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现代数字信号处理技术在电力系统中的应用


现代数字信号处理技术在电力系统中的应用
0 引言
数字信号处理是运用数值的方式实现对信号的处理, 即对数字信号的存储, 并进行各种 变换和运算,灵活性较好。随着信息科学和计算机技术的迅速发展,近些年数字信号处理的 理论得到了飞跃式的发展,其应用已涉及到几乎所有工程领域,电力也不例外。特别是国家 提出建设坚强智能电网以来,数字信号处理技术在电力系统中应用越来越广

泛。 我通过阅读相关的书籍和文献, 发现数字信号处理中的小波分析理论在电力系统中的应 用是一个热点的研究问题,如小波分析可应用于输电线路故障诊断及定位、谐波检测、电力 设备的状态检测,甚至电力系统动态安全分析等领域。因此,本文将分两部分介绍数字信号 处理在电力系统中的应用, 一是小波分析理论的介绍及其应用, 二是其他数字信号处理技术 的应用。

1 小波分析理论及其在电力系统中的应用
1.0 小波分析的理论 小波分析(wavelet Analysis)是 Fourier 分析深入发展过程中的一个新的里程碑。一方面, 小波分析发扬了 Fourier 分析的优点,克服了 Fourier 分析的某些缺点。另一方面,小波分析 现在已经被广泛应用于信号处理、图像处理、量子场论、语言识别与合成、地震勘探、机器 视觉、机械故障诊断与监控、数字通信与传输等众多领域。因此小波分析作为一种多方面运 用的数学工具,具有巨大的潜力和广泛的应用前景[1]。 小波分析以小波变换为核心。 实际的信号是由多种频率分量组成的, 当信号尖锐变化时, 需要一个较短的时间窗为其提供更多的频率信息。 而当信号变化平稳时, 需要一个长的时间 窗用来描述信号的整体行为。 这就导致了小波变换的出现, 小波分析是傅立叶分析深入分析 发展的里程碑。 小波变换在非平稳信号分析中具有独特的优势在于它可以有灵活可变的时频 窗口,以适应不同频率分辨率的要求,在时域和频域都具有表征信号局部特征的能力,形象 的说小波变换具有“变焦”的功能,因此常被称为“数学显微镜” 。 小波基函数表示为:

j

( a ,b )

(x)=

1 x- b j ( ) , a, b 喂R, a a a

0

其中 a 为尺度因子,b 为平移因子, a,b (t ) 为由小波母函数 ? (t ) 生成的依赖参数 a 和 b ? 的连续小波基函数。 小波基函数具有波动的特性, 在原点附近的波动明显偏离水平轴, 在远离原点的地方函 数值将迅速衰减为 0,整个波动趋于平稳。 而对于某一信号函数 f (t ) 的小波变换定义为:

(WTy ) f (a, b) = a 2 ò f (t )y (
R

1

t- b )dt a

在小波变换中,尺度因子 a 具有频带的含义,小尺度与信号的高频信息对应,大尺度与 信号的低频信息对应。当 a ? 2m( m ?Z 时,理论上经过小波变换可以将信号进行二分频分 ) 解

1.1 小波分析在配电网故障定位中的应用 配电网故障定位可分为故障选线和故障测距两部分。 故障选线是针对具有多条出线的配 电网系统在发生单相接地故障后,选出具体的故障线路。而故障测距是在选线的基础上,测 出故障点到母线之间的距离 在我国,中低压配电系统中性点大多采用非直接接地方式,即小电流接地系统。该类系 统虽然供电可靠性高,但由于其拓扑结构、运行要求以及故障特征有别于大电流系统,其馈 线的故障点定位一直是故障测距研究中的难题。 如发生单相接地短路时, 基波分量的幅值没 有明显变化特征, 难以用单一馈线所观测的稳态基频分量来准确识别故障线路和实现故障点 定位。 故对于小电流接地系统单相接地故障的选线来说, 利用故障信号中丰富的暂态分量的 方法选线正确性要远远大于利用工频稳态量的方法。 现代数字信号处理中的小波分析技术,由于其具有很好的时频聚焦性和良好的变焦特 性,可以对信号进行精细分析,特别对暂态突变信号或微弱信号的变化敏感。利用适合的小 波和小波基对暂态零序电流的特征分量进行小波变换后, 易看出故障线路上暂态零序电流特 征分量的小波系数模值高于非故障线路, 且其相位也与非故障线路的相反, 这样就能够构造 出利用暂态信号的选线判据。 同时利用小波的这一特性, 检测故障行波波头到达母线的时刻, [2] 实现故障测距 。 1.2 小波分析在 HVDC 输电线路行波故障定位中的应用 输电线路故障的准确定位不仅有利于及时修复线路和快速恢复供电, 且对整个电力系统 的安全稳定和经济运行都十分重要。 高压直流输电线路具有分布参数特性, 当输电线路故障 时,故障点将产生向两侧母线运行的行波。行波信号是一种高频暂态信号,有丰富的故障信 息,正确识别和提取其中的故障信息,可构成超高速动作的行波保护并实现精确故障测距。 20 世纪 50 年代就提出了通过测量电压、电流行波在故障点及母线间的传播时间来测量输电 线路故障距离。目前,世界上广泛采用行波定位作为高压直流线路故障测距的主要方法。 为进一步提高行波故障测距的精度, 小波模极大值理论已越来越广泛用于单端和双端行 波故障测距研究。小波变换在时域和频域同时具有良好的表征局部信号的能力,能快速准确 地抓住行波波头, 且去噪能力比较强, 小波变换的模极大值能够刻画故障行波信号的奇异点, 因此用小波变换提取高频暂态信号, 具有较强的优势。 在用小波变换模极大值法判断信号突 [3] 变点时,需要把多尺度结合起来综合观察 。尺度越小,平滑区域小,小波系数模极大值点 与突变点位置的对应越准确。但小尺度下小波系数受噪声影响非常大,产生许多伪极值点, 只凭一个尺度不能定位突变点。 1.2 小波分析在电力系统谐波检测中的应用 从应用角度来看, 对信号进行小波变换(分解), 就是不断地滤除频率相对较高的频带上 的信号分量。在实际应用中,一般有一个截止频率,分解到以该频率为上限频率的频段时, 整个分解过程结束, 将低频段上的分量看成基波分量, 而将高频段上的分量看成各次谐波分

