暫態(tài)電能質量軟件系統(tǒng)設計

初始化模塊主要用于首次登入監(jiān)測程序的設置 , 可根據用戶的要求在前面板中選擇在線還是離線分析 , 設置好一切后便進入監(jiān)測程序 。

數(shù)據采集模塊是一個可獨立運行的子程序 , 主要完成實際波形的采集任務 , 可以根據不同的需要來配置各種采樣參數(shù) ,如 : 采樣通道個數(shù) 、采樣頻率 、采樣長度 、采樣方式等 。如果在初始化模塊中選擇離線分析 , 則信號原始數(shù)據來自于 Excel 或 TXT 文件 , 此模塊被禁用 。預處理模塊首先將不同電壓等級下的信號標幺化以便于統(tǒng)一進行分析 ,然后根據不同的實際情況選擇小波基函數(shù)和最大分解層數(shù) , 同時對程序的數(shù)據結構進行優(yōu)化 ,以保證后面的模塊能夠正常地工作運行 。

暫態(tài)檢測模塊作為本系統(tǒng)的核心 , 主要針對電壓暫降 、電壓暫升 、短時電壓中斷 、暫態(tài)脈沖 、暫態(tài)振蕩 、電壓切痕這 6 種常見的暫態(tài)擾動信號進行檢測和分析 。由于實際信號中往往含有噪聲信號 , 因此首先必須對信號進行去噪處理 ,這里采用文獻中提出的自適應閾值算法 。后處理模塊主要對移動離散小波變換后得到的系數(shù)進行各種處理 ,包括模極大值的提取 、擾動發(fā)生時刻 t B( s) 和結束時刻 t O( s) 、擾動持續(xù)時間 t L( ms) 、擾動強度 k P( % ) 和擾動頻率 k F( Hz) 的計算 ,并根據得到的擾動指標判斷出擾動的類型 。其中擾動強度主要針對電壓暫降 、電壓暫升 、短時電壓中斷這 3 種擾動 , 擾動頻率主要針對暫態(tài)脈沖 、暫態(tài)振蕩和電壓切痕 3 種擾動 。波形顯示子模塊是為了將各種擾動指標通過圖形和表格的形式直觀地顯示給用戶 , 顯示的波形主要有原始輸入擾動波形 , 去噪并歸一化后的波形 、信號的有效曲線和小波變換模極大值曲線等 。

擾動類型識別通過基于規(guī)則基的決策樹算法 ( rule based decision t ree , RBDT) 來實現(xiàn) ,其中提取的特征量如下 :1)模極大值個數(shù) F1 : 不同的擾動信號通過小波變換后得到的模極大值個數(shù)可能不同 , 例如當輸入信號為穩(wěn)態(tài)信號( 如 : 諧波) 時 F1 =0 ; 當擾動信號為電壓暫降時 , F1 =2 ; 當擾動信號為暫態(tài)振蕩時 , F1 >2 ; 2)有效值特征 F 2 : 通過歸一化有效值曲線提取有效值特征 ,在此以 20 個周期的數(shù)據長度為例 , 計算其中有效值大于 1的個數(shù)F 21 和介于 0 . 9和1 . 1之間的個數(shù) F22 。 以此兩個特征量作為判斷幅值有明顯變化的擾動信號 , 如 : 電壓暫降 、短時電壓中斷 、暫態(tài)振蕩等 ; 3)擾動強度大小 F3 : 擾動強度大小 F 3 定義為有擾動發(fā)生時信號的有效值 / 無擾動發(fā)生時信號的有效值 , 用此特征量可以很好地區(qū)分電壓暫降 、電壓暫升和短時電壓中斷這 3 種擾動 , 又可以避免對暫態(tài)振蕩和電壓暫升等信號的誤判 , 因為當電壓暫升的持續(xù)時間較短時 , 它和暫態(tài)振蕩在有效值曲線上所反映的特征基本一致 ;4)擾動持續(xù)時間 F4 : 一般來說 , 暫態(tài)脈沖信號的持續(xù)時間非常短或沒有( 當脈沖信號的頻率過高時 , 由于系統(tǒng)采樣頻率的限制 , 無法檢測出其持續(xù)時間 , 在此定義為“無”) ; 對于電壓暫降 、電壓暫升和短時電壓中斷這 3 種擾動信號的持續(xù)時間一般在 0 . 01 s 和 1 min 之間 ; 對于暫態(tài)振蕩 , 由于系統(tǒng)阻尼的影響 , 其持續(xù)時間一般在 0 . 01 s 和1 s 之間 ; 對于電壓切痕 ,由于目前尚未存在其擾動持續(xù)時間的明確定義 , 在此也暫時定義為在 0 . 01 s 和 1 s 之間 。

