电能质量报告
基于S变换的电能质量检测
姓名宋双双
学号:2013042036
班级:控制工程9班姓名:邵山学号2013042044班级:控制工程9班
研究背景随着国民经济的发展和科学技术的进步,现代社会是以信息技术为先导的知识经济时代,这就要求电力供应具有高可靠性,高动态恒定特性,控制灵活,应用方便等特点.但随着国民经济的快速发展,电力系统污染现象也日益严重,电能质量也随之提出了新的问题.一方面,用电负荷日趋复杂化和多样化,如半导体整流和逆变装置以及变频调速装置等电力电子设备的应用,这些具有非线性,谐波丰富,冲击性和不平衡特征的负荷会影响到供电电网,给电能质量提出了新的问题.另一方面,用户对供电可靠性的要求越来越高,众多基于计算机,微处理器控制的精密电子和电力电子装置在电力系统大量使用,对供电质量的敏感程度越来越高,尤其对供电系统的暂态性能,也提出了要求.
电能质量一般是指电压或电流的幅值,频率,波形等参数与标准值的偏差.过去,电力系统中许多机电设备都能在上述参量相对较大的变化范围内正常地工作.但是在近五到十年,随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展,基于计算机,微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中的大量使用,他们对系统干扰比机电设备更敏感,因此对电能质量的要求也更高.一旦出现电能质量问题,轻则造成设备故
障,重则造成整个系统的损坏,由此带来的损失是难以估量的.
另外,大量为提高生产效率,节约能源和减小环境污染而采用的基于电力电子技术的现代化设备正成为电能质量问题的主要来源。以电气化铁路机车牵引式负荷为例,这种属于整流负荷的典型谐波源,它采用工频单相式交流供电,又是典型的负序源。同时它具备波动性和不确定性,是典型的电压波动源和闪变源。普通用户中大量使用的开关式电源,公共照明系统中荧光照明负荷正逐渐成为配电系统中主要的谐波源和波动源.在这些新技术成功解决实际生活环境中的污染问题的同时,如不加防范则会造成电力系统中新的污染问题。
主要内容
电力电子器件以及其他非线性负荷的广泛使用,给电网带来诸如谐波、电压暂升、电压暂降、电压中断以及其它高频瞬态扰动等电能质量问题,而这一问题的解决取决于对各种扰动信号及时准确的检测、定位和分类。目前,大部分系统都采用了傅里叶变换、dq变换或者小波变换进行扰动检测及特征提取,然后采用神经网络来进行质量扰动的自动识别。傅里叶变换属于全局变换,只能分别从时域或频域分析信号,无法满足对具有暂态、突变等特性的非平稳信号进行分析的要求。小波变换是一种时频分析方法,因其具有良好的时域一频域局部化特性,适合于分析暂态、突变信号,在电力系统中得到了广泛的应用。然而,正如文献所述,在检测高频扰动方面,小波变换方法很有优势,对于低频扰动,如电压暂降、电压暂升等,却不能很好地检测和定位,尤其在噪声环境下,而且过程不够简便,结果缺乏直观性。S变换(S-Transform)是由Stockwell等学者于1996年首次提出的,作为小波变换的一种扩展,S变换逐渐引起了人们的兴趣,并已经被应用于电能质量的检测和扰动识别中。本文提出一种基于S变换的S模矩阵幅值平方和均值的扰动定位算法,通过Matlab仿真,全面地考察该算法在检测、定位诸如谐波、电压暂降、电压暂升、电压中断以及电压闪变等各种电能质量扰动时的准确性。
1.1.1电能质量的分类
为了系统地分析研究电能质量现象,并能够对其测量结果进行分选,从而找出引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决方法,将电能质量进行分类和给出相应的定义或规定是很重要的。对于电能质量现象还可以从不同的角度分类。以下内容反映了近几年国际上在电能质量现象分类和特性描述等方面取得的研究成果。其中,在国际电工界有影响的IEC从电磁现象及干扰的特性考虑,给出了引起电磁干扰的基本现象分类。
