復(fù)雜電氣信號(hào)相量測(cè)量方法

王世洲

隨著我國工業(yè)技術(shù)水平不斷發(fā)展，我國的電網(wǎng)行業(yè)得到了大規(guī)模的擴(kuò)張，電網(wǎng)之間的連接遍布全國各個(gè)地區(qū)，乃至與其他國家也有互相連接。由于規(guī)模大、面積廣，同時(shí)還要滿足各方面的用電需求，電網(wǎng)的輸出系統(tǒng)經(jīng)常需要在滿負(fù)荷的狀態(tài)下運(yùn)行，這就使得電力系統(tǒng)存在較為嚴(yán)重的安全隱患。為了保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，避免發(fā)生大規(guī)模的電力事故，必須加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)和控制，這也是我國電網(wǎng)當(dāng)前所面臨的主要問題。

1、目前常用的相量測(cè)量辦法

（1）基于正弦信號(hào)模型的算法。在電網(wǎng)一直處于額定功率的時(shí)候，DFT算法能夠有效地發(fā)揮其良好的性能，DFT算法濾波能力強(qiáng)，避免了測(cè)量過程中可能產(chǎn)生的誤差，在使用成本方面也是較低的，而且測(cè)量的結(jié)果精準(zhǔn)度也很高。非常適合在發(fā)生故障后的繼電保護(hù)和進(jìn)行諧波分析中使用。但是一旦電網(wǎng)的頻率不在額定功率的時(shí)候，采樣就會(huì)不同步，導(dǎo)致產(chǎn)生柵欄效應(yīng)和頻譜泄漏，最終測(cè)量的精度就會(huì)不準(zhǔn)確，在測(cè)量的結(jié)果上就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

（2）基于諧波信號(hào)模型的算法。在電氣信號(hào)相量測(cè)量的電力諧波分析中經(jīng)常采用加窗插值的算法。這種方法具有較強(qiáng)的處理能力，可定制和易于使用等優(yōu)點(diǎn)，并且這種方法能夠?qū)⑺鶞y(cè)量電壓、電流以及波形完全顯示出來，同時(shí)還具有儲(chǔ)存的功能。在利用加窗插值算法的時(shí)候，如何選取窗函數(shù)是極其重要的，窗函數(shù)通常要根據(jù)具體的實(shí)際應(yīng)用的情況進(jìn)行選取。例如在頻譜分析的時(shí)候，窗函數(shù)必須要主瓣窄、旁瓣低，同時(shí)衰減速度要快，可是在同一個(gè)窗函數(shù)中，要想同時(shí)滿足這三點(diǎn)要求是非常困難的。

（3）基于故障信號(hào)模型的算法?；诠收闲盘?hào)模型有兩種相量測(cè)量算法：一種是全波傅氏算法，它主要是根據(jù)電氣信號(hào)的周期分量積分值不變?cè)矶M(jìn)行運(yùn)算的。全波傅氏算法是在只增加一個(gè)采樣點(diǎn)的情況下，對(duì)相隔的采樣周期進(jìn)行兩次傅氏變換，然后得到誤差表達(dá)式，這樣算出的結(jié)果就避免了衰減直流分量造成的誤差影響。另一種算法是將每一個(gè)采樣值與引入的相應(yīng)的正交濾波因子相乘，然后在進(jìn)行求和，從而得到衰減直流分量參數(shù)，然后再算出每個(gè)采樣點(diǎn)上衰減直流分量大小。另外，通過兩次DFT的差值可以算出電氣信號(hào)的基波和諧波分量。

2、復(fù)雜電氣信號(hào)相量測(cè)量方法

（1）基于卡爾曼濾波的相量測(cè)量方法。靜態(tài)諧波估計(jì)算法是基于諧波在一定的時(shí)間測(cè)量所得到的數(shù)值，通過這個(gè)數(shù)值再對(duì)這個(gè)時(shí)間的狀態(tài)量進(jìn)行估算。動(dòng)態(tài)諧波狀態(tài)估計(jì)算法完全不同于靜態(tài)諧波估計(jì)算法，動(dòng)態(tài)諧波狀態(tài)估計(jì)算法需要根據(jù)諧波運(yùn)動(dòng)方程、測(cè)量信息和計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)這三點(diǎn)對(duì)下一個(gè)時(shí)間段的狀態(tài)量進(jìn)行估算。利用動(dòng)態(tài)諧波狀態(tài)估計(jì)算法能夠更好地解決信號(hào)中的噪聲和其它不良數(shù)據(jù)，同時(shí)還可以對(duì)下一個(gè)時(shí)間段進(jìn)行預(yù)測(cè)。該算法的具體流程圖如圖1所示。