系統(tǒng)的硬件部分主要由電壓 、電流互感器 , 信號調理電路 , USB 數(shù)據采集卡組成 ?；ジ衅鬟x擇采用霍爾原理的閉環(huán)補償電壓互感器和電流互感器 , 其具有精度高 、線性度好 、響應速度快 、頻率寬及過載能力強等特點 , 適合本場合的使用 。

信號調理電路將通過電壓 、電流互感器得到的電壓 、電流信號轉換成適合數(shù)據采集卡采集的電壓信號 , 在這里為 - 10 ～ 10 V 的電壓信號 ,并對其進行抗混疊濾波和去噪 , 此部分也可以通過軟件部分實現(xiàn) ,采用兩者結合的方法以達到更好的效果 。

數(shù)據采集卡選用US B-6259 系列 , 用于信號的采集 ,該采集卡具有 32 路模擬輸入通道 , 可同時輸入 16 路的差分信號 , 其采樣頻率最高可達1 . 25 M Hz/ s ,A/D 轉換分辨率為 16 bit 。高速的采樣率以及 16 位的 A/D 模塊能夠保證精確地采樣動態(tài)信號 ,且采用 US B 總線的數(shù)據采集卡具有熱插拔 , 可擴展性好 , 不容易受機箱內環(huán)境的干擾等優(yōu)點 。

計算機作為后臺機 , 用于接收數(shù)據采集卡傳輸?shù)臄?shù)據 ,在以虛擬儀器為平臺建立的軟件系統(tǒng)中進行變換 、處理和分析 , 最后將數(shù)據傳輸給互聯(lián)網或者其他設備和用戶 。

根據文獻中針對連續(xù)數(shù)據流提出的移動離散小波變換算法 ,本文將此算法運用到實時暫態(tài)擾動信號的檢測中 。設輸入信號被分為每組 2J 個采樣數(shù)據 ,其中 J 為最大分解層數(shù) , 為了避免邊界效應的影響 , 在每層計算時保留 M -2 個數(shù)據在內存中并作為下一次輸入時的數(shù)據( M是小波濾波器的長度 , 在此以 M =4 的 Daubechies 小波為例) 。通過這種重疊保留法可得到一組新的近似和細節(jié)系數(shù)如圖 1 所示 。

圖 1( a)和( b)分別表示應用移動離散小波變換算法對輸入數(shù)據進行 1 層和 3層分解時的情況 , 其中 x n( n =-4 ,-3 , … ,7 …)為輸入數(shù)據 , 在此被分為每 23 =8 個一組( 最大分解層數(shù) J =3) 。 c0 ～ c3 為小波低通濾波器系數(shù) , -c3 、c2 、 -c1 、c0 為小波高通濾波器系數(shù)( 圖 1( b)中沒有畫出) 。

ai( k) , di( k) 為第 i層的近似與細節(jié)系數(shù)( i為分解層數(shù) , i =1 , 2 , 3 , k 為序號 , k =-2 , - 1 , …, 3 …) , ① ～ ⑦表示移動小波算法的計算順序 。 在每次分解時均保留 2個( M -2 =2)輸入數(shù)據和近似系數(shù) ai( k)用來消除邊界效應的影響 , 正因為這種重疊保留法的應用 , 使數(shù)據看起來就好像在移動一樣 , 因此叫做移動離散小波變換 。從圖 1( b) 中可以看出由 R-DWT 算法得到的輸出數(shù)據序 列 依 次 為 d 1( 0) 、d1( 1) 、d2( 0) 、d 1( 2) 、d1( 3) 、d2( 1) 、d3( 0) 、 a3( 0) , 而由 Mallat 算法得到的輸出序列依次為d1( 0) 、d1( 1) 、d 1( 2) 、d1( 3) 、d2( 0) 、d2 ( 1) 、d3( 0) 、 a3( 0) 。相比之下 , R- DWT 算法可以更快地計算出下一層的系數(shù) , 有利于減少內存的使用 。

電能質量監(jiān)測是控制與治理電能質量問題的基礎和前提, 然而 ,目前絕大部分電能質量監(jiān)測裝置只能監(jiān)測各種穩(wěn)態(tài)電能質量參數(shù), 如 : 頻率偏差 、電壓偏差 、三相不平衡 、諧波等 , 只有少數(shù)涉及暫態(tài)電能質量指標的在線監(jiān)測, 如 : 深圳領步科技有限公司研發(fā)的型號為 PQM-3電能質量監(jiān)控裝置以及以色列研發(fā)的 G4500 系列電能質量監(jiān)測裝置等 。但是 , 這些裝置對暫態(tài)電能質量問題的分析功能卻比較有限 , 一般只能夠對電壓暫降 、電壓暫升和短時電壓中斷這 3 種暫態(tài)電能質量擾動信號進行監(jiān)測和分析 , 對暫態(tài)脈沖 、暫態(tài)振蕩和電壓切痕的監(jiān)測和分析比較缺乏 ,而隨著人們對電能質量的要求的不斷提高 , 監(jiān)測和分析這 3 種暫態(tài)電能質量問題也是十分必要的 。因此 , 研究出一套完整的電能質量監(jiān)測和分析裝置具有重要的實際意義 。