根据故障的位置和系统状况的不同可能会引起临时性的电压水平下降(即电压骤降)、临时性的电压水平升高(即电压骤升)、电压完全消失(瞬间断电)或是瞬时振荡。
1.1.2电能质量问题的危害
电网电压的波动、跌落、骤升、不平衡、谐波等除了影响电能质量敏感负荷正常工作以外,还有以下几项危害:
1.使电网中的元件产生附加损耗,降低发电、输电以及用电设备的效率和使用寿命;
2.导致继电器保护和自动装置的误动作,并可能使电气测量仪表计量不准;
3.产生机械振动、噪声和过电压,使变压器局部过热;
4.谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,甚至损坏;
5.谐波还会导致公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,大大增加了谐波的危害性,有时会引起严重的事故;
6.高次谐波还会对临近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声、降低通信质量;重者导致信息丢失,使通信系统无法正常工作。7.在电压严重不平衡时,会使对于电压过零点有严格要求的某些直流电机发生故障。
1.2暂态电能质量扰动现象检测方法
近年来,基于数字技术各种分析方法已在以下电能质量领域中得到应用。(1)分析谐波在网络中的传播;
(2)分析各种扰动源引起的波形畸变;
(3)开发各种电能质量控制装置,分析它们在解决电能质量问题方面的作用。按所采用的不同分析方法,这些技术主要可以分为时域方法、频域方法和变换域方法三种。
1.2.1时域仿真方法
在三种方法中,时域仿真方法在电能质量分析中的应用最为广泛,其最主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态信号进行研究。
1.2.2频域分析方法
这种方法主要用于谐波问题的分析和计算。包括频率扫描、谐波潮流计算等。由于考虑到一些非线性负载的动态特性,近年来又提出一种混合谐波潮流计算的方法,即在常规的谐波潮流计算法的基础上,利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算,可求出各次谐波动态电流矢量,从而得到暂态谐波潮流解。
1.2.4基于变换的方法
基于变换的方法主要指Fourier变换方法、短时Fourier变换方法以及近年来兴起的小波变换方法。
一)Fourier变换方法(TFT)
作为经典的信号分析方法Fourier变换具有正交、完备等许多优点,而且有FFT这样的快速算法,因此,已在电能质量分析领域中得到广泛的应用。但在运用FFT时,必须满足以下条件:(1)满足采样定理的要求,即采样频率必须是最高信号频率的两倍以上;(2)被分析的波形必须是稳态的、随时间周期变化的。
因此,当采用频率或信号不能满足上述条件时,利用FFT分析会给系统分析带来误差。此外,由于FFT变换是整个时间段的积分,时间信息得不到充分利用,
信号的任何突变,其频谱将散步于整个频带。
(二)短时Fourier变换方法(STFT)
为了克服Fourier变换方法不能进行局部化分析的重大缺陷,Gabor利用加窗提出了短时Fourier变换方法,即将不平稳过程看成是一系列短时平稳过程的集合,将Fourier变换用于不平稳信号的分析。由于实际多尺度过程的分析要求时-频窗口具有自适应性,即高频时频窗大、时窗小;低频时频窗小、时窗大。而STFT的时-频窗口则固定不变,因此,它只适合于分析特征尺度大致相同的过程,不适合分析多尺度过程和突变过程。而且,这种方法的离散形式没有正交展开,难以实现高效算法。(以下为短时傅里叶变换的的计算公式)S(ω,τ)=∫f(t)g*(t−τ)e−jωtdt
R
(三)小波变换方法(WT)
给定一个基本小波函数ψ(t),并且函数满足f(t)∈L(R)的条件时的小波2
变换定义为
:
WT(α,τ)=f,ψα,x=1
∫∞
−∞f(t)ψ*(t−τdtα
