1、摘要 I 摘要 随着现代电力电子设备的广泛应用，电压暂降已经日益成为电力部门和电力用户所关注的电能质量问题。准确的电压暂降扰动源辨识对于协调电力用户与供电企业间的矛盾和对电能质量进行治理具有重要的意义。 引起电压暂降的原因主要有短路故障、感应电动机启动、变压器激磁。本文在分析这三种原因基础上，通过理论分析，并结合MATLAB/SIMULINK 仿真实验结果，研究并总结了三种原因造成电压暂降的特征。通过小波理论分析、分解波形，对电压暂降事件进行分类，以电压基波的有效值波形的跳变点位置、突变大小和方向，以及缓变信息为特征指标来描述电压暂降事件，并通过三层小波分解来获取特征指标，最后利用小波变换准确
2、区分电压暂降的扰动原因。仿真结果表明：提取的特征指标能反映电压暂降事件本质和特征；不同干扰源所引起的电压暂降波形及其特征是不相同的，而且这些特征在电压基波有效值波形上显得尤为突出，凭此可以实现电压暂降事件的描述、辨识及评估。并且通过仿真实验验证了本文中关于电 压暂降扰动原因识别的方法的可行性。 关键词 :电压暂降；扰动原因；小波理论；识别 燕山大学本科生毕业设计（论文） II Abstract With the wide application of modern power electronics equipment， more and moreattention from both ele
3、ctrical engineers and customers is increasingly paid to the voltagesags as one of the power quality problems. There is great deal of significance onchanging the relationship between the customers and utilities together with improvingpower quality to identify the sources of voltage sag accurately. In
4、 this paper， the characteristics of voltage sags are generalized based onanalysis of the three causes which are short circuit faults， induction motor startingtransformersaturation.With thetheoreticalanalysis and thesimulation resultsMATLAB/ SIMULINK， researchesand summarizes the characteristics of t
5、he three reasons of voltage sag. Then analysis and disintegration the wave，according to the characteristics of voltage sag events will interferencesource is divided into fault classes， such as switching of transformer.Using jumppoint location， size， and direction of the effective value voltage wavef
6、orm of basewave and the graded information to describe the voltage sag events， characteristicindex can be obtained by three layer wavelet decompositionwavelet transform. How to use wavelettransform to accurately distinguish voltage sag interference source and its directionare analyzed in detail.Resu
7、ltsshowthat: voltagesagwaveforms andeventcharacteristics which caused by different disturbance sources are different， these features are particularly evident on the valid value of fundamental -wave. Therefore， the description， identification and evaluation of voltaic sad events can be achievedby usi
