基于小波變換的直流主動(dòng)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)源辨識(shí)

張宸宇， 鄧 凱， 史明明，鄭建勇， 繆惠宇

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京，211103；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京，210000；3. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京，210096)

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基于小波變換的直流主動(dòng)配電網(wǎng)電壓波動(dòng)源辨識(shí)

張宸宇1， 鄧 凱2， 史明明1，鄭建勇3， 繆惠宇3

(1. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京，211103；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇 南京，210000；3. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京，210096)

由于直流主動(dòng)配電網(wǎng)接入了大量分布式電源，直流母線的電壓?jiǎn)栴}主要包括直流母線的電壓波動(dòng)，直流母線的電壓暫降和直流母線的電壓中斷等。本文介紹了小波變換的基本思想，建立不同的小波函數(shù)，利用基于小波變換的方法對(duì)直流供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)源進(jìn)行辨識(shí)，MATLAB仿真分析表明，不同小波函數(shù)可以辨識(shí)出直流電壓的波動(dòng)時(shí)刻與對(duì)應(yīng)的波動(dòng)源，具有良好的辨識(shí)效果。

電能質(zhì)量；小波變換；直流主動(dòng)配電網(wǎng)；污染辨識(shí)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)外絕大部分學(xué)者對(duì)于電能質(zhì)量的研究都集中在交流供電系統(tǒng)[1]，但是諸如儲(chǔ)能、光伏等分布式發(fā)電都是直流電源，加上隨著越來越多直流負(fù)載的出現(xiàn)，直流供電系統(tǒng)開始得到關(guān)注和發(fā)展。相比交流供電系統(tǒng)，直流供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量不存在電壓頻率、無功、諧波等問題，所以受到如樓宇供電等特定領(lǐng)域的歡迎[2-4]。從直流供電的特點(diǎn)可以看出其電能質(zhì)量問題是控制直流母線的穩(wěn)定，所以直流供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)源辨識(shí)研究具有重要的意義。

小波變換是一種信號(hào)的時(shí)間-頻率(時(shí)間-尺度)分析方法，是短時(shí)傅里葉變換的繼承和發(fā)展，優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間和頻率同時(shí)具有良好的局部化性質(zhì)，其自適應(yīng)窗口能隨頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)，在分析低頻信號(hào)時(shí)有高的頻率分辨率，而分析高頻信號(hào)時(shí)有高的時(shí)間分辨率，因而可以觀察到信號(hào)的任意細(xì)節(jié)[5]。至今，小波分析理論已在圖像處理、故障識(shí)別、數(shù)據(jù)挖掘、預(yù)測(cè)分析等領(lǐng)域取得了一定程度的理論和實(shí)際應(yīng)用成果。隨著信號(hào)識(shí)別技術(shù)的快速發(fā)展，小波分析理論在電力系統(tǒng)領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，特別是在暫態(tài)電力信號(hào)分析上有著廣闊的應(yīng)用前景。

信號(hào)的奇異點(diǎn)是指檢測(cè)信號(hào)在某處出現(xiàn)間斷點(diǎn)或信號(hào)的某階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)。一般來說，信號(hào)中的奇異點(diǎn)及不規(guī)則的突變部分常常帶有重要信息，代表信號(hào)的一個(gè)重要特征。小波變換則具有良好的時(shí)頻局部化特性，能夠有效地分析信號(hào)的奇異性，并可以確定奇異點(diǎn)的位置及奇異度的大小[6-8]。而直流供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的辨識(shí)問題實(shí)質(zhì)是對(duì)存在擾動(dòng)的信號(hào)的奇異點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，因此采用小波變換的方法比較適合分析直流供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題。對(duì)于直流供電系統(tǒng)的各種電能質(zhì)量問題信號(hào)，在發(fā)生時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻電壓波形中都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)細(xì)小的突變，通過小波變換可將這個(gè)細(xì)小的突變放大、顯示出來，從而可以檢測(cè)出這一突變，即可檢測(cè)出電能質(zhì)量信號(hào)持續(xù)時(shí)間和故障信號(hào)的幅值，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量問題信號(hào)的定位。

