电能质量参数检测算法的研究博士学位.doc

博士学位论文电能质量参数检测算法的研究Research on estimating algorithms of power quality indicesbyJIANG YaqunB.E. (Hunan University) 1994M.S. (Hunan University) 2000A dissertation submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofDoctor of EngineeringinElectrical Engineeringin theGraduate SchoolofHunan UniversitySupervisorProfessor HE YigangMay, 2009LXXIII湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日IX博士学位论文摘 要随着国民经济和现代科学技术的飞速发展，电能质量问题正受到越来越多的关注。全面有效的检测和分析是改善和提高电能质量的前提和依据，快速、先进、有效的参数估计算法是实现有效检测和分析的基础。由于电力信号的复杂性和电能质量内涵的扩展性，以及不断提高的测量精度、广度与测量速度的要求，电能质量指标参数测量技术有待进一步发展和提高。本文依据国内外相关电能质量标准，结合电能质量研究现状和工程实际需要，应用数字信号处理技术及电力系统自动化技术，研究电能质量中最重要和最受关注的指标参数的测量理论和估计算法。主要工作包括：1）提出了一种基于自适应短时傅里叶变换的基波参数估计算法，并以此算法为基础计算电压偏差、频率偏差、三相不平衡度和功率因数等基本电能质量参数。算法采用固定的采样周期，采样频率不需随信号频率的变化而调整，实现简单；算法不需要迭代运算，可一次得到参数估计值，计算量小，响应时间快；通过采用矩形自卷积窗，并自适应地确定与信号频率相适应的时间窗宽度，有效抑制了频谱泄漏对基波参数测量的影响，测量精度高。2）根据谐波和间谐波各自的频谱特征，提出了一种新的谐波、间谐波实时检测算法。算法根据正余弦函数的特性，将各次谐波分量变换成直流分量，经由低通滤波后估计其有效值和初相角；从原信号中去除基波和谐波分量，再通过搜寻频谱极大值获取间谐波频率及有效值和初相角。算法实现简单，精度高，动态跟踪特性好，适合于离散频谱电压、电流信号的谐波、间谐波参数实时估计。3）谐波、间谐波和闪变关系密切，但现有谐波、间谐波的检测与闪变的检测实现方法不同且无关联。本文推导了间谐波和调幅波对于闪变的等价关系，在此基础上，将间谐波检测和闪变检测结合起来，根据国家标准和IEC标准的闪变检测技术规范，提出了一种基于间谐波估计的闪变参数检测新算法。新算法除了能求取瞬时视感度、短时间闪变值和长时间闪变值等反映闪变强弱的参数外，还能提供电压波动频度和幅度的信息，有利于电压波动与闪变的分析和治理，为闪变检测提供了一种新的实现模式。4）应用数字图像处理理论，采用图像边缘形态检测算子，实现了暂态电能质量扰动的检测和时间定位。该方法具有实现简单，计算量小，对采样频率要求低，实时性好等特点，可对电压暂降、暂升、短时中断、短时高频振荡、陷波等常见暂态电力扰动进行有效检测。5）减小背景梯度是实现暂态电能质量扰动检测的关键。针对非扰动情况下电力信号周期交替变化引起的背景梯度，提出了基于Top-Hat形态变换的抑制方法，针对噪声引起的背景梯度，构造了合适的形态滤波器，提高了扰动检测的灵敏度。6）提出了基于顺序形态学和Top-Hat形态变换的扰动检测方法，既可有效抑制信号平稳变化引起的背景梯度，又具有较好的抗噪声能力，同时很好地保留了扰动信号突变的局部细节，保证了扰动检测灵敏度和时间定位精度。7）提出了一种改进的单相电压暂降特征参数实时检测算法。通过构造新的变换矩阵，减小了传统方法构造虚拟三相系统的延时，可对单相电压暂降幅值、持续时间和相位跳变等特征参数进行近乎瞬时的估计。分析了单相电压暂降检测时“异动”现象的产生原因，提出了基于形态运算的解决方法。8）提出了一种改进的三相电压暂降检测算法。针对三相不平衡电压暂降，通过正序dq变换和负序dq变换，经由形态低通滤波得到三相电压的基波正序、负序分量，采用改进的单相电压暂降检测算法得到零序分量，进而得到各相电压暂降的特征参数。改进方法实时性好，参数估计精确，满足电压暂降实时检测的要求，可应用于电压暂降监测、评估及动态电压恢复器（DVR）对电压暂降的实时补偿控制。本文提出的电能质量参数估计理论和系列算法，为电能质量实时检测和离线分析提供了有效的工具。仿真研究验证了所提算法的可行性和有效性；算法已成功应用于“基于虚拟仪器技术的电能质量综合测试仪”的研制和开发中。关键词：电能质量；参数估计；数字信号处理；检测；算法AbstractWith rapid development of economy and science technology, power quality (PQ) problems have increasingly become a substantial concern in recent years. Completely and accurately assessing power quality is the first step in solving and mitigating the problems, fast and advanced algorithms are the basis for effective measurement and evaluation.Due to the complexity of power system signal and the variety of power quality event, it is a challenge to detect power quality indices completely, accurately and promptly.In accordance with national and international power quality standard, a systematic and in-depth research about power quality major indices evaluation is carried out based on analyzing domestic and overseas research situations. By use of digital signal-processing