基于多分辨率分析的暫降事件仿真研究

基于多分辨率分析的暫降事件仿真研究

0暫降源相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置電壓降是系統(tǒng)中的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。由于短路故障、異步電動(dòng)機(jī)的頻繁啟動(dòng)和功率輸出，電壓降至最低。近年來(lái),電力電子設(shè)備和微處理器設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用,這些設(shè)備對(duì)暫降特別敏感,導(dǎo)致設(shè)備損壞與誤動(dòng)作,造成很大經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于電力部門來(lái)說(shuō),由電壓暫降引發(fā)的用戶損失增多,從而造成的經(jīng)濟(jì)糾紛增多。電壓暫降源的定位問(wèn)題,對(duì)于電能質(zhì)量故障檢測(cè)診斷、經(jīng)濟(jì)責(zé)任的區(qū)分、賠付和緩和措施的制定是十分必要的。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)暫降源定位進(jìn)行了一定的研究,其中文獻(xiàn)最早提出從擾動(dòng)功率和擾動(dòng)能量角度判斷暫降源相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置;文獻(xiàn)基于小波變換定位擾動(dòng)起始時(shí)刻,通過(guò)瞬時(shí)功率定位擾動(dòng)源;文獻(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)有功能量和無(wú)功能量的變化來(lái)判斷;文獻(xiàn)通過(guò)線路上安裝的繼電器獲得暫降前后的阻抗和相角變化判斷暫降源的位置,該方法的局限性在于故障發(fā)生的位置等因素影響繼電器的指示失誤;文獻(xiàn)根據(jù)暫降發(fā)生前后的等效阻抗實(shí)部和虛部的正負(fù)情況判斷暫降源的位置,該方法的難點(diǎn)在于對(duì)暫降前后的測(cè)量周期的選擇會(huì)影響結(jié)果的正確性;文獻(xiàn)用最小二乘法對(duì)暫降期間的基頻電壓幅值與功率因數(shù)的乘積(|Ucosθ|)和基頻電流幅值(I)數(shù)據(jù)擬合成的直線斜率判斷,但該方法對(duì)于不對(duì)稱故障的判別上準(zhǔn)確性不高。鑒于能量分析法直接利用監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓電流波形計(jì)算,受系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)影響小,具有普遍適應(yīng)性,本文從暫降期間監(jiān)測(cè)點(diǎn)能量的流動(dòng)進(jìn)行研究。值得注意的是,電力系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)中的監(jiān)測(cè)信號(hào)含有大量的現(xiàn)場(chǎng)背景噪聲,另一方面隨著非線性用電負(fù)荷的增多,向系統(tǒng)注入諧波電流使得公共連接點(diǎn)的波形畸變情況嚴(yán)重,并產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾,這些都會(huì)影響監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)暫降源的判斷,而以往的文獻(xiàn)沒(méi)有考慮到這一點(diǎn)。本文基于以時(shí)-頻局部化見(jiàn)長(zhǎng)的小波多分辨率分析方法計(jì)算暫降期間三相瞬時(shí)功率信號(hào)能量相對(duì)相同時(shí)間下穩(wěn)態(tài)情況下的變化,以低頻能量在暫降期間的變化極性來(lái)判斷暫降源相對(duì)于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置。本文用PSCAD建立了暫降仿真模型,對(duì)這三種典型暫降事件分別應(yīng)用本文的方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。1能量定位方法的分析1.1異步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)暫降現(xiàn)象分析當(dāng)輸配電系統(tǒng)中發(fā)生短路故障、異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)以及變壓器投運(yùn)等事件時(shí),均可引起電壓暫降。發(fā)生短路時(shí),由于電源供電回路阻抗的減小以及突然短路時(shí)的暫態(tài)過(guò)程,使短路回路中短路電流值大大增加,從而引起電網(wǎng)中電壓下降;異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)需要從電源汲取的電流值為滿負(fù)荷時(shí)的500%~800%,這一大電流流過(guò)系統(tǒng)阻抗時(shí),會(huì)引起電壓下降;變壓器投運(yùn),鐵心飽和特性,會(huì)在送電端產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的涌流,導(dǎo)致投運(yùn)前后系統(tǒng)電壓短時(shí)跌落。