小波变换由于具有时-频局部化的特点,克服了Fourier变换方法和短时Fourier变换方法的缺点,特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。小波变换作为一种新的数字技术被引入工程界后,已在图像处理、数据压缩和信号分析等领域得到广泛应用。由于小波函数本身衰减很快,也属一种暂态波形,将其用于电能质量分析领域,尤其是暂态过程中分析领域将具有FFT和SFFT所无法比拟的优点。近年来,已有不少文献介绍应用小波变换进行电能质量评估、电磁暂态波形分析和电力系统扰动建模等电能质量的问题的研究。但是,目前小波变换方法在电能质量研究领域的应用还处于起步阶段,随着小波变换技术的进一步发展和性能更好的小波基函数的出现,小波变换技术将在电能质量研究中得到更为广泛的应用。
2.2S变换的基本原理
2.2.1一维连续S变换
S变换是Stockwell等学者于1996年提出的,它继承和发展了短时傅里叶变换和小波变换的局部化思想,是一种可逆的时频分析方法。其思想是对小波变换和短时傅里叶变换的扩展。信号x(t)的S变换S(τ,f)定义如下:
S(τ,f)=
q(τ-t)=∫∞−∞h(t)q(τ−t)exp(−2πift)dt⎡−f2(τ−t)2⎤exp⎢⎥22π⎣⎦f
式中:f为频率,i为虚数,τ为控制高斯窗口在时间t轴位置的参数由式中可以看出,S变换不同于短时傅里叶变换之处在于高斯窗口的高度和宽度随频率而变化,这样就克服了短时傅里叶变换窗口高度和宽度固定的缺陷。
S变换可以看作是对连续小波变换的一种“相位修正”。并且可以从连续小波变换推导而来。信号x(t)的小波变换可定义为
1W(a,b)=a∞−∞∫h(t)q(t−bdta
式中:a,b分别为伸缩参数和时移参数;q(t)为变换核(即母小波)。若变换核q(t)取一个高斯窗函数与一个复向量的乘积
q(t,f)=t2f2
exp(−)exp(−j2Πft)22Πf
即得S变换。S变换虽然是连续小波变换的一种扩展,但由于它打破了高斯窗仅能在固定时间位置进行伸缩的限制,使得高斯窗也可以平移,因而具有自己独特的优点:信号S变换的时频谱的分辨率与频率(即尺度)有关,变换核不必满足容许性条件等。上式变换核不满足零均值容许条件,因此上式并非严格意义上的小波变换。其一维连续S逆变换为
∞⎡h(t)=∫∫S(τ,f)dτ⎤exp(j2∏ft)df⎢⎥⎣−∞⎦−∞∞
由于信号h(f)的S变换与其傅里叶变换之间)之间存在如下关系
∞−2∏2α2
S(τ,f)=
−∞∫H(f+α)⋅ef⋅ei2∏ατdα
τ控制频域中高斯窗在时间轴α控制频域中高斯窗在频率轴上移动,
上移动。H(f+α)为h(t)的傅里叶变换,
这样,离散S变换可以通过以下方式获得:
2.2.2离散S变换
设h[kT](k=0,1,2,…N-1)是对连续时间信号h(t)进行采样得到的离散时间序列,采样间隔为T,总采样点数为N,则该序列的离散傅立叶变换是:
⎡n⎤1H⎢=⎥NT⎣⎦N∑h(kT)exp(−
k=0N−1i2πnk)N
令f→n/NT,且τ→JT,则得一维离散S变换
mj⎛2∏2m2⎞i2∏n⎞N
−1⎛m+n⎞⎛⎟S⎜jT,−eN,n≠0⎟=∑H⎜⎟exp⎜2⎜⎟NT⎠m=0⎝NT⎠n⎝⎝⎠
1S(jT,0)=N⎛m⎞h⎜⎟∑m=0⎝NT⎠N−1
显然,采样时间序列h[KT]的S变换结果是一个复时频矩阵(记为S矩阵),如下图所示,列向量为某一时刻随频率变化的分布,行向量
S矩阵某一行和列处元素的模为某一频率随时间变化的分布,因此,
值就是相应频率和时间处信号S变换的幅值。
本文采用MATLAB进行仿真,其中,基频为50HZ,采样点数N为1000个,即每个周波采样20个点,k为(0,1)之间的N个点。
(1)余弦模型:
h=cos(w*k)
以下是用S
变换分析所得的结果
理想波形的检测结果如上图,可得到余弦信号的基波幅值恒为1p.u,频率为50HZ,无其他频率成分。