1 基于小波變換的電壓波動(dòng)源辨識(shí)

小波變換的基本思想是通過某一函數(shù)表示或逼近分析的信號(hào)f(t)，而這一函數(shù)是由基本小波函數(shù)ψ(t)經(jīng)過不同尺度的伸縮和平移所構(gòu)成的。具體如下，設(shè)ψ(t)∈L2(R)，其傅里葉變換為ψ(ω)，當(dāng)ψ(ω)滿足允許條件：

(1)

則可稱ψ(t)為一個(gè)基本小波或母小波函數(shù)。將其進(jìn)行伸縮和平移后可得到小波序列：

(2)

式中：a，b分別為伸縮參數(shù)和尺度參數(shù)。則對(duì)于任意信號(hào)f(t)∈L2(R)，連續(xù)小波變換為：

(3)

其重構(gòu)公式如式(4):

(4)

直流供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的擾動(dòng)定位的目的是確定擾動(dòng)的起止時(shí)刻。由于擾動(dòng)的起止時(shí)刻通常對(duì)應(yīng)著信號(hào)的突變點(diǎn)，而信號(hào)的突變點(diǎn)就是小波變換模極大值時(shí)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，因此可以通過小波變換模極大值點(diǎn)來確定擾動(dòng)時(shí)刻?？稍O(shè)定一個(gè)光滑低通函數(shù)θ(x)，并且滿足積分為1，無限遠(yuǎn)處衰減為0的條件，則其一階導(dǎo)數(shù)為：

(5)

則φ(x)是帶通函數(shù)，符合小波的可容許條件：

(6)

因此φ(x)可作為小波變換的母小波。若用θa=[θ(x/a)]/a表示函數(shù)θ(x)對(duì)尺度因子a的伸縮，則尺度因子a的小波函數(shù)為：

(7)

由式(3)可知，此時(shí)信號(hào)f(t)在尺度a上的小波變換為：

Wf(a,x)=f(x)φa(x)=

(8)

對(duì)于固定尺度a下，Wf(a,x)就是信號(hào)f(t)經(jīng)過函數(shù)θa(x)平滑后的一階導(dǎo)數(shù)，即Wf(a,x)模極大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就是信號(hào)的局部突變點(diǎn)。所以，可以利用各尺度下的小波變換的模極大值點(diǎn)的位置來對(duì)應(yīng)信號(hào)的突變點(diǎn)。

設(shè)小波變換多分辨分解的高頻系數(shù)為CDn，低頻系數(shù)為An，其中n代表分解層數(shù)。高頻系數(shù)能反映小波的細(xì)節(jié)部分，而低頻系數(shù)反映小波的整體概貌[9-15]。直流供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)源辨識(shí)信號(hào)定位流程如圖1所示，具體檢測(cè)與定位方法步驟如下：

(1) 采樣。滿足香農(nóng)采樣定理，確保采樣精確度，在本文中采樣頻率取5 kHz，得到采樣序列。

(2) 選取小波基和分解尺度。函數(shù)在某處有間斷點(diǎn)或某階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)時(shí)，則稱這個(gè)函數(shù)在此處具有奇異性，稱該點(diǎn)為函數(shù)的奇異點(diǎn)。信號(hào)的奇異點(diǎn)檢測(cè)可用實(shí)小波變換的模極大值原理獲取?？紤]到db系列小波函數(shù)滿足時(shí)頻緊支撐性、正交性、高正則性，又具有Mallat快速算法等特點(diǎn)，綜合考慮后選取db4小波對(duì)直流母線電壓值采樣序列進(jìn)行5層分解，得到第一層和第二層高頻系數(shù)CD1，CD2。