通過(guò)以上分析可以看出,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生暫降時(shí),可以將暫降源看作是從系統(tǒng)吸收能量。暫降發(fā)生時(shí),有能量流向故障處,因此,可以通過(guò)研究電網(wǎng)中瞬時(shí)能量的流動(dòng)達(dá)到定位目標(biāo)。1.2電壓暫降源的定位一般來(lái)說(shuō),電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)是用戶與電力部門的共同需要,監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以向雙方提供客觀真實(shí)的資料。監(jiān)測(cè)點(diǎn)往往是公共連接點(diǎn),如變電站母線、系統(tǒng)和用戶連接點(diǎn)處等,通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄的瞬時(shí)三相電壓電流波形可計(jì)算出三相瞬時(shí)功率p(t),如式(1)。因此電壓暫降源的定位可通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)能量變化參考監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置相對(duì)判斷。具體來(lái)說(shuō),如圖1所示,可以參照基波有功潮流的方向,如果故障發(fā)生在監(jiān)測(cè)裝置的后方,稱為上游方向;如果故障發(fā)生在監(jiān)測(cè)裝置的前方,稱為下游方向。當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)暫降期間的能量與相同時(shí)間穩(wěn)態(tài)下的能量比較,若有減少說(shuō)明暫降源在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上游方向,反之則在下游方向。2小波多分辨率分析與評(píng)價(jià)2.1小波分解t小波變換分析法由于其良好的時(shí)—頻局部化特性,能夠很好地處理微弱或突變信號(hào),適合用于暫態(tài)電能質(zhì)量的分析。多分辨率概念由S.Mallat和Y.Meyer于1986年提出,將此前所有的正交小波基的構(gòu)造統(tǒng)一起來(lái),并給出了正交小波的快速算法即Mallat算法。多分辨率分析是建立在函數(shù)空間概念上的理論,即將信號(hào)空間劃分到不同的尺度空間,每個(gè)空間對(duì)應(yīng)著不同的頻率空間。平方可積函數(shù)可以看成某一逐級(jí)逼近的極限情況,每級(jí)逼近都是用某一低通平滑函數(shù)Φ(t)對(duì)函數(shù)做平滑結(jié)果,在逐級(jí)逼近時(shí)平滑函數(shù)Φ(t)也做逐級(jí)伸縮,即用不同分辨率分析函數(shù)。以三層多分辨率分解為例,其小波分解如圖2:其中S表示信號(hào),A表示低頻,D表示高頻。從圖2中可以看出,多分辨率分析只是對(duì)低頻部分進(jìn)行進(jìn)一步分解,而高頻部分不予考慮。分解具有關(guān)系:S=A3+D3+D2+D1。如果要進(jìn)行下一步的分解,則可以把低頻部分分解為低頻部分A4和高頻部分D4,以下分解以此類推。任意信號(hào)x(t)∈L2(R)可用多分辨率公式分解為:右邊第一部分是信號(hào)x(t)在尺度空間的投影,它是信號(hào)的平滑逼近,分解系數(shù)cJ(k)稱為離散平滑逼近,ΦJ,k(t)稱為尺度函數(shù);第二部分是信號(hào)在小波空間的投影,反映了鄰近尺度兩個(gè)平滑逼近的細(xì)節(jié)差異,也就是對(duì)信號(hào)所做的細(xì)節(jié)補(bǔ)充,分解系數(shù)dj(k)稱為離散細(xì)節(jié)信號(hào)即小波變換系數(shù),ψj,k(t)是具有帶通性質(zhì)的小波函數(shù),將小波變換與多分辨率分級(jí)聯(lián)系起來(lái)。Mallat算法是根據(jù)相鄰二尺度空間的尺度函數(shù)和小波函數(shù)的基本關(guān)系得到小波分解快速算法,如式(3)、(4):式中,h0(k)和h1(k)分別為低通數(shù)字濾波器單位取樣響應(yīng)和高通數(shù)字濾波器取樣響應(yīng)。2.2低頻能量的計(jì)算多分辨率分析的主要特征之一是不同分辨率的小波系數(shù)能量代表不同頻帶的原信號(hào)能量。根據(jù)Parseval定理,利用尺度函數(shù)和小波函數(shù)的正交性質(zhì),原信號(hào)能量可分為各尺度下子頻帶的能量之和,由各個(gè)分解尺度上的高頻、低頻系數(shù)計(jì)算,如式(5)、(6)所示:上式右邊第一部分是低頻信號(hào)能量。本文對(duì)暫降前后幾個(gè)周期監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的三相瞬時(shí)功率信號(hào),進(jìn)行多分辨率小波分析,計(jì)算其低頻信號(hào)能量,并與相同時(shí)間內(nèi)擾動(dòng)前三相瞬時(shí)功率的低頻能量對(duì)比,作為判斷的依據(jù)。對(duì)大多數(shù)信號(hào)來(lái)說(shuō),低頻部分更重要,它包含信號(hào)特征和變化趨勢(shì),采用低頻信號(hào)能量作為判據(jù)可以消除噪聲和高頻諧波對(duì)判斷的干擾。