methods as well as power system automation techniques, the research works pay more attention to the measurement theories and estimation algorithms of important indices. The main contributions of this dissertation are listed as follows:1）A new digital algorithm based on adaptive Short-Time Fourier Transform (STFT) is presented to estimate some basic power quality indices, such as voltage deviation, frequency deviation, voltage unbalance degree and power factor of fundamental component. The algorithm employs fixed sampling period although the frequency of the signal varies. No recursive calculation is needed to get evaluation values of above mentioned parameters. As a result, the algorithm is easy to implement with less computation burden and short response time. To restrain the spectrum leakage of harmonics, a novel kind of window called Rectangle Self-Convolution Window (RSCW) is adopted and the window length is adjusted according to the frequency variation of the signal. It is thus suitable for real-time measuring with high presicion.2）According to the spectrum characteristics of harmonics/inter-harmonics, an approach is proposed to compute harmonics/inter-harmonics in real time. Considering the characteristic of sine/cosine function, the harmonic component can be transformed into DC component, the rms value and initial phase angle of harmonic then can be got after low-pass filtering. As to inter-harmonics, it is generally considered to be a challenge because the inter-harmonics only have small ratio, it is hard to estimate them accurately. By subtracting fundamental and harmonic components from the original signal, maximum spectrum searching technique is used to compute frequency, rms value and initial phase angle of inter-harmonic. The proposed approach is easy to implement with high precision and good dynamic tracking feature, it suits to estimate harmonic/inter-harmonic parameters of voltage or current signals with discrete spectrum.3）It is known that flicker phenomena are closely related with harmonics and inter-harmonics, but at present, the detection methods of harmonics/inter-harmonics and flicker are completely different. Based on deducing the equivalent relation of inter-harmonic and amplitude modulation wave to flicker, the detection methods of inter-harmonic and flicker are combined. Therefore, according to national and International Electrotechnical Commission (IEC) standard, a new flicker evaluation algorithm is presented based on inter-harmonic estimation. The algorithm can not only compute instantaneous visual acuity, short-term flicker severity index and long-term flicker severity index, but also provide frequency and amplitude imformation of voltage fluctuation, thus, it benefits to analyze and manage voltage fluctuation and flicker. Furthermore, it provides a