(3) 確定擾動(dòng)突變點(diǎn)位置。通過上一個(gè)驟求出第一層高頻系數(shù)CD1和第二層高頻系數(shù)CD2的模極大值及其位置，模極大值位置為信號(hào)的突變點(diǎn)。

(4) 確定擾動(dòng)突變點(diǎn)時(shí)刻。記錄上一步驟求出模極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，分別是暫態(tài)擾動(dòng)發(fā)生和結(jié)束的時(shí)刻，其時(shí)間間隔即為擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間。

(5) 判斷直流供電系統(tǒng)電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)類型。信號(hào)經(jīng)過db4小波五層分解后得到第五層低頻小波系數(shù)A5，通過A5的幅值信息可以估測(cè)擾動(dòng)信號(hào)的幅度，進(jìn)而判斷直流配電系統(tǒng)暫態(tài)電壓波動(dòng)的類型。

圖1 電壓波動(dòng)源辨識(shí)信號(hào)定位流程Fig.1 Voltage fluctuation source identification signal positioning process

圖2 直流母線電壓?jiǎn)栴}判別邏輯Fig.2 Distinguishing logic of DC bus voltage problem

直流母線電壓?jiǎn)栴}判別邏輯如圖2所示，圖中Ubus.Std為直流母線電壓標(biāo)準(zhǔn)值，利用電壓的變化范圍及小波變換判斷母線電壓的電能質(zhì)量問題。母線電壓變化時(shí)小波分解檢測(cè)到電能質(zhì)量問題，當(dāng)范圍在10%時(shí)，利用電壓變化率識(shí)別電壓偏差和電壓波動(dòng)；當(dāng)變化范圍在10%～90%則認(rèn)為母線發(fā)生了電壓暫降；當(dāng)電壓下降到10%以下時(shí)，判斷主網(wǎng)發(fā)生電壓中斷，當(dāng)中斷時(shí)間超過3 min則判斷該中斷為長(zhǎng)時(shí)中斷。識(shí)別電能質(zhì)量問題后再利用各模塊的小波分解檢測(cè)問題，當(dāng)模塊小波檢測(cè)出現(xiàn)奇點(diǎn)則可定位問題所在模塊。對(duì)于極端情況下出現(xiàn)電壓長(zhǎng)時(shí)中斷的情況，需要將供電系統(tǒng)與主網(wǎng)斷開并切除所有負(fù)載以減小事故范圍。

2 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證基于db4小波對(duì)直流供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的檢測(cè)，在MATLAB的Simulink模塊中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真中直流母線通過DCDC變換器接入光伏電池，直流母線電壓設(shè)定為380 V，仿真在0～1 s內(nèi)頻繁投入或者切除大量二級(jí)負(fù)荷，通過負(fù)荷投切造成電壓波動(dòng)，在仿真1～1.5 s利用線路故障造成一次電壓暫降，在3 s時(shí)光伏照度發(fā)生變化，仿真4 s時(shí)，電壓跌落形成一次電壓中斷。

圖3通過小波分解算法檢測(cè)了直流母線電壓?jiǎn)栴}，其中db4分解效果最好。直流母線電壓在0～1 s內(nèi)出現(xiàn)電壓波動(dòng)，在1～1.5 s出現(xiàn)電壓暫降，在3 s時(shí)出現(xiàn)電壓異常，4 s時(shí)出現(xiàn)電壓中斷，在其他時(shí)間電壓均正常。以上出現(xiàn)所有問題都在db4小波檢測(cè)圖中出現(xiàn)奇點(diǎn),表明小波分析檢測(cè)到了電能質(zhì)量問題。