(2)电压波动模型:h=sin(w*k)+0.1*sin(0.2*w*k).*sin(w*k)以下是其仿真结果:
这里被检测的电压波动信号为:波动幅度α=0.1,波动周期为5T,即波动频率系数β=0.2.由S变换分析结果,得到电压波动的各个指标。由信号的时频分布曲线和基波幅度时间曲线,可判别出扰动信号类型为电压波动。由基波幅度时间曲线,可得到波动幅度α=0.087,波动周期为5.02T,即波动频率系数β=0.199.误差都比较小,达到了检测的要求。∧∧
(3)谐波模型:
h=cos(w*k)+0.1*cos(3*w*k)+0.08*cos(5*w*k)+0.014*cos(7*w*k)以下使用S变换分析谐波所得的结果
:
结果分析:这里被检测的谐波信号为3次,5次,7次,幅值分别为0.1,0.08,0.014,由信号的幅频曲线,可得到正弦信号的基波幅值为1,且包含3,5次和7次谐波,3次谐波的幅值α3=0.1,频率为150Hz;
5次谐波的幅值α5=0.079,7次谐波的幅值α7=0.015;由此结果可知,
S变换可以有效地实现谐波信号的检测,结果直观。能准确得到各扰动参数的指标,取得较好的检测效果。∧∧∧
(4)频率偏差模型:h=sin(1.1*w*k)
以下是仿真结果:
结果分析:频率偏差系数β=0.92。由S变换分析结果,得到频率偏差的各个指标。由信号的幅频曲线,可判断出扰动信号类型为频率偏差,同时还得到频率偏差系数β=0.917,误差较小,可达到检测要求。∧
结论
从上面的检测结果分析可发现,检测方法可直观而有效地实现上述各种电能质量扰动的检测。从仿真图还可以定位扰动发生的时刻。另外,检测方法对噪声不敏感,所有的检测都是在信噪比为20dB的情况下进行的。
S变换是由连续小波变换和短时Fourier变换结合发展起来的另一种时频分析方法,具有概念清晰、结果直观等优点。本文应用S变换进行电能质量扰动检测,包括对谐波、电压波动、频率偏差分别进行检测分析,通过对各种扰动的S变换时频特征进行分析处理,较准确得到了各扰动的参数指标,取得了较好的检测结果,为电力系统电能质量提供了一个有效的检测方法。仿真实例很好的证明了结论的有效性。
感想
纺织印染业是我国的主要传统产业,也是深加工,精加工以及提高其附加值的关键行业,是我国出口创汇的重要组成部分。但是由于我国纺织品的染整生产工艺水平落后,虽然近年来国产设备也采用了一些数字化技术,但是工艺参数在线检测,控制系统水平仍然不高,这就造成了我们的产品制造精度不高,染整设备稳定性,可靠性差,跑,冒,滴,漏等问题难以解决,生产效率相对较低。只能是制造大国而非制造强国,特别是在生产中时常产生色度不准或符样达不到要求的情况,造成需要返货才能出厂,不但耽误交货期,而且浪费人力和物力,造成生产成本大幅增加。
虽然国外有成熟产品问世,但是其昂贵的价格使很多小纺织企业望而却步,同时,国外的测量系统也存在也国内企业的兼容问题,因此,研发具有自主知识产权而且适合我国国情的染整设备工艺参数在线检测系统已是迫在眉睫,所以本课题有很高的实用价值和市场价值。近年来,我国在这方面也取得了明显的进展。国产印染设备速度可闭环控制,实现高精度同步传动和温度、湿度、浓度、液位、张力、容布量、PH值等参数的在线检测和控制,这些技术即可用于新设备配套也可用于老设备改造。它们提供的在线检测和控制,可以提高织物平衡含水率,符合最佳给色量,符合优质,低成本的标准。
目前我国亟待解决的关键问题是要研制出能够检测色差、碱浓度、双氧水浓度等参数的传感器件,这需要物理、化工、电子等跨行业的技术合作。及时得到这些参数,可以对生产过程进行调节和控制,大大改善染整质量,降低消耗,提高制成率,达到较高的重现性和工艺稳定性。通过印染机械和工艺技术的有机结合,广泛应用自动控制和在线检测技术,满足快速反应和印染企业信息化要求,进一步提升印染产品的附加值。
因此,在线检测和控制工艺的结合提高印染设备自动化水平将是未来染整设备改造的发展方向,发展染整设备工艺参数在线检测系统刻不容缓。