8、ng these features. KeywordsVoltage Sag;Causes of voltage Sag; Wavelet theory; Distinguish III 目录 摘要 . I Abstract . II 第 1 章绪论 .1 1.1 本课题提出的背景 .1 1.2 关于本课题的研究现状 .2 1.3 本文的主要工作 .6 第 2 章电压暂降 .7 2.1 电压暂降的定义 .7 2.1.1 暂降幅值 .7 2.1.2 电压暂降持续时间 .8 2.2 电压暂降的起因 .9 2.3 不同原因引起的电压暂降的幅值特征 .10 2.3.1 短路故 障引起的电压暂降 .10
9、 2.3.2 感应电动机启动引起的电压暂降 .12 2.3.3 变压器激磁引起的电压暂降 .13 2.4 本章小结 .14 第 3 章 小波分析的基本理论及应用 .15 3.1 傅立叶分析 .15 3.1.1 傅立叶变换 .15 3.1.2 离散傅立叶变换 .17 3.1.3 快速傅立叶变换 .18 3.1.4 短时傅立叶变换 .18 3.2 小波变换基本理论 .19 3.2.1 连续小波变换 .19 3.2.2 离散小波变换 .20 3.2.3 多分辨率分析 .21 3.2.4Mallat 算法 .22 3.2.5 信号的奇异性检测和小波变换模极大值理论 .23 3.3 傅立叶分析与小波分析
10、的比较 .25 IV 3.4 小波变换在电力系统 中的应用 .26 3.5 本章小结 .28 第 4 章电压暂降扰动原因的识别 .29 4.1 造成电压暂降的原因 .29 4.2 仿真验证 .30 4.2.1 短路故障 .31 4.2.2 感应电动机启动 .33 4.2.3 投入变压器 .35 4.3 扰动原因的识别 .37 4.4 本章小结 .38 结论 .39 参考文献 .40 致谢 . II 附录 . 错误 !未定义书签。 第 1 章 绪论 1 第 1 章绪论 1.1 本课题提出的背景 电能既是一种既经济实用、清洁方便又容易传输、控制和转换的能源形式，也是一种由电力部门向电力用户提供，并
11、由供、用双方共同保证质量的特殊商品。如今，电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应讲求质量 1。 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。国内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成统一的共识。但大多数专家认为，对现代电能质量的定义应理解为“导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题” 2。根据这一定义，电能质量除了保证额定电压和频率下的正弦波形外，还包括所有电压瞬变现象，如冲击脉冲、电压暂降、瞬间间断等。 由于电能质量问题的种类繁多，各有其不同的特点，当发生电能质量问题时，有效的找出扰动原因，对于明确责任和对电能
12、质量进行治理，具有重要意义。目前对部分电能质量扰动的监测和扰动源的识别还存在一定的困难，其结果是电能质量扰动原因不明，找不到引起电能质量问题的责任者，导致供电公司和用户之间的矛盾日益突出，同时也使得改善电能质量，对电能质量进行治理缺少针对性的措施。 近十多年以来，在电能质量问题的各种现象中，电压暂降是造成电压敏感设备不能正常工作的主要原因，通常可以认为 70%90%的电能质量问题是由电压暂降引起的 3。 实际上电压暂降并不是一个新问题。但由于以往的绝大多数用电设备对电压的短时突然变化不敏感，因此该问题并未引起人们的关注。 随着用电设备的技术更新，特别是 20世纪 80年代以来，数字式自动控制技
13、术在工业生产中得到大规模应用，如变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自动生产线以及计算机系统等敏感性用电设备的大量使用，对供电系统的电压质量提出了更高的要求，该问题才引起各有关部门与研究人员的广泛关本科生毕业设计（论文） 2 注，并逐渐成为主要电能质量问题。另外，电压暂降会导致企业生产率和产品质量下降、制造成本增加，阻碍企业正常的生产计划。同时， 对各电力部门来说，由电压暂降引发的客户抱怨以及经济纠纷增多，会影响其在电力市场环境下的竞争力 4。 电压暂降的扰动源辨识是指根据检测到的电压暂降数据特征识别暂降源的类型及暂降源在电网中的相对位置，准确的干扰源辨识不但有助于评估区域配电系统和选择合理的