圖4通過小波分解光伏電池功率檢測(cè)了光伏電池出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題，在實(shí)際仿真中模擬光伏電池在3 s時(shí)接收輻照度出現(xiàn)異變，其中db6分解效果最好。由圖可見，在3 s時(shí)，由于輻照度發(fā)生突變，光伏電池輸出功率出現(xiàn)異常，可由小波檢測(cè)到光伏電池輸出功率的突變；在其他時(shí)段由于直流母線中其他設(shè)備對(duì)光伏電池輸出功率產(chǎn)生輕微影響使輸出功率產(chǎn)生波動(dòng)，當(dāng)小波分解可以檢測(cè)出光伏電池并未出現(xiàn)電能質(zhì)量問題，其判斷結(jié)果較為理想。

圖3 直流母線電壓經(jīng)db4，db5，db6小波分析檢測(cè)結(jié)果Fig.3 Wavelet analysis of DC bus voltage detected by db4, db5, db6

圖4 光伏電池輸出功率經(jīng)db4，db5， db6小波分析檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Wavelet analysis of photovoltaic cell detected output power by db4, db5, db6

圖5通過小波分解負(fù)載功率檢測(cè)了負(fù)載側(cè)出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題，在實(shí)際仿真中0～1 s由于負(fù)載波動(dòng)造成了直流母線電壓波動(dòng)，1～1.5 s由于負(fù)荷問題造成直流母線電壓暫降，4 s時(shí)由于沖擊負(fù)荷接入對(duì)直流母線造成電壓中斷。圖5為負(fù)載側(cè)功率變化，可以明顯觀察到0～1 s內(nèi)的波動(dòng)及4 s時(shí)的沖擊db6分解效果最好，如圖所示在0～1 s內(nèi)0.2 s，0.4 s，0.6 s，0.8 s，1 s，1.5 s及4 s都出現(xiàn)奇點(diǎn),表明波分解檢測(cè)到了負(fù)載側(cè)的電能質(zhì)量問題。

圖5 負(fù)荷功率變化經(jīng)db4，db5，db6小波分析檢測(cè)結(jié)果Fig.5 Wavelet analysis of load power change detected by db4, db5, db6

3 結(jié)語

本文給出了基于小波變換的直流供電系統(tǒng)電壓波動(dòng)源的辨識(shí)方法，分析了小波變換的思想。基于MATLAB的仿真分析表明，采用小波分析可以辨識(shí)出直流電壓的波動(dòng)時(shí)刻與對(duì)應(yīng)的波動(dòng)源，仿真結(jié)果證明了本文提出算法的正確性和有效性。

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(編輯 劉曉燕)

Identification of Voltage Pollution Source Based on Wavelet Transformin DC Active Distributed Network

ZHANG Chenyu1, DENG Kai2, SHI Mingming1,ZHENG Jianyong3, MIAO Huiyu3

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing, China, 211103；2. State Grid Jiangsu Electric Power Maintenance Branch Company, Nanjing, China, 210000；3. School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing, China, 210096)

The voltage problems in the DC voltage bus contains the voltage fluctuation, the voltage sag and the voltage interruption problems. In this paper, the wavelet module is established based on idea of wavelet transform. The voltage pollution source in the DC bus is identified by wavelet transform. In the Matlab simulation, different wavelet function can identify the fluctuation time of the DC voltage and the corresponding wave source, which has a good identification effect.

Power quality; Wavelet transform; DC power supply system; pollution identification

2017-02-26；

2017-04-01

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(基于全網(wǎng)諧波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的干擾源分析技術(shù)研究與應(yīng)用)

TM714

A

2096-3203(2017)04-0021-05

張宸宇

張宸宇(1989—)，男，江蘇揚(yáng)州人，博士，從事微網(wǎng)電能質(zhì)量治理工作(E-mail:zcy530@sina.com);

鄧 凱(1986—)，男,江蘇淮安人,博士,從事特高壓輸電技術(shù)工作;

史明明(1986—)，男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，從事電能質(zhì)量工作;

鄭建勇(1966—)，男，江蘇南京人，教授，研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)、在線監(jiān)測(cè)與故障診斷;

繆惠宇(1992—)，男，江蘇南通人，博士研究生，從事主動(dòng)配電網(wǎng)相關(guān)工作。