基于小波变换的电能质量分析与远程监测

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.98MB 73 页 15积分
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摘 要
当今，电能质量已日益成为电力部门和电力用户关注的焦点。各种非线性、
谐波丰富、冲击性电力电子设备的大量应用，使得谐波、电压波动和闪变、三相
不平衡等传统的稳态电能质量问题更加恶化；而大量基于计算机系统的控制设备
和电子装置的出现又使瞬时脉冲和突变(transients)、电压骤降(sags)、电压骤升
(swells)、瞬时断电(interruptions)等一些以前未被人们重视的暂态电能质量问题更
加突出，其造成的经济损失在不断增加。因此，电力用户和供电公司对电能质量
的重视程度与日俱增，电能质量的管理和电力污染的治理工作势在必行。
要解决电能质量问题，首先要及时的发现、准确的分析引起电能质量恶化的
事件。现在，对稳态电能质量问题的检测分析已趋于成熟，各式的电能质量分析
仪器都能对谐波、三相不平衡、电压波动和闪变等问题进行检测分析，而对电压
瞬时脉冲和突变、电压骤降骤升以及瞬时断电等暂态电能质量问题的检测分析尚
处于起步阶段，鲜有仪器能对其进行有效的检测。另一方面，对电能质量的监测
也只是在某一电站或变电所的单一监测，而进行远程、在线监测并构成监测网络
的也尚处研究之中。
本文首先系统而简要地介绍了电能质量的基本概念、指标及其分析方法。并
通过各种分析方法的比较，提出了用基于 C语言的小波变换算法来分析电能质量
的暂态问题，并作了大量的仿真实验，证明了这种方法的有效性。
其次，在小波分析方面，最优小波基函数的选取一直是个重要问题，小波基
函数选取的好坏，直接关系到小波变换对暂态电能质量问题的检测效果。本文就
当前应用较多的 Daubechies4 小波和 Meyer 小波在各种电能质量暂态现象中的应用
展开了比较。为工程应用中最优小波基函数的选取提出了参考。
此外，应上海市和能源所提出的对上海市几个大用户实施电能质量远程监测
联网的想法，本文设计了一种基于 MODEM 的电能质量远程监测系统，通过实验
证实了这一系统的可行性。
关键词：电能质量 小波变换 Mallat 算法 小波基函数 远程监测
ABSTRACT
Recently, power quality is increasingly captured considerable attention from both
utility companies and their customers in many countries. The great application of
electric electronics, which is nonlinear, impact and full of harmonics, worsened steady
power quality problems such as harmonics, voltage fluctuation and flicker and
three-phase voltage unbalance. Meanwhile, the appearance of control equipments and
electronic sets based on computers gived prominence to the transient power quality
problems like sags, swells and interruptions. Therefore, it is obligatory to manage and to
solve the power quality problem.
To improve the electric power quality, a monitoring and analyzing system must be
established to detect and analyze power quality disturbances timely and correctly.
Nowadays, various monitoring and analyzing system have put emphasis on steady
power quality problems, but little on transient disturbances. In addition, the
measurement of power quality is limited in one power plant or substation, and the
remote and real-time net monitoring is still under study.
In the thesis firstly the theoretical background of power quality phenomena is
introduced. After comparison several analyzing methods, a wavelet algorithm based on
C language is proposed to analyze transient power qality problems, and a great deal of
emulation experiment have been done to prove the validity of this algorithm.
Secondly, wavelet function optimization is a significant problem in the wavelet
transform area. In this thesis, the Daubechies4 wavelet and Meyer wavelet are compared
in diffirent transient power quality phenomenas.
Finally, to support the idea concieved by Shanghai Government and Energy
Bureau to construct a remote monitoring net covering large utility customers. A power
quality remote monitoring system based on MODEM is designed in the thesis, and the
feasibility of this system is testified by experiment.
