暫態(tài)電能質(zhì)量硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

信號(hào)調(diào)理電路將通過電壓 、電流互感器得到的電壓 、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)采集卡采集的電壓信號(hào) , 在這里為 - 10 ～ 10 V 的電壓信號(hào) ,并對(duì)其進(jìn)行抗混疊濾波和去噪 , 此部分也可以通過軟件部分實(shí)現(xiàn) ,采用兩者結(jié)合的方法以達(dá)到更好的效果 。

數(shù)據(jù)采集卡選用US B-6259 系列 , 用于信號(hào)的采集 ,該采集卡具有 32 路模擬輸入通道 , 可同時(shí)輸入 16 路的差分信號(hào) , 其采樣頻率最高可達(dá)1 . 25 M Hz/ s ,A/D 轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)信號(hào) ,且采用 US B 總線的數(shù)據(jù)采集卡具有熱插拔 , 可擴(kuò)展性好 , 不容易受機(jī)箱內(nèi)環(huán)境的干擾等優(yōu)點(diǎn) 。

計(jì)算機(jī)作為后臺(tái)機(jī) , 用于接收數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)臄?shù)據(jù) ,在以虛擬儀器為平臺(tái)建立的軟件系統(tǒng)中進(jìn)行變換 、處理和分析 , 最后將數(shù)據(jù)傳輸給互聯(lián)網(wǎng)或者其他設(shè)備和用戶 。

根據(jù)文獻(xiàn)中針對(duì)連續(xù)數(shù)據(jù)流提出的移動(dòng)離散小波變換算法 ,本文將此算法運(yùn)用到實(shí)時(shí)暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)中 。設(shè)輸入信號(hào)被分為每組 2J 個(gè)采樣數(shù)據(jù) ,其中 J 為最大分解層數(shù) , 為了避免邊界效應(yīng)的影響 , 在每層計(jì)算時(shí)保留 M -2 個(gè)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中并作為下一次輸入時(shí)的數(shù)據(jù)( 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(xì)節(jié)系數(shù)如圖 1 所示 。

圖 1( a)和( b)分別表示應(yīng)用移動(dòng)離散小波變換算法對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行 1 層和 3層分解時(shí)的情況 , 其中 x n( n =-4 ,-3 , … ,7 …)為輸入數(shù)據(jù) , 在此被分為每 23 =8 個(gè)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(xì)節(jié)系數(shù)( i為分解層數(shù) , i =1 , 2 , 3 , k 為序號(hào) , k =-2 , - 1 , …, 3 …) , ① ～ ⑦表示移動(dòng)小波算法的計(jì)算順序 。 在每次分解時(shí)均保留 2個(gè)( M -2 =2)輸入數(shù)據(jù)和近似系數(shù) ai( k)用來消除邊界效應(yīng)的影響 , 正因?yàn)檫@種重疊保留法的應(yīng)用 , 使數(shù)據(jù)看起來就好像在移動(dòng)一樣 , 因此叫做移動(dòng)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(jù)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(jì)算出下一層的系數(shù) , 有利于減少內(nèi)存的使用 。

電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)是控制與治理電能質(zhì)量問題的基礎(chǔ)和前提, 然而 ,目前絕大部分電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置只能監(jiān)測(cè)各種穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)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(zhì)量指標(biāo)的在線監(jiān)測(cè), 如 : 深圳領(lǐng)步科技有限公司研發(fā)的型號(hào)為 PQM-3電能質(zhì)量監(jiān)控裝置以及以色列研發(fā)的 G4500 系列電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置等 。但是 , 這些裝置對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量問題的分析功能卻比較有限 , 一般只能夠?qū)﹄妷簳航?、電壓暫升和短時(shí)電壓中斷這 3 種暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析 , 對(duì)暫態(tài)脈沖 、暫態(tài)振蕩和電壓切痕的監(jiān)測(cè)和分析比較缺乏 ,而隨著人們對(duì)電能質(zhì)量的要求的不斷提高 , 監(jiān)測(cè)和分析這 3 種暫態(tài)電能質(zhì)量問題也是十分必要的 。因此 , 研究出一套完整的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)和分析裝置具有重要的實(shí)際意義 。

