS变电站现场测量PT二次侧骚扰电压的测量系统，通过从产生的VFTO波形中选出A、B两组具有代表性的测量波形:A组为隔离开关分闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形，B组为隔离开关合闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形，从多个角度阐述所测量到的PT二次侧骚扰特性，采用Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频，获取PT二次侧骚扰源特性。
参照图2，为本发明采用Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析的技术流程框图，包括以下步骤：
S1:设计可以在特高压GIS变电站现场测量PT二次侧骚扰电压的测量系统：测量系统由电压探头1、衰减器2、屏蔽箱3、光纤通信模块4组成，所述屏蔽箱3由示波器301、逆变器302、锂电池303、信号发射器304组成。该测量系统的原理是通过衰减器2将输入的骚扰电压衰减后再由示波器301进行电压测量，测量的数据通过光纤通信模块4传输至远处的屏蔽室5，所述屏蔽室5由接收机501和PC机502组成，图1为测量系统的原理示意图。
图1中锂电池303和逆变器302组成了示波器301可靠稳定且无电磁干扰的供电电源。衰减器2将输入的骚扰电压衰减了1000倍防止可能输入的高压对后端测量电路造成损坏。屏蔽箱3的引入可以使得测量系统免受一次设备所引发的辐射骚扰，从而对PT二次侧骚扰进行更为准确的测量。测量的结果在屏蔽箱3内进行光电转换通过光纤通信模块4传输到位于屏蔽室5中的接收机501上。
S2:从产生的VFTO波形中选出A、B两组具有代表性的测量波形：由于隔离开关合分闸过程是一个触头间隙不断击穿的暂态过程，产生的VFTO波形是一个由独立的脉冲构成的脉冲群。在VFTO的波形测量领域，独立的脉冲波形通常称为微脉冲波形，构成整个暂态过程的微脉冲波形称为宏脉冲波形。由于测量的数据较多，本发明中选择了A、B两组在测量结果中具有代表性的测量波形：A组为隔离开关分闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形(图3所示)，B组为隔离开关合闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形(图4所示)。图3和图4分别展示了在隔离开关分闸和合闸情况下VFTO激励下电压互感器二次侧全过程骚扰电压波形(宏脉冲)，图5和图6分别展示了在隔离开关合闸和分闸情况下电压互感器二次侧骚扰电压的独立脉冲波形(微脉冲)。其中，图3和图4中的H和M分别表示脉冲群(宏脉冲)中最高幅值的微脉冲和幅值稍低的微脉冲。图7和图8分别展示了图3和图4中隔离开关分闸与合闸时，PT二次侧指定微脉冲(H与M)的频域特性对比。
S3:多个角度阐述所测量到的PT二次侧骚扰特性：
S3.1:宏脉冲骚扰电压波形的时域特性：对隔离开关进行合闸操作和分闸操作时PT二次侧产生的宏脉冲分别如图3和图4所示。可以看出微脉冲间的时间间距不等，脉冲出现的最大频率为约1kHz，宏脉冲的持续时间约为120ms到170ms。微脉冲峰峰值最高约为9.65kV。对比图3和图4可知随着隔离开关逐渐合闸，触头间隙逐渐减小，隔离开关触头间的击穿电压不断降低，微脉冲的峰峰值逐渐减小至0。对隔离开关进行分闸操作时，这种情况正好相反，微脉冲的峰峰值随时间不断增大逐渐，直至整个暂态过程结束。
S3.2:微脉冲骚扰电压波形的时域特性：从图5和图6可知，VFTO激励下PT二次侧骚扰电压的微脉冲是一个幅值高(可达5kV)、频率丰富、持续时间短(约为5μs)、非周期的衰减振荡波。
S3.3:微脉冲骚扰电压波形的频域特性：从图7和图8中傅里叶变换的对比结果可以看出，PT二次侧骚扰脉冲幅值高并且频率分量丰富。频率分量主要处于1MHz到100MHz之间，本发明中所测得的PT二次侧骚扰主频为7.8MHz。当隔离开关合闸开关间隙较大时，需要更高的击穿电压，此时对应的PT二次侧骚扰首脉冲幅值最高。图7对比傅里叶频谱可知首脉冲H的频率分量相对于末端处微脉冲M的频率分量更为丰富。通过图8对比合闸时PT二次侧骚扰电压的傅里叶频谱可知，隔离开关分闸过程中触头间隙较大时产生的PT二次侧骚扰电压幅值更高、频率成分也更丰富。
由于测量结果具有随机性，本发明给出了B组隔离开关合闸时的PT二次侧骚扰电压测量结果。宏脉冲波形如图9所示，其中微脉冲的最低幅值低于-10kV是所有测试结果中最低幅值；图10可以看出更高幅值的微脉冲波形的持续时间也更长；图11验证了上述S3.3中的分析，PT二次侧共模骚扰电压幅值越高，频率成分也越丰富。
S4:Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析。Wigner-Ville分布使用一种称为Wigner-Ville变换的算法，它将信号在时间和频率上的变化都表示为一个函数。Wigner-Ville分布的形式如下：
其中，x(t)表示信号，x*(t)表示的共轭复数，f表示频率，t表示时间。
S5:对Wigner-Ville分布进行平滑处理，从而得到更加准确的时频信息。一种常用的平滑方法是在Wigner-Ville分布中引入一个窗函数g(τ)，将原信号在时域上平滑，得到平滑后的信号xg(t)，其Wigner-Ville分布可以表示为：
其中，xg(t)表示原信号x(t)和窗函数g(τ)的卷积：
S6:对Wigner-Ville分布进行去交叉项处理：Wigner-Ville分布存在交叉项的原因是信号的频率谱密度在时间上的变化，因此可以通过消除信号频率谱密度的时间变化来去除交叉项。一种常用的方法是对信号进行调频平移，即将信号的频谱向上或向下移动一定的频率，使得信号的频率谱密度在时间上保持不变，从而消除交叉项。
去交叉项处理的方法是将平滑后的信号向上或向下平移一定的频率Δf，得到平移后的信号XΔf(f)，其Wigner-Ville分布为：