novel implemental model for flicker detection.4）To detect and locate non-steady-state disturbances, digital image processing theory and image edge morphology detecting method are introduced. The outstanding features of the method are easy implementation, less computing complexity, high time resolution and low demand of sampling frequency, therefore, it can be used to effectively detect common power disturbances such as voltage sag, swell, short-time interruption, short-time high frequency oscillatory, notching , etc.5）Deep analysis reveals that restrain background gradient is the key step for disturbing detection. Based on examining the origin of background gradient, two different methods for restrain background gradient are proposed. One uses Top-Hat morphology transform to restrain the background gradient produced by normal periodic alternation of analyzed signal, the other constructs suitable morphology filters to restrain the background gradient introduced by noises. Thus, the detecting sensitivity can be improved obviously.6）A new disturbing detection method based on order morphology and Top-Hat transform is then presented. It can not only restrain the background gradient produced by steady variation of analyzed signal, but also resist noises while keep the partial details of signals abrupt change. Therefore, it ensures the sensitivity and time locating precision of distrurbing detection. 7）An improved single phase voltage sag dececting algorithm is put forward. A new matrix, which is designed to decrease the phase delay that is unavoidable in traditional fictitious three phase systems, is constructed. The improved algorithm can almost instantaneously quantify the magnitude, duration and angel jump for voltage sag in single phase systems. Since abnormal variation phenomenon presents in the detecting process, a corresponding solving measure is carried out based on morphology calculation.8）As to three phase unbalanced voltage sag, an improved detection method is also presented. After carrying out positive and negative dq transform, morphology low pass filter which possesses the superiority of high accuracy and fast dynamic performance compared with traditional Butterworth filter is used to obtain positive-sequence fundamental component and negative-sequence fundamental component, and the zero-sequence component is obtained by using improved single phase voltage sag detection method, then, voltage sag characteristics can be got easily. The improved method can estimate the sag parameters with high accuracy in real time. Therefore, it is not only efficient for the real-time detection of voltage sag but also effective for the real-time voltage sag control and compensation in dynamic voltage restorers（DVRs）.The purpose of the dissertation is to form an arithmetic system that related to