電能質(zhì)量問題包括穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩個(gè)方面 , 經(jīng)過長期的研究 , 對(duì)于穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題 , 目前已經(jīng)具備了較為實(shí)用的分析體系 ,因此本文在此僅針對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量問題進(jìn)行研究 。對(duì)于暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)的監(jiān)測(cè)和分析 , 首先要能夠?qū)崟r(shí)地檢測(cè)到暫態(tài)信號(hào)的各項(xiàng)指標(biāo), 主要包括 : 擾動(dòng)發(fā)生和結(jié)束的時(shí)刻 、持續(xù)時(shí)間 、擾動(dòng)幅值的大小和擾動(dòng)的頻率 ; 還要能夠從海量的電能質(zhì)量擾動(dòng)數(shù)據(jù)中自動(dòng)識(shí)別出各種擾動(dòng)的類型 , 為進(jìn)一步對(duì)電能質(zhì)量問題進(jìn)行控制和治理提供依據(jù) 。

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

數(shù)據(jù)采集模塊是一個(gè)可獨(dú)立運(yùn)行的子程序 , 主要完成實(shí)際波形的采集任務(wù) , 可以根據(jù)不同的需要來配置各種采樣參數(shù) ,如 : 采樣通道個(gè)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(hào)原始數(shù)據(jù)來自于 Excel 或 TXT 文件 , 此模塊被禁用 。預(yù)處理模塊首先將不同電壓等級(jí)下的信號(hào)標(biāo)幺化以便于統(tǒng)一進(jìn)行分析 ,然后根據(jù)不同的實(shí)際情況選擇小波基函數(shù)和最大分解層數(shù) , 同時(shí)對(duì)程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化 ,以保證后面的模塊能夠正常地工作運(yùn)行 。

暫態(tài)檢測(cè)模塊作為本系統(tǒng)的核心 , 主要針對(duì)電壓暫降 、電壓暫升 、短時(shí)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(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和分析 。由于實(shí)際信號(hào)中往往含有噪聲信號(hào) , 因此首先必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行去噪處理 ,這里采用文獻(xiàn)中提出的自適應(yīng)閾值算法 。后處理模塊主要對(duì)移動(dòng)離散小波變換后得到的系數(shù)進(jìn)行各種處理 ,包括模極大值的提取 、擾動(dòng)發(fā)生時(shí)刻 t B( s) 和結(jié)束時(shí)刻 t O( s) 、擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間 t L( ms) 、擾動(dòng)強(qiáng)度 k P( % ) 和擾動(dòng)頻率 k F( Hz) 的計(jì)算 ,并根據(jù)得到的擾動(dòng)指標(biāo)判斷出擾動(dòng)的類型 。其中擾動(dòng)強(qiáng)度主要針對(duì)電壓暫降 、電壓暫升 、短時(shí)電壓中斷這 3 種擾動(dòng) , 擾動(dòng)頻率主要針對(duì)暫態(tài)脈沖 、暫態(tài)振蕩和電壓切痕 3 種擾動(dòng) 。波形顯示子模塊是為了將各種擾動(dòng)指標(biāo)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(dòng)波形 , 去噪并歸一化后的波形 、信號(hào)的有效曲線和小波變換模極大值曲線等 。