14、治理措施，而且可以作为电力市场环境下供电部门、用户以及设备供应商之间协调纠纷的重要依据。其主要意义体现在以下几个方面： (1)协调供电和用电矛盾。如果明确了引起电压暂降的责任方，由电压暂降造成的供电公司和用户之间的矛盾就迎刃而解，并有利于提高供电公司的服务水平。 (2)有利于提高供电质量。通过对电压暂降规律的探索，供电公司从电压暂降事故中，总结经验，采取有针对 性的措施，提高电能质量水平。 因此，进行电压暂降辨识的仿真研究，为实际中辨识电压暂降，确定暂降扰动源提供可行性方法。 1.2 关于本课题的研究现状 电压暂降问题己经引起世界各国的广泛关注，许多国家己开展了电压暂降的长期监测工作，如在系统
15、中的特殊点处装设专门的电能监视装置，及时准确地检测出电压暂降的发生情况，为抑制和改善电压暂降获取了直接的数据信息。下面是一些电压暂降的监测结果： (1)美国 EPR工对电压暂降进行了长期、广泛的实测，结果表明许多电压暂降的幅值是变化的，且有的还伴随着相位的突变、不对称以及波形的畸变，另外绝大多数的电压暂降幅值小于 40%额定值，且持续时间不足 10个周期，因此如果能够持续 200ms补偿 30%的负荷容量，则估计可以消除95%以上的电压暂降扰动 5。 (2)英国 1995年就电能质量问题对容量超过 1MW的 100家用户做了调查。结果显示：在监测的 12个月里， 69%用户的生产过程因电能质量
16、问题第 1 章 绪论 3 而受到破坏，其中 45%的用户遭到多次扰动，在事故原因调查结果统计中发现， 83%的事故由电压暂降和短时间断造成 5。 (3)自 1991年起，加拿大电气协会 (CEA)开始了一项为期三年的电能质量调查，调查的主要目的是了解加拿大电能质量的现有状况。共有 22个电力公司参加了本次调查，在 550个地点 (工业、事业和民用 )进行了监测。其工业用户组的调查结果表明：每个用户侧监测点每相每月平均发生 38次暂降，电源侧平均为 4次。用户侧 85%的监测点每相每月平均发生过 1020次电压暂降，电源侧为 56次。商业用户组的调查结果表明：用户侧 70%的监测点每相每月平均发
17、生过 23次电压暂降，电源侧发生 12次电压暂降6。 (4)在欧洲，企业己普遍认识到电能质量对其生产的影响，在与供电部门签 订供用电协议时，对电能质量做出了严格限定，并明确双方各自的权利和义务。如美国 Detroit Edison公司根据电压暂降幅值和与之对应的频次指标，对用户监测点做了电压暂降评分计算，若分数不合格，用户有权向供电方索赔所造成的全部损失。 这些调研结果无疑为解决电压暂降问题提供了重要的参考。与此同时，许多专家在以下几个方面对电压暂降问题进行了深入研究：电压暂降指标体系的建立 7；电压暂降产生的机理 8；电压暂降对用户设备的影响以及减小电压暂降的技术措施 9；电压暂降的监测技术
18、、随机预测和统计分析10；不 平衡电压暂降的特性 11；分类以及电压暂降在不同电压等级间的传播 12；电压暂降域的研究以及电压暂降过程的仿真计算；电压暂降对配电系统可靠性的影响 13等，取得了许多重要的理论和应用成果。 由于电压暂降的发生会给电力用户造成巨大的经济损失，许多国家己经开展了有关电压暂降长期的监测工作，如在系统的敏感处加装专门的电能质量监测仪器，以便及时准确的对发生的电压暂降进行检测和统计，为电压暂降的预防和治理工作提供可靠的数据基础。如美国 EPRI对电压暂降进行了长期、广泛的实测。结果表明许多电压暂降的幅值是变化的， 有的还伴随相位跳变、不对称及波形畸变；绝大多数的电压暂降深度
19、小于40%的额定值，且持续时间不足 200ms。因此，如果能够持续十个周期补本科生毕业设计（论文） 4 偿 30%的负荷容量，则大概可以消除 95%以上的电压暂降情况 14。其他国家也进行了相近的监测工作，为电压暂降的预防和抑制提供了直接的数据基础。 IEEE， IEE， IEC等组织也一直致力于制定包括电压暂降在内的电能质量相关标准。如何对电压暂降现象进行有效地预防和治理是很多相关专家重视的研究方向。 现有的暂降源识别方法主要通过对不同的暂降原因进行分析，对不同原因引起的不同波形 进行比较，总结差异点，提取电压波形中相应的特征值，确定闭值对电压暂降的原因进行辨别。由于短路故障、变压器投切以及