Keywords: power quality, wavelet transform, Mallat algorithm,
wavelet function, remote surveillance
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 研究电能质量的意义 ........................................... 1
§1.2 电能质量的基本概念 ........................................... 2
§1.3 电能质量指标及其意义 ......................................... 3
§1.4 电能质量分析方法 ............................................. 7
§1.4.1 基于时域的分析方法 ....................................... 8
§1.4.2 基于频域的分析方法 ....................................... 8
§1.4.3 基于变换的分析方法 ....................................... 9
§1.5 电能质量监测装置的发展现状 .................................. 10
§1.6 本章小结 .................................................... 10
第二章 小波分析理论 ................................................. 12
§2.1 引言 ........................................................ 12
§2.2 小波基函数 .................................................. 12
§2.3 连续的小波变换（CWT） ..................................... 14
§2.4 离散小波变换 ................................................ 15
§2.5 多尺度、多分辨率的思想 ...................................... 16
§2.5.1 函数按频带的逐级剖分 .................................... 16
§2.5.2 函数按空间的逐级剖分 .................................... 16
§2.6 Mallat 算法 .................................................. 18
§2.7 常用的小波函数 .............................................. 20
第三章 小波算法在暂态电能质量分析中的应用 ........................... 23
§3.1 电压骤降的产生原因及其危害 .................................. 23
§3.2 小波分析用于突变信号检测的原理 .............................. 25
§3.3 小波变换对暂态电能质量问题的检测 ............................ 26
§3.4 小结 ........................................................ 39
第四章 Daub4 小波和 Meyer 小波在暂态电能质量检测中的比较分析 ......... 40
§4.1 Daub4 小波和 Meyer 小波的特性 ................................ 40
§4.1.1Daub4 小波 ............................................... 40
§4.1.2 Meyer 小波 .............................................. 41
§4.2 小波滤波器系数的获取 ........................................ 41
§4.2.1 Daub4 小波 .............................................. 41
§4.2.2 Meyer 小波 .............................................. 42
§4.3 Daub4 和Meyer 小波在暂态电能质量检测中的比较 ................ 42
§4.3.1 暂态综合波形的检测 ...................................... 42
§4.3.2 电压瞬时中断的检测 ...................................... 45
§4.3.3 电压骤降的检测 .......................................... 45
§4.3.4 电压骤升的检测 .......................................... 48
§4.3.5 小结 .................................................... 51
第五章 基于 MODEM 的电能质量远程监测系统 .......................... 52
§5.1 通信网络的选择 .............................................. 52
§5.2 系统的组成 .................................................. 53
§5.3 电能质量监测仪的介绍 ........................................ 54