擾動(dòng)類型識(shí)別通過基于規(guī)則基的決策樹算法 ( rule based decision t ree , RBDT) 來實(shí)現(xiàn) ,其中提取的特征量如下 :1)模極大值個(gè)數(shù) F1 : 不同的擾動(dòng)信號(hào)通過小波變換后得到的模極大值個(gè)數(shù)可能不同 , 例如當(dāng)輸入信號(hào)為穩(wěn)態(tài)信號(hào)( 如 : 諧波) 時(shí) F1 =0 ; 當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)為電壓暫降時(shí) , F1 =2 ; 當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)為暫態(tài)振蕩時(shí) , 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(gè)周期的數(shù)據(jù)長度為例 , 計(jì)算其中有效值大于 1的個(gè)數(shù)F 21 和介于 0 . 9和1 . 1之間的個(gè)數(shù) F22 。 以此兩個(gè)特征量作為判斷幅值有明顯變化的擾動(dòng)信號(hào) , 如 : 電壓暫降 、短時(shí)電壓中斷 、暫態(tài)振蕩等 ; 3)擾動(dòng)強(qiáng)度大小 F3 : 擾動(dòng)強(qiáng)度大小 F 3 定義為有擾動(dòng)發(fā)生時(shí)信號(hào)的有效值 / 無擾動(dòng)發(fā)生時(shí)信號(hào)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(shí)電壓中斷這 3 種擾動(dòng) , 又可以避免對(duì)暫態(tài)振蕩和電壓暫升等信號(hào)的誤判 , 因?yàn)楫?dāng)電壓暫升的持續(xù)時(shí)間較短時(shí) , 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(dòng)持續(xù)時(shí)間 F4 : 一般來說 , 暫態(tài)脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間非常短或沒有( 當(dāng)脈沖信號(hào)的頻率過高時(shí) , 由于系統(tǒng)采樣頻率的限制 , 無法檢測(cè)出其持續(xù)時(shí)間 , 在此定義為“無”) ; 對(duì)于電壓暫降 、電壓暫升和短時(shí)電壓中斷這 3 種擾動(dòng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間一般在 0 . 01 s 和 1 min 之間 ; 對(duì)于暫態(tài)振蕩 , 由于系統(tǒng)阻尼的影響 , 其持續(xù)時(shí)間一般在 0 . 01 s 和1 s 之間 ; 對(duì)于電壓切痕 ,由于目前尚未存在其擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間的明確定義 , 在此也暫時(shí)定義為在 0 . 01 s 和 1 s 之間 。

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(jī)、變壓器、線路、電動(dòng)機(jī)等電磁暫態(tài)過程。我們可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)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(jiǎn)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(chǎng)測(cè)試證實(shí)的用于變壓器相傳輸線的模型、各種電機(jī)、二極管、晶閘管和開關(guān)、控制器等模型，是電力系統(tǒng)中高壓電力網(wǎng)絡(luò)和電力電子仿真應(yīng)用最廣泛的程序，側(cè)重于系統(tǒng)的運(yùn)行情況而不是個(gè)別開關(guān)的細(xì)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(dǎo)了EMTP程序的開發(fā)工作，它在人力和財(cái)力上對(duì)EMTP程序的開發(fā)工作給予了極大的支持。當(dāng)時(shí)的工作屬于公共域內(nèi)（public domain work），其成果可以免費(fèi)提供給任何一個(gè)感興趣的團(tuán)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(gè)大型電力機(jī)構(gòu)組成）/EPRI（美國電力科學(xué)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(fèi)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(nèi)。 有幾種EMTP版本以用于個(gè)人計(jì)算機(jī)，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(duì)免費(fèi)使用EMTP構(gòu)成威脅，原BPAEMTP的開發(fā)者之一Dr.W.Scott Meyer為了維護(hù)EMTP的可免費(fèi)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(shí)間用來開發(fā)一個(gè)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(gè)版本，ATP-EMTP程序幾乎可為世界上的每一個(gè)人所免費(fèi)使用，并可在大多數(shù)類型的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。

集總的線性時(shí)不變電路和系統(tǒng)的激勵(lì)與響應(yīng)的關(guān)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(lì)，如Asin(ωt 嫓)，或指數(shù)形激勵(lì)，如，則其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)一般亦呈同頻率的正弦或指數(shù)形式。采用復(fù)數(shù)相量法，只需求解由電路方程所得復(fù)數(shù)方程組，就可以求得所需的響應(yīng)。

暫態(tài)分析的目的是要研究在電路中施加激勵(lì)后所出現(xiàn)的響應(yīng)。對(duì)于線性時(shí)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(lì)展開為許多存在于 －∞tK倍(K是整數(shù))的諧波之和，即為激勵(lì)的傅里葉級(jí)數(shù)展開式,所得的響應(yīng)亦表示為類似的級(jí)數(shù)形式。在激勵(lì)是非周期時(shí)間函數(shù)的情況下,激勵(lì)的展開式是頻率連續(xù)分布在-∞ωg(t)=g(t T0)　T0≠0性質(zhì)的信號(hào)。滿足上式的最小的T0值稱為此信號(hào)的周期，其頻率為f0。