設(shè)暫降期間的信號(hào)低頻能量為E,穩(wěn)態(tài)時(shí)相同時(shí)間的低頻能量為E0,ΔE=E-E0,ΔE反映了暫降期間能量相對(duì)于穩(wěn)態(tài)時(shí)的變化值,判據(jù)為:若暫降期間ΔE為負(fù),則暫降源在該監(jiān)測(cè)點(diǎn)后方;反之,則在監(jiān)測(cè)點(diǎn)前方。3模擬測(cè)試3.1監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓電流波形圖3給出了本文所用的電壓暫降源定位的仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,其中M1-M5是設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn),本文采用PSCAD對(duì)典型暫降源如短路故障、變壓器投運(yùn)和異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)仿真,得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電壓電流波形。3.2時(shí)間分辨率好小波基函數(shù)的選擇是小波應(yīng)用的關(guān)鍵,選擇小波基時(shí),考慮時(shí)頻兩域的緊支撐性尤為重要,db小波具有正交、時(shí)頻緊支撐、高正規(guī)性等特點(diǎn),因此在電力系統(tǒng)中推薦用db小波,db4小波相對(duì)于其他小波,具有最短的時(shí)窗,具有更好的時(shí)間分辨率。本文采用db4正交小波對(duì)信號(hào)進(jìn)行6層分解,信號(hào)采樣率fs為4kHz,各層信號(hào)頻帶:信號(hào)的多分辨率分析及信號(hào)能量的計(jì)算用Matlab軟件完成。3.3本文方法結(jié)果(1)110kV架空線路l上分別設(shè)置三相對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障,圖4、圖5分別是監(jiān)測(cè)點(diǎn)M5在對(duì)稱故障和非對(duì)稱故障情況下暫降期間的三相瞬時(shí)功率變化情況。從圖中可以看出,若僅僅靠功率的方向來(lái)判斷暫降源,如果沒(méi)有精確定位暫降的發(fā)生時(shí)間,有可能判斷錯(cuò)誤(如圖5)。應(yīng)用本文方法計(jì)算,觀察各監(jiān)測(cè)點(diǎn)能量變化情況,如圖6、圖7所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出,與穩(wěn)態(tài)相比ΔE均減小,根據(jù)本文方法判斷,故障發(fā)生在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)后方即上游方向,與仿真情況相符合。(2)10kV架空線路l1上分別設(shè)置三相對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障,表1是暫降期間,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)能量與穩(wěn)態(tài)對(duì)比時(shí)的變化量ΔE,根據(jù)表1數(shù)據(jù),M1與M5有能量流進(jìn),其余點(diǎn)能量均減少,用本文方法判斷,暫降源在M1前方,M2后方,與仿真試驗(yàn)一致。(3)400V負(fù)載1的配電線路上分別設(shè)置三相對(duì)稱故障和不對(duì)稱故障,圖8、圖9是各監(jiān)測(cè)點(diǎn)能量流動(dòng)情況,兩幅圖的各點(diǎn)變化趨勢(shì)相似。從圖中可以看出,M1、M2、M5能量有增加,M3和M4能量幾乎不變化,判斷暫降源在M2的前方,與仿真實(shí)驗(yàn)符合。3.4資產(chǎn)運(yùn)行變壓器T3投運(yùn),圖10是各監(jiān)測(cè)點(diǎn)暫降與穩(wěn)態(tài)能量比較圖。從圖10的結(jié)果判斷,暫降源在M5前方,M1,M2后方,與仿真試驗(yàn)一致。3.5暫降源位置的影響如圖2所示的異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng),能量變化如圖11所示。從圖11的結(jié)果可看出,M3,M5能量有增加,說(shuō)明暫降源在它們前方,M1,M4能量減小,說(shuō)明暫降源在其后方,綜合考慮暫降源位于M3與M4之間,與仿真試驗(yàn)相符。3.6暫降源位置判斷為了考察本文方法在監(jiān)測(cè)點(diǎn)受到干擾源影響時(shí)的準(zhǔn)確性,在3.3~3.5的仿真實(shí)驗(yàn)中的相同位置設(shè)置暫降源(短路故障只考察不平衡故障)的條件下,加入高次諧波源,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)信號(hào)發(fā)生畸變,表2為各種情況下ΔE的變化,結(jié)果均能正確判斷暫降源位置。對(duì)比文獻(xiàn)中對(duì)擾動(dòng)功率積分計(jì)算能量的方法,本文也用該方法進(jìn)行了計(jì)算,在有高次諧波的變壓器投切情況中,積分方法對(duì)M5的擾動(dòng)能量計(jì)算如圖12所示,監(jiān)測(cè)點(diǎn)有能量流失,不能正確反映暫