電能質量問題包括穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩個方面 , 經過長期的研究 , 對于穩(wěn)態(tài)電能質量問題 , 目前已經具備了較為實用的分析體系 ,因此本文在此僅針對暫態(tài)電能質量問題進行研究 。對于暫態(tài)電能質量信號的監(jiān)測和分析 , 首先要能夠實時地檢測到暫態(tài)信號的各項指標, 主要包括 : 擾動發(fā)生和結束的時刻 、持續(xù)時間 、擾動幅值的大小和擾動的頻率 ; 還要能夠從海量的電能質量擾動數(shù)據中自動識別出各種擾動的類型 , 為進一步對電能質量問題進行控制和治理提供依據 。

電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程取決于電力系統(tǒng)中的各元件——發(fā)電機、變壓器、線路、電動機等電磁暫態(tài)過程。我們可以認為發(fā)電機的電磁暫態(tài)過程左右了電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)過程，由有源元件決定。2100433B

電磁暫態(tài)程序簡介

電磁暫態(tài)程序（EMTP，Electro-Magnetic Transient Program）是用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的仿真軟件。它包含通過現(xiàn)場測試證實的用于變壓器相傳輸線的模型、各種電機、二極管、晶閘管和開關、控制器等模型，是電力系統(tǒng)中高壓電力網絡和電力電子仿真應用最廣泛的程序，側重于系統(tǒng)的運行情況而不是個別開關的細節(jié)。

電磁暫態(tài)程序歷史

在1984年以前的十多年里，屬于美國能源部的邦維爾電管局(BPA)主導了EMTP程序的開發(fā)工作，它在人力和財力上對EMTP程序的開發(fā)工作給予了極大的支持。當時的工作屬于公共域內（public domain work），其成果可以免費提供給任何一個感興趣的團體。1984年以后，EMTP程序主要分為兩支，一支以DCG（EMTP Development Coordination Group,1982年由北美6個大型電力機構組成）/EPRI（美國電力科學研究院）為代表，試圖將EMTP程序商業(yè)化(以下稱其為商業(yè)化的EMTP)；另一支即ATP-EMTP，它繼續(xù)保持EMTP程序的可免費使用性，但為了防止其成果被商業(yè)化的EMTP所利用，ATP-EMTP不屬于公共域內。 有幾種EMTP版本以用于個人計算機，如Micro Tran、ATP等。所有版本的程序都具有BPA（美國邦納維爾電力局，Bonneville Power Administration）的EMTP原版的大部分功能。

1984年初，DCG的工作已對免費使用EMTP構成威脅，原BPAEMTP的開發(fā)者之一Dr.W.Scott Meyer為了維護EMTP的可免費使用性，于1984年2～3月份，終止了12年的EMTP開發(fā)合同，并將他所有的業(yè)余時間用來開發(fā)一個富有生命力的替代程序即ATP，ATP正式誕生于1984年秋。 ATP程序（The Alternative Transients Program）是世界上電磁暫態(tài)分析程序（EMTP)最廣泛使用的一個版本，ATP-EMTP程序幾乎可為世界上的每一個人所免費使用，并可在大多數(shù)類型的計算機上運行。

集總的線性時不變電路和系統(tǒng)的激勵與響應的關系都由常系數(shù)線性微分方程來描述。如果施加以正弦形激勵，如Asin(ωt 嫓)，或指數(shù)形激勵，如，則其穩(wěn)態(tài)響應一般亦呈同頻率的正弦或指數(shù)形式。采用復數(shù)相量法，只需求解由電路方程所得復數(shù)方程組，就可以求得所需的響應。

暫態(tài)分析的目的是要研究在電路中施加激勵后所出現(xiàn)的響應。對于線性時不變電路和系統(tǒng),暫態(tài)的頻域分析的基本思想是將激勵展開為許多存在于 －∞tK倍(K是整數(shù))的諧波之和，即為激勵的傅里葉級數(shù)展開式,所得的響應亦表示為類似的級數(shù)形式。在激勵是非周期時間函數(shù)的情況下,激勵的展開式是頻率連續(xù)分布在-∞ωg(t)=g(t T0)　T0≠0性質的信號。滿足上式的最小的T0值稱為此信號的周期，其頻率為f0。