濾波效果的好壞直接影響噪聲協(xié)方差的準(zhǔn)確性，在采取卡爾曼濾波算法時(shí)，需要確切地知道輸入噪聲協(xié)方差矩陣和測(cè)量噪聲協(xié)方差的數(shù)值，但是在具體應(yīng)用當(dāng)中，很難根據(jù)已知的數(shù)據(jù)得到輸入噪聲協(xié)方差和測(cè)量噪聲協(xié)方差數(shù)值，這就會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的不精確，因此，標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器的魯棒性能就會(huì)較差。那么我們?cè)趯?duì)狀態(tài)方程式進(jìn)行迭代時(shí)，用自適應(yīng)卡爾曼濾波估計(jì)噪聲的協(xié)方差來代替定常噪聲協(xié)方差，得到的測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性就會(huì)相對(duì)較高。

（2）基于S變換和TT變換的相量測(cè)量方法。①變換和TT變換。由于S變換的分辨率和頻率有著一定的關(guān)系，因此，它的變換結(jié)果可以通過時(shí)間-頻率矩陣來表示。S的高度和寬度隨著頻率的變化而變化，克服了變換窗口高度和寬度固定不變的缺點(diǎn)；另外，S變換結(jié)果更加直觀，易于理解，在高頻地方變換分解更為詳細(xì)，它融合了小波變換和短時(shí)傅立葉變換的長(zhǎng)處，頻率與時(shí)間窗口的寬度成反比，也就是說，高頻率的時(shí)候時(shí)間窗口較窄，這時(shí)可以得到更高的時(shí)間分辨率，低頻率的時(shí)候時(shí)間窗口較寬，這時(shí)可以得到較高頻率分辨率。TT變換的對(duì)角線元素可以使得高頻分量增大，由于這個(gè)原因，它在高頻諧波檢測(cè)過程中能夠有較高的精度。TT轉(zhuǎn)換雖然對(duì)機(jī)械故障檢測(cè)具有很好的作用和效果，但是在具體實(shí)際中，應(yīng)用的還不廣泛。②動(dòng)態(tài)諧波和間諧波檢測(cè)。動(dòng)態(tài)諧波和間諧波問題在實(shí)際的電力系統(tǒng)中普遍存在。對(duì)于實(shí)際工程中大多數(shù)電氣信號(hào)的諧波和間諧波的頻率在短時(shí)間內(nèi)是不會(huì)發(fā)生變化的。對(duì)于這種情況的電力信號(hào)，首先應(yīng)該通過TT變換的對(duì)角線元素對(duì)較低的高頻信號(hào)進(jìn)行放大，然后再進(jìn)行DFT變換，從而得出電氣信號(hào)中的諧波和間諧波頻率；其次，利用瞬時(shí)頻率的計(jì)算公式估算出諧波和間諧波的開始和結(jié)束時(shí)間，去除由于S變換所產(chǎn)生的虛假頻率分量和，并通過檢測(cè)TT序列的變化，以確定每次頻率分量出現(xiàn)的開始和結(jié)束時(shí)間（對(duì)于隨時(shí)間變化的信號(hào)，終止時(shí)間同時(shí)也就是相鄰頻率的開始時(shí)間）；最后，通過幅值計(jì)算公式獲得電氣信號(hào)在某一特定頻率時(shí)的時(shí)間 - 頻率分布，進(jìn)而準(zhǔn)確的算出動(dòng)態(tài)諧波和間諧波的幅值。

3、結(jié)束語

在本文中，算法簡(jiǎn)單的過濾信號(hào)的衰減直流分量和算法分析復(fù)雜的諧波信號(hào)，提出了電力系統(tǒng)具有多樣性和復(fù)雜性，其電力信號(hào)的類型也是多種多樣的。文章通過對(duì)現(xiàn)有電氣信號(hào)的相量測(cè)量進(jìn)行分析，提出了一些對(duì)復(fù)雜電氣信號(hào)的相量測(cè)量辦法，但是由于筆者時(shí)間和水平有限，所研究的寬度和深度還明顯不足。因此，電力行業(yè)的相關(guān)專業(yè)技術(shù)科研人員，應(yīng)該在今后的工作中不斷完善、不斷創(chuàng)新各種復(fù)雜的電信號(hào)的相量測(cè)量方法，為我國的電力事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

（作者單位：山東省東營市供熱管理處）