量,从而可以得到谐波信息,这便是小波变换应用于谐波检测的基本思路和方法[4]。 下面是对一仿真输入信号进行小波变换的案例: 仿真输入信号为:

u (t ) =

2[220sin(2p ? 50t ) 10sin(2p ? 150t p / 6) + 20sin(2p ? 350t

p / 3) +

15sin(2p ? 250t

p / 6)]

可以看出 u(t)含有 3、5 和 7 次谐波, 原始信号波形如下图所示:

经小波变换后如下图:

可以看出,小波分析不仅可以得到谐波频率,有效值,相位,而且能体现频域和时域的 特征。而如果进行傅立叶变换,则只能从整体上体现信号出现的谐波,而不能体现出信号在 时域方面的信息。

2 其他数字信号处理技术在电力系统中的应用
2.1 自适应滤波器在局部放电在线监测中的应用 大型电力变压器、 发电机等电气设备局部放电在线监测的技术难题是如何抑制和消除现 场存在的强电磁干扰。 通常所用的模拟滤波器仍是局部放电在线监测系统中抑制电磁干扰的 重要组成部分, 它对提高整个监测系统的抗干扰能力仍有重要的作用, 但它的通带频率是 固的, 调整十分困难。实际上, 不同变电站电磁干扰的频率范围是不同的, 同时,模拟滤波 器对从它以后电路进入的干扰信号和频率分布与内部局部放电信号相似的外来干扰信号。 都 不能抑制。 因此, 监测信号经模拟滤波器处理后, 还必须采用具有高稳定性和高灵活性的数 字滤波器进行处理。 在局部放电在线监测中, 我们要监测的是具有随机性的宽频带电流脉冲信号, 需要抑 制消除的主要是背景噪声中属于窄带的高频干扰信号。 同时, 窄带信号在谱域中为离散的谱 线, 周期性干扰信号的频率也是时变的。 由于宽频信号的自相关性差, 而窄频信号的自相关 性却较强, 利用自适应数字滤波器可以自动跟踪窄频信号, 并从监测信号中减去窄频干信 号,仅剩下宽频的电流脉冲信号序列, 从而达到了自适应干扰信号对消的目的。下图为局部 放电在线监测中自适应数字滤波器的实现框图[5]。

2.2 数字信号处理在电能质量参数检测中的应用 随着人们生活水平的提高和科技的不断发展, 现代用电设备和工艺制造对电能质量的要 求越来越高, 如很多高科技设备和装置都广泛采用微处理器的数字设备, 受电磁干扰影响较 大, 导致原本微不足道的电压波动或特性变化都可能影响到其子系统的正常工作, 甚至出现 跳闸现象。为了保护电力系统的安全和用户的安全可靠用电,并提高用电效率,改善电气环 境, 就必须解决电能质量的问题, 而解决这个问题的前提是对电能质量信息进行准确的检测。 近 30 年来,随着信息科学和计算机技术的迅速发展,数字信号处理的理论与应用有了 惊人的发展。数字信号处理是用数值运算的方式实现对信号的处理,即数字信号可以存储, 并进行各种复杂的变化和运算。 数字信号处理的精度高、 可靠性强, 主要体现在数字系统里, -5 17 位字长处理精度可达 10 ,随着纳米技术的应用,数字系统的性能会更高,而精度也竟 会进一步提高,而在模拟系统中,它的精度是由元器件决定的,模拟元器件的精度很难超过 10-3,而且易受环境条件的影响,因此,利用数字信号处理技术研究电能质量的检测算法以 已经成为一个热门的研究方向, 如利用小波变换来对电力系统谐波进行分析, 利用虚拟仪器

来分析电能质量,利用加窗差值的 FFT 算法提高谐波幅值及相位的计算精度等[6-7]。

参考文献
[1] 张贤达,现代信号处理[M]. 北京:清华大学出版社,2002,378-390 [2] 车伟,基于小波分析的小电流接地系统单相接地故障定位研究[D]. 河海大学硕士论 文,2003. [3] 王少荣,赵妍卉,双极 HVDC 输电线路行波故障定位[J]. 高电压技术,2007,33(7): 124-128. [4] 王公宝,张文博,向东阳,小波变换在电力系统谐波检测中的应用[J]. 海军工程大学 学报,2005,17(2):53-58. [5] 高胜友,朱德恒等,变压器局部放电在线监测信号处理技术的研究[J]. 清华大学学报 (自然科学版) ,2003,43(9):1181-1183. [6] 赵琳,数字信号处理在电能质量参数检测中的应用[D]. 西南交通大学硕士论文,2011. [7] 齐俊,赵玲,吴文军,应用数字信号处理技术测量电力系统相量[J]. 华东电力,12(5), 13-14.


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