some main power quality problems. It will provide effective theorem basis and algorithms for power quality on-line detection and off-line analysis. The validity of the proposed algorithms has verified by normorous simulations, and the algorithms have been successfully applied in the development of a practical device named the VI-based Electric Parameter Measurement Device. Key words: Power Quality; Parameter Evaluation; Digital Signal Processing; Detection; Algorithm目 录学位论文原创性声明学位论文版权使用授权书I摘 要IIAbstractIV第1章绪 论11.1 课题研究的背景和意义11.2 电能质量及其主要指标参数21.2.1 电能质量概述21.2.2 电能质量标准21.2.3 电能质量分类及主要指标参数31.3 电能质量参数估计理论及算法61.3.1 时域分析方法61.3.2 频域分析方法71.3.3 时频分析方法81.3.4 其它分析方法121.4 本文的研究内容13第2章传统电能质量相关参数的估计算法162.1 引言162.2 基于STFT的工频参数估计算法162.2.1 短时傅里叶变换162.2.2 算法原理172.2.3 窗函数选择192.2.4 窗宽的自适应优化222.3 基本电能质量参数测量的实现及仿真232.3.1 算法实现步骤232.3.2 电压偏差估计232.3.3 频率偏差估计272.3.4 三相不平衡度302.3.5 相角差及功率因数312.4 小结32第3章谐波、间谐波及闪变的检测算法343.1 引言343.2 谐波检测353.2.1 谐波实时检测方法353.2.2 低通滤波器的选择363.2.3 算法仿真分析373.3 间谐波的检测算法403.3.1 算法原理及实现403.3.2 算法仿真分析413.4 闪变的检测423.4.1 电压波动与闪变423.4.2 IEC闪变测量方法433.4.3 间谐波与电压波动、闪变的关系453.4.4 间谐波与电压波动调幅波对于闪变的等值关系463.4.5 基于间谐波的闪变参数估计473.4.6 算法仿真分析503.5 小结52第4章 基于图像边缘处理的暂态电能质量扰动检测534.1 引言534.2 数学形态学及形态滤波器544.2.1 数学形态学基本运算544.2.2 形态滤波器564.3 基于图像边缘检测方法的电能质量扰动检测564.3.1 基于数学形态学的图像边缘检测564.3.2 电力扰动检测574.3.3 方法性能分析594.4 扰动检测方法的改进634.4.1 Top-Hat变换及抑制背景梯度的机理634.4.2 信号去噪的形态滤波器设计644.4.3 改进方法的实现654.4.4 改进方法性能分析654.5 基于顺序形态变换的电压扰动检测684.5.1 顺序形态运算684.5.2 顺序形态边缘检测算子及扰动检测694.5.3 性能分析704.6 小结71第5章 电压暂降特征参数的检测735.1 引 言735.2 基于dq变换的电压暂降检测原理745.3 单相电压暂降的改进检测方法755.3.1 方法原理765.3.2 方法的性能分析775.3.3 “异动”处理及低通滤波795.3.4 仿真及分析795.4 三相电压暂降的改进检测方法845.4.1 三相不平衡电压暂降参数的检测845.4.2 相电压基波分量的计算875.4.3 仿真及分析885.5 小结91结 论93参考文献95致 谢.107附录A 攻读学位期间发表的主要学术论文目录.108第1章 绪 论1.1 课题研究的背景和意义电能的生产和应用是人类历史上最伟大的科学技术成就之一。一个多世纪以来，电力技术的不断发展，电力生产及应用的日益增长，迅速改变了人类社会的生产面貌，也深深影响了人们的生活方式。电力作为目前最清洁和使用最方便的二次能源，在推动社会进步、促进科学技术发展和提高人民生活水平方面发挥着越来越重要的作用；电能作为一种特殊的商品，其质量将对国民经济总体效益和人民生活质量产生越来越大的影响。随着工业规模的扩大和科学技术的发展，国民经济各部门的用电量不断增加，电气化程度越来越高，新工艺、新技术广泛应用于工业生产和人民生活的各个方面，越来越多的用户采用了性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备，电力用户对电能质量（Power Quality）的要求在不断提高。特别是近年来，伴随信息技术的飞速发展，基于计算机系统的控制设备和电子装置投入使用，这些装置对电能质量的要求更为苛刻。任何电能质量问题都可能导致产品质量的下降，甚至工程作业的停顿，给电力用户造成不同程度的损失。与此同时，现代电力系统（Power System）中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管调压及变频调整装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷迅速发展，电网（Power Network）中非线性（Nonlinear）、波动性（Fluctuant）、冲击性（Impulsive）、不平衡性（Unbalanced）负荷（Load）所占比重增大，这些负荷和其它许多新型的电气设备在其运行中会向电力系统注入各种电磁干扰（Electromagnetic Interference, EMI），对电力系统的安全运行和用电设备的正常工作造成的危害与影响不断增加，电能质量问题日益突出，引起电力部门和电力用户的高度重视，促使电力及相关部门采取积极有效的措施来保证电网高质量电能的供应。电能质量的检测和分析（Detection and Analysis）是改善和提高电能质量的前提和依据。只有快速、准确地检测出电力系统中电能质量问题，并对它进行有效的分析，确定问题的类型、范围和产生原因，才能对其进行有效的控制和治理。电能质量指标参数（Indices）是电能质量各方面的具体描述 肖湘宁电能质量分析与控制附M. 北京：中国电力出版社，2004年。电能质量指标参数的测量是电能质量检测的重要内容，也是电能质量深层次分析的基础。