§5.4 MODEM 通信 ................................................55
§5.5 对市电(实验室三相电源)电能质量的分析 ........................ 56
§5.6 本章小结 .................................................... 59
第六章 总结与展望 ................................................... 60
附录 基于 C语言的 Daubechies4 小波算法 ............................. 61
参考文献 ............................................................ 67
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 70
致 谢 ............................................................... 71
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 研究电能质量的意义
在我国国民经济蓬勃发展、电力负荷急剧增加的同时，配电网中各种整流器、
变频调速装置、电弧炉、电气化铁路、轨道交通等负荷容量也不断增长。这些新
型负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性，使得电网的电压、电流波形发生
畸变，或引起电压波动和闪变以及三相不平衡；而大量新型电力电子装置在各行
各业的广泛应用，给现代工业带来节能和能量转换的同时也给配电系统电能质量
造成了严重的污染，成为电力系统中新的主要谐波源。此外电力系统中常见的闪
电电击线路、投切电容器组、短路、断路等各种现象，给配电系统电能质量带来
严重的干扰[1]。
另一方面，现代科学技术的高速发展促使工业生产过程高度自动化和智能化，
这些高技术工业对供电质量要求非常高，许多电子、电力电子设备对供电质量特
别敏感，只能在供电质量达到非常高的条件下才能正常工作[2]。低质量的供电水平
将导致低质的产品质量，特别是在重要的工业生产过程中，供电的突然中断将会
带来巨大的经济损失，对于现代化的化工企业等特殊负荷，短时停电制造系统
(CIMS)则对配电系统中的各种电能质量扰动更敏感，秒级的不正常供电就可引起
制造系统混乱[3]。
在这种情况下，随着广大用户对电能质量问题了解的不断深入，必然会对电
能质量提出越来越高的要求；另一方面随着电力工业市场化进程的不断加快，也
会促使供电部门把对用户服务放到很重要的位置，这就要求供电部门采取措施来
提高供电质量，以满足广大电力用户对电能质量新的要求。
由于电能质量直接关系到国民经济的总体效益，因此人们对电能质量问题的
重视并非近几年的事，只不过过去对此认识并不深入，主要集中在消除谐波、保
证电网频率和电压在一定范围内波动以及提高供电可靠性等方面。近年来，电能
质量暂态问题正日益引起电力工程师们的广泛关注，己经成为电力公司、电力设
备制造商和电力工程师急需解决的问题之一。电力公司为了赢得用户的青睐，希
望能提供质量好的电能，抢占电力市场；电力设备制造商为了延长该公司电器产
品的使用寿命，同样希望电网能提供干扰水平比较小的电能。
电能质量干扰的变化范围很广，从毫秒级的冲击干扰到长期的电压幅值波动。
随着人们电能质量问题的广泛关注，对检测设备提出了特殊的要求，传统的监测
基于小波变换的电能质量分析与远程监测
2
系统主要是针对稳态电压电流，而没有关注到用户设备的电能质量的全部性能指
标。因此，目前迫切需要能对电能质量暂态指标进行检测的电能质量监测系统，
以更好地满足用户的需求。
总之，改善电能质量对于电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学
实验的正常运行以及降低能耗等均有重要意义。合格的电能质量是电力系统安全
稳定、经济运行的必要条件，是电网运行水平高低的重要标志，同时也是用电企
业管理水平考核的重要指标。现代工业对电能质量的要求越来越高，对电压的波
动及各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化，都可能会造成产品质量的下降从
而造成损失。因此电能质量直接关系到相关产业的效益情况，进而影响到国民经
济的总体效益。
§1.2 电能质量的基本概念
一个理想的电力系统是以恒定频率(50Hz)的正弦波形，按规定的电压水平(标
称电压)对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小
相等，相位互差 120o的对称状态。由于系统各元件(发电机、变压器、线路等等)
参数并不是理想线性或是对称的，负荷性质各异且随机变化，加之调控手段的不
完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不
存在，而由此在电网运行、电气设备和用电中产生了各种各样的问题，因而也就
有了电能质量(power quality)的概念。
从普遍意义上讲,电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电能质量的技术含
义还存在着不同的认识，这一方面是由于人们看问题的角度不同，如电力企业可
能把电能质量简单地看成是电压(偏差)与频率(偏差)的合格率，并且用统计数字来
说明电力系统电能 99%是符合质量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统地看
成是否向负荷正常供电；而设备制造厂家则认为合格的电能质量就是指电源特性
完全满足电气设备正常设计工况的需要。
那么，到底什么是电能质量呢？这一研究领域的许多文献和报告中使用过的
相关定义如下:
电压质量 (voltage quality):即用实际电压与理想电压间的偏差，反映供电企业
向用户供给的电力是否合格。此定义虽然能包括大多数电能质量问题，但不能(或
不宜)将频率造成的质量问题包含在内，同时不含用电(电流)对质量的影响。