其中，XΔf(f)表示平滑后的信号xg(t)的频谱向上或向下平移Δf后的信号，其频谱为：
XΔf(f)＝X(f-Δf) (5)
然后，将平移后的信号XΔf(f)代入Wigner-Ville分布的公式中，得到去交叉项后的Wigner-Ville分布。
处理后的Wigner-Ville分布算法能够消除交叉项，此时频变换方法时间分辨率和频率分辨率较高，具有更强时频聚集性，更能够较为准确反映各频率分量随时间变化的特性，适合分析VFTO所引发PT二次侧电磁骚扰的时频特性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，其特征在于：开发设计了可以在特高压GIS变电站现场测量PT二次侧骚扰电压的测量装置，通过从产生的VFTO波形中选出A、B两组具有代表性的测量波形，从多个角度阐述所测量到的PT二次侧骚扰特性，采用Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析，具有更高的时频分辨率，并且在尺度域上可以减少能量扩散，提高时频分布的聚集程度；
基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，包含以下步骤：
S1：设计可以在特高压GIS变电站现场测量PT二次侧骚扰电压的测量系统，测量系统由电压探头(1)、衰减器(2)、屏蔽箱(3)、光纤通信模块(4)组成，所述屏蔽箱(3)由示波器(301)、逆变器(302)、锂电池(303)、信号发射器(304)组成；
S2：从产生的VFTO波形中选出A、B两组具有代表性的测量波形：A组为隔离开关分闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形，B组为隔离开关合闸时的PT二次侧骚扰电压测量波形；
S3：多个角度阐述所测量到的PT二次侧骚扰特性；
S4：Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压波形进行时频分析：对于非线性和非平稳信号的时频分析非常有用，Wigner-Ville分布的形式如下：
其中，x(t)表示信号，x*(t)表示x(t)的共轭复数，f表示频率，t表示时间；
S5：对Wigner-Ville分布进行平滑处理：平滑方法是对Wigner-Ville分布进行高斯平滑或移动平均平滑，在Wigner-Ville分布中引入一个窗函数g(τ)，将原信号在时域上平滑，得到平滑后的信号xg(t)，其Wigner-Ville分布可以表示为：
其中，xg(t)表示原信号x(t)和窗函数g(τ)的卷积：
平滑后的Wigner-Ville分布称为平滑Wigner-Ville分布，即SWVD；
S6：对Wigner-Ville分布进行去交叉项处理：Wigner-Ville分布存在交叉项的原因是信号的频率谱密度在时间上的变化，因此可以通过消除信号频率谱密度的时间变化来去除交叉项，方法是对信号进行调频平移，即将信号的频谱向上或向下移动一定的频率，从而消除交叉项，将平滑后的信号向上或向下平移一定的频率Δf，得到平移后的信号XΔf(f)，其Wigner-Ville分布为：
其频谱为：
XΔf(f)＝X(f-Δf) (5)
其中，XΔf(f)表示平滑后的信号xg(t)的频谱向上或向下平移Δf后的信号。
2.根据权利要求1所述的基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，其特征在于：S1中测量系统是通过衰减器(2)将输入的骚扰电压衰减后再由示波器(301)进行电压测量。
3.根据权利要求2所述的基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，其特征在于：S1中测量的数据通过光纤通信模块(4)传输至远处的屏蔽室(5)。
4.根据权利要求3所述的基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，其特征在于：S3的具体步骤包括：
S3.1：宏脉冲骚扰电压波形的时域特性：研究对隔离开关进行合闸操作和分闸操作时PT二次侧产生的宏脉冲；
S3.2：微脉冲骚扰电压波形的时域特性：VFTO激励下PT二次侧骚扰电压的微脉冲是一个幅值高、频率丰富、持续时间短、非周期的衰减振荡波；
S3.3：微脉冲骚扰电压波形的频域特性：PT二次侧骚扰脉冲幅值高并且频率分量丰富。
5.根据权利要求4所述的基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，其特征在于：S3.2中VFTO激励下PT二次侧骚扰电压的微脉冲可达5kV，持续时间约为5μs。
6.根据权利要求5所述的基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，其特征在于：S4中Wigner-Ville分布使用一种称为Wigner-Ville变换的算法，它将信号在时间和频率上的变化都表示为一个函数。
7.根据权利要求6所述的基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，其特征在于：S4中Wigner-Ville分布具有非常高的时间和频率分辨率，可以精确地反映信号在时间和频率上的变化。
8.根据权利要求7所述的基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，其特征在于：S4中Wigner-Ville分布存在多普勒效应和交叉项问题，需要进行平滑和去交叉项处理。
9.根据权利要求8所述的基于Wigner-Ville分布算法对PT二次侧骚扰电压进行时频分析方法，其特征在于：S6中信号调频平移前后的频率谱密度在时间上保持不变。
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