通过对电力信号波形的测量分析，提取各项技术指标，可以实时准确地掌握电网的供电和用电状况，便于电网运行状态的自动调节，有利于保障电网的安全、稳定、高质运行；可以及时捕捉各种电能质量扰动，提供扰动幅度和持续时间等信息，便于电能质量补偿装置的设计与实时控制；可以对电网的电能质量水平进行评估，对造成电能质量下降的原因做出分析，为供电部门或电力用户判断和改善电能质量提供依据。同时，电能质量参数的精确检测，也有利于电能合理定价和规范电能消费市场。长期以来，人们不断致力研究更精确、更快速的电能质量指标参数测量方法。由于技术的限制，最初的参数测量多采用模拟技术实现。但随着数字信号处理技术和计算机技术的发展，越来越多的测试仪器应用数字技术实现。数字方式实现相对简单，测量精度也相对精确，已成为电能质量参数测量的主流。但是，由于电力信号的复杂性和电能质量内涵的扩展性，以及不断提高的测量精度、广度与测量速度的要求，电能质量指标参数测量技术仍有待进一步发展和提高。1.2 电能质量及其主要指标参数1.2.1 电能质量概述电能质量，是指通过公用电网供应给用户端的交流电能的品质。为保证安全、经济地输送、分配和使用电能，一个理想的电力系统应以恒定的频率（我国为50Hz）和正弦波形，按规定的电压水平（标称电压）对用户供电，且各个运行参数不受用电负荷特性的影响。在三相交流电力系统中，各相电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差120度的对称状态。用电设备汲取电能应当保证最大传输效率，即功率因数（Power Factor）等于1，各用电负荷之间互不干扰。由于系统各元件（发电机、变压器、线路等）参数并不是理想线性和对称的，加之调控手段的不完善、负荷性质各异且其变化的随机性以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在实际中并不存在，因此就产生了电能质量问题（Power Quality Problem）。电能质量问题可定义为：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，其内容涉及频率偏差（Frenquency Deviation）、电压偏差（Voltage Deviation）、电磁暂态（Electromagnetic Transient）、供电可靠性（Power Supply Reliability）、波形失真（Waveform Distortion）、三相不平衡（Three-phase Unbalance）以及电压波动（Voltage Fluctuation）和闪变（Flicker）等。电能质量是一个抽象的概念，内涵丰富，外延广阔。为了便于开展电能质量工作，需对电能质量问题进行分类，定义相关参数，并制定相应的电能质量标准。1.2.2 电能质量标准 电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理，推广电能质量控制技术，维护供用电双方合法权益的依据。近几十年来，许多工业发达国家已经制定了比较完备的电能质量系列标准。世界各国制定的电能质量标准是不完全相同的，但都在与国际权威组织推荐的标准积极接轨。目前，国际上广泛采用的电能质量标准主要是国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）IEC 61000系列标准和国际电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE）IEEE 115921995标准。IEC 61000系列标准从电磁兼容（Electromagnetic Compatibility, EMC）的角度对电能质量问题进行描述，即电能质量问题基本上属于EMC中的传导低频现象。IEC 61000系列标准 IEC 610002221 (1990). Electromagnetic Compatibility (EMC)-Part 2 Environment. Section 1: Description of the Environment - Electromagnetic Environment for Low-Frequency Conducted Disturbances and Signaling in Public Power Supply System S. 1990.包括6个部分：IEC 6100021总论、IEC 6100022环境、IEC 6100023限值、IEC 6100024试验和测量技术、IEC 6100025安装和抑制导则、IEC 6100026杂项。IEEE 1159工作组从1995年开始研究电能质量，目前制定的电能质量标准有： IEEE 1159电能质量监测的推荐标准 IEEE Std 115921995. IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality S. 1995.、IEEE 1159. 1各种类型电能质量扰动事件的基本监测要求、IEEE1159. 2各种类型电能质量扰动事件的特性分析、IEEE 1159.3电能质量数据交换格式 IEEE Std 1159. 322003. IEEE Recommended Practice for the Transfer of Power Quality Data S. 2003.。我国国家质量技术监督局（原国家标准局）至2003年底，颁布了六项标准 GB 12325 - 2003. 电能质量供电电压允许偏差S. 1990.- GB /T 15945 - 1995. 电能质量电力系统频率允许偏差S. 1995. GB /T 14549 - 1993. 电能质量公用电网谐波 S.1993. GB /T 15543 - 1995. 电能质量三相电压允许不平衡度S. 1995. GB 12326 - 1990. 电能质量电压波动和闪变S.1990. GB /T 18481 - 2001. 电能质量暂时过电压和瞬态过电压S. 2001.（其中两项标准已经修订过），即GB/T 12325-2003电能质量 供电电压允许偏差（修订版）GB 12326-2000电能质量 电压波动和闪变（修订版）GB/T 14549-93电能质量 公用电网谐波GB/T 15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度GB/T 15945-1995电能质量 电力系统频率允许偏差GB/T 18481-2001电能质量 暂时过电压和瞬态过电压此外，相关标准还有：