电流质量 (current quality):即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，
并使电流波形与供电电压同相位，以保证系统以高功率因数运行。这个定义有助
于电网电能质量的改善，并降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的质量
第一章 绪论
3
间题，而后者往往并不总是由用电造成的。
供电质量 (quality of supply):应包含技术含义和非技术含义两部分。技术含义
有电压质量和供电可靠性；非技术含义是指服务质量(quality of service)，包括供电
企业对用户投诉与抱怨的反应速度和电力价格(合理性、透明度)等。须指出，在电
工学中“power”(电力、电功率等)的含义是指能量传输的功率，它与电压和电流的
乘积成正比，因此不可能定义这一物理量的质量概念。实际上供电系统只能控制
电压，而不能控制某一负载汲取电流。当然，系统在实际运行时，电压与电流之
间总是存在着紧密联系，尽管发电机提供了几乎正弦的电压，但通过系统阻抗的
电流可能造成对公共连接点(PCC)电压的扰动。此外系统的运行操作、故障和雷击
等也是电压扰动的原因。从这方面讲，“power quality”不宜使用“电力质量”译名，
宜译为“电能质量”。
IEEE 技术协调委员会已正式采用“power quality”这一术语，并且给出了相应
的技术定义：“合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系
统是均适合于该设备正常工作的”。这个定义的缺点是不够直接和简明。
文献[4]采用的电能质量定义为:“导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电
流或频率偏差”。这个定义较简明，也概括了电能质量问题的成因和后果，当然这
里的“偏差”应广义理解，甚至应包括供电可靠性[5]。
鉴于电能质量的定义五花八门，没有一个统一的定论，很多也不够全面，IEC
标准中给电能质量下了一个较为合适的定义。IEC(1000-2-2/4) 标准对电能质量的
定义如下：电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力
的物理特性。这也是本文中所采用的定义。
§1.3 电能质量指标及其意义
电能质量作为描述供电装置在正常工作情况下不中断、干扰用户使用电力这
一物理特性的术语，包括了很多种电磁现象。为了便于更好地研究电能质量问题，
首先要用专门的术语和标准来描述和衡量相应的电磁现象。为了实现电能质量术
语定义的标准化和规范化，各国的学者和电力工作者做出了长期不懈的努力。在
美国，电气与电子工程师学会的标准协调委员会 22(IEEE SCC 22)为了规范电能质
量标准做出了巨大的贡献。该组织还与国际电工委员会(IEC)以及国际大电网会议
(CIGRE)密切合作，共同致力于电能质量标准的国际化统一性。我国在这一方面也
做了很多工作，自 90 年代以来，陆续制定了一系列的电能质量国家标准，其中包
括：供电电压允许偏差；电压波动和闪变；公用电网谐波；三相电压允许不平衡
度；频率允许偏差；暂时过电压和瞬态过电压。我国电能质量国家标准的具体规
基于小波变换的电能质量分析与远程监测
4
定见表 1-1。
对表 1-1 中电能质量各指标说明如下：
1. 电压偏差(deviation of voltage)
电力系统正常运行的电压偏移。计算公式如下：
)11(%100%
标称系统电压
标称系统电压实测电压
）＝电压偏差（
2. 电压波动和闪变(voltage fluctuation and flicker)
电压波动：相邻两个积分周期内的电压均方根值的两个极值
max
U
和
min
U
之差
U
，常以电压波动率，即
U
相对于标称(额定)电压
N
U
的百分数表示:
)21(%100%100 minmax
NN U
UU
U
U
d电压波动率
闪变：电压波动的结果，即灯光照明不稳定对人的视感产生的反应。闪变不
仅和电压波动有关，而且和波动频率、照明灯具的性能以及人的视感等因素有关。
电压波动和闪变值的大小通常以电压变动频度
r
和电压变动
d
来衡量，其定义如
下：
电压变动频度
：单位时间内电压变动的次数（电压由大到小或由小到大各算
一次变动）。同一方向的若干次变动，如间隔时间小于 30ms，则算一次变动。
电压变动特性
)(td
：电压方均根值变动的时间函数，以系统标称电压的百分数
表示。
电压变动
d
：电压变动特性
)(td
上，相邻两个极值电压之差。
3. 公用电网谐波(harmonics in public supply network)
谐波：对周期性交流量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率的大于 1
的整数倍的分量。电网中谐波的衡量指标有第
h
次谐波电压含有率和电压总谐波畸
变率
u
THD
，其计算公式为：
）（次谐波电压含有率第 31(%)100
1
U
U
HRUh h
h
式中：
h
U
——第
h
次谐波电压（方均根值）；
1
U
——基波电压（方均根值）。
）（电压总谐波畸变率 41(%)100
1
U
U
THD H
u
式中：
2
2
)(
h
hH UU
——谐波电压含量；
1
U
——基波电压（方均根值）。
摘要：

摘要当今，电能质量已日益成为电力部门和电力用户关注的焦点。各种非线性、谐波丰富、冲击性电力电子设备的大量应用，使得谐波、电压波动和闪变、三相不平衡等传统的稳态电能质量问题更加恶化；而大量基于计算机系统的控制设备和电子装置的出现又使瞬时脉冲和突变(transients)、电压骤降(sags)、电压骤升(swells)、瞬时断电(interruptions)等一些以前未被人们重视的暂态电能质量问题更加突出，其造成的经济损失在不断增加。因此，电力用户和供电公司对电能质量的重视程度与日俱增，电能质量的管理和电力污染的治理工作势在必行。要解决电能质量问题，首先要及时的发现、准确的分析引起电能质量恶化的事...

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