20、感应电动机启动所引起的电压暂降现象在电压波形的三相平衡性、结束特征和谐波方面有一定的区别，故对电压暂降原因进行识别的方法均基于这几个特征，对数据进行提取分析，实现其功能。 文献 15-17均采用小波变换的方法。文献 15采用 B样条小波提取电压暂降的特征值，根据不同的暂降特点对特征值进行分析，从而对不同的暂降源进行辨识：小波变换模极大值表现突变点，模极大值的大小反映信号突变大小。利用突变点个数分 辨短路引起的暂降、多级暂降和变压器投运或感应电动机启动引起的暂降；通过对三相暂降幅值的分析计算，辨别暂降波形相似性，以区分变压器投运或感应电动机启动。文献 16-17均是基于小波变换与人工神经网络理论
21、的电压跌落扰动源的自动识别方法。通过小波变换将信号分解到对应不同频段的各个尺度上，从而得到信号在各个频段上的构成信息，利用这些信息，通过对神经网络进行训练来识别扰动源。 文献 18-19采用短时傅里叶变换对电压暂降扰动源进行分析辨别。文献 18通过对电压数据进行短时傅里叶变换，提取三相电压幅值相似性、电压 扰动时间和电压暂降幅值的频度分布，分别确定闽值，对短路故障和感应电动机启动引起的两种电压暂降现象进行了辨识；文献 19通过对不同暂降进行特征值提取，如波形形状、各相电压对称性、暂降期间的谐波含量等，对不同的扰动源进行区分。 文献 20利用 S变换对电压数据进行分析，提取幅值凹凸性、谐波、幅值
22、突变次数、相位跳变和多级电压暂降等特征，并确定相应的闭值。由第 1 章 绪论 5 工作存储器、推理机和知识库构成专家系统，将电压数据输入专家系统，对不同的电压暂降原因进行分析识别；文献 21利用一种相移的方法提取电压暂降中的特征值，进而通 过神经网络对暂降源进行区分。文献 22提出采用卡尔曼滤波方法提取电压暂降特征值，根据三相电压不对称度、谐波干扰度和幅值结束信息对不同暂降源进行区分。 在一些英文文献中比较多地提到了如何对不同的短路故障进行辨别，如空间矢量分析、“特征幅值”分析、相移与神经网络结合、对电压波形分析、对称分量法等，大部分用于区分不同故障引起的电压暂降。这几种方法是根据故障时三相电
23、压对应的矢量大小、波形、正负零序的情况不同来区分不同故障引起的电压暂降 23-29。 如上所述，现有的大部分方法中都需要确定闭值对不同暂降原因进行判断。由于不同的电压暂降原因的电压波形之间没有一条明确的界限，而电压暂降过程中电压的波形与系统其他因素的关联也十分明显，如系统所带负荷类型、接线方式、故障点与监测点相对位置等等，因此，在电压暂降源识别方法中确定固定闭值，往往会因为发生电压暂降的条件变化而变得不准确，从而产生对电压暂降原因的误判。 通过对电压暂降源进行识别，能够有效地对电压暂降的发生起到有针对性的预防，对补偿设备的选择 (如补偿设备的容量、补偿策略的确定 )有一定的指导作用。电压暂降的
24、补 偿效果与电压暂降检测的速度和精度也有着十分紧密的关系。在电压暂降的检测方面，国内外的学者也进行了大量相关的工作。 在电压暂降扰动源辨识方面文献 26中作者给出了扰动功率与扰动能量的定义，在电力系统稳定运行期间认为系统是平衡的，此时扰动功率是一常数。当发生电压暂降时，系统潮流发生变化，使得瞬时扰动功率发生变化，利用监测装置记录的电压电流数据通过计算暂降发生后扰动功率与扰动能量确定暂降扰动源所处位置，即位于监测装置之前还是之后；文献 27首先定义了暂降源的相对位置，即相对于监测点的上行系统和下行系统，分析了 产生暂降的原因，根据不同原因的特征来判断扰动源位置。以上两文只是针对电网中某点确定扰动
25、源的相对位置，并未明确判断暂降本科生毕业设计（论文） 6 扰动源所处电压等级和馈线，也未对扰动原因进行判别。文献 28用 EMTP建立了一个配电网电压暂降仿真系统，并对多种原因引起的电压暂降进行了原理分析，利用暂降电压的波形特征对扰动原因进行识别，但未对扰动源位置进行判断。可见，目前对于暂降扰动源辨识的研究不够完善，还需要进行深入的探讨。 1.3 本文的主要工作 本文对暂降传播特征和暂降源辨识进行了研究，主要做了以下几个方面的工作： (1)从理论上分析三种主要原因，即感应电动机启动、系统短路故障、变压器激磁引起电压暂降的过程，并根据电压暂降过程中电压、电流的变化分析总结三种原因造成电压暂降的特征，为后文电压暂降扰动原因识别提供理论基础。 (2)学习了小波理论的基本知识，利用小波分析对暂降特征值进行提取并分析波形特征。 (3)在 MATLAB/ SIMULINK中建立了简单的电力系统模型，通过模拟线路故障、变压器投运、电动机启动，使监测点发生电压暂降。提取监测点电压、电流数据并分析。验证电压暂降扰动原因识别方法的可行性。 (4)应用小波理论提取监 测点电压、电流数据并分析。验证电压暂降扰动原因识别方法的可行性。
