現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用0 引言數(shù)字信號處理是運用數(shù)值的方式實現(xiàn)對信號的處理，即對數(shù)字信號的存儲，并進行各種變換和運算，靈活性較好。隨著信息科學(xué)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，近些年數(shù)字信號處理的理論得到了飛躍式的發(fā)展，其應(yīng)用已涉及到幾乎所有工程領(lǐng)域，電力也不例外。特別是國家提出建設(shè)堅強智能電網(wǎng)以來，數(shù)字信號處理技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛。我通過閱讀相關(guān)的書籍和文獻，發(fā)現(xiàn)數(shù)字信號處理中的小波分析理論在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用是一個熱點的研究問題，如小波分析可應(yīng)用于輸電線路故障診斷及定位、諧波檢測、電力設(shè)備的狀態(tài)檢測，甚至電力系統(tǒng)動態(tài)安全分析等領(lǐng)域。因此，本文將分兩部分介紹數(shù)字信號處理在電力系

2、統(tǒng)中的應(yīng)用，一是小波分析理論的介紹及其應(yīng)用，二是其他數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用。1 小波分析理論及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用1.0 小波分析的理論小波分析(wavelet Analysis)是Fourier分析深入發(fā)展過程中的一個新的里程碑。一方面，小波分析發(fā)揚了Fourier分析的優(yōu)點，克服了Fourier分析的某些缺點。另一方面，小波分析現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于信號處理、圖像處理、量子場論、語言識別與合成、地震勘探、機器視覺、機械故障診斷與監(jiān)控、數(shù)字通信與傳輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域。因此小波分析作為一種多方面運用的數(shù)學(xué)工具，具有巨大的潛力和廣泛的應(yīng)用前景1。小波分析以小波變換為核心。實際的信號是由多種頻率分量組成的

3、，當信號尖銳變化時，需要一個較短的時間窗為其提供更多的頻率信息。而當信號變化平穩(wěn)時，需要一個長的時間窗用來描述信號的整體行為。這就導(dǎo)致了小波變換的出現(xiàn)，小波分析是傅立葉分析深入分析發(fā)展的里程碑。小波變換在非平穩(wěn)信號分析中具有獨特的優(yōu)勢在于它可以有靈活可變的時頻窗口，以適應(yīng)不同頻率分辨率的要求，在時域和頻域都具有表征信號局部特征的能力，形象的說小波變換具有“變焦”的功能，因此常被稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。小波基函數(shù)表示為：， 其中為尺度因子，為平移因子，為由小波母函數(shù)生成的依賴參數(shù)和的連續(xù)小波基函數(shù)。小波基函數(shù)具有波動的特性，在原點附近的波動明顯偏離水平軸，在遠離原點的地方函數(shù)值將迅速衰減為0，整個波

4、動趨于平穩(wěn)。 而對于某一信號函數(shù)的小波變換定義為：在小波變換中，尺度因子具有頻帶的含義，小尺度與信號的高頻信息對應(yīng)，大尺度與信號的低頻信息對應(yīng)。當時，理論上經(jīng)過小波變換可以將信號進行二分頻分解1.1小波分析在配電網(wǎng)故障定位中的應(yīng)用配電網(wǎng)故障定位可分為故障選線和故障測距兩部分。故障選線是針對具有多條出線的配電網(wǎng)系統(tǒng)在發(fā)生單相接地故障后，選出具體的故障線路。而故障測距是在選線的基礎(chǔ)上，測出故障點到母線之間的距離在我國，中低壓配電系統(tǒng)中性點大多采用非直接接地方式，即小電流接地系統(tǒng)。該類系統(tǒng)雖然供電可靠性高，但由于其拓撲結(jié)構(gòu)、運行要求以及故障特征有別于大電流系統(tǒng)，其饋線的故障點定位一直是故障測距研究中

5、的難題。如發(fā)生單相接地短路時，基波分量的幅值沒有明顯變化特征，難以用單一饋線所觀測的穩(wěn)態(tài)基頻分量來準確識別故障線路和實現(xiàn)故障點定位。故對于小電流接地系統(tǒng)單相接地故障的選線來說，利用故障信號中豐富的暫態(tài)分量的方法選線正確性要遠遠大于利用工頻穩(wěn)態(tài)量的方法。現(xiàn)代數(shù)字信號處理中的小波分析技術(shù)，由于其具有很好的時頻聚焦性和良好的變焦特性，可以對信號進行精細分析，特別對暫態(tài)突變信號或微弱信號的變化敏感。利用適合的小波和小波基對暫態(tài)零序電流的特征分量進行小波變換后，易看出故障線路上暫態(tài)零序電流特征分量的小波系數(shù)模值高于非故障線路，且其相位也與非故障線路的相反，這樣就能夠構(gòu)造出利用暫態(tài)信號的選線判據(jù)。同時利用

6、小波的這一特性，檢測故障行波波頭到達母線的時刻，實現(xiàn)故障測距2。1.2 小波分析在HVDC輸電線路行波故障定位中的應(yīng)用輸電線路故障的準確定位不僅有利于及時修復(fù)線路和快速恢復(fù)供電，且對整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行都十分重要。高壓直流輸電線路具有分布參數(shù)特性，當輸電線路故障時，故障點將產(chǎn)生向兩側(cè)母線運行的行波。行波信號是一種高頻暫態(tài)信號，有豐富的故障信息，正確識別和提取其中的故障信息，可構(gòu)成超高速動作的行波保護并實現(xiàn)精確故障測距。20世紀50年代就提出了通過測量電壓、電流行波在故障點及母線間的傳播時間來測量輸電線路故障距離。目前，世界上廣泛采用行波定位作為高壓直流線路故障測距的主要方法。為進一

7、步提高行波故障測距的精度，小波模極大值理論已越來越廣泛用于單端和雙端行波故障測距研究。小波變換在時域和頻域同時具有良好的表征局部信號的能力，能快速準確地抓住行波波頭，且去噪能力比較強，小波變換的模極大值能夠刻畫故障行波信號的奇異點，因此用小波變換提取高頻暫態(tài)信號，具有較強的優(yōu)勢。在用小波變換模極大值法判斷信號突變點時，需要把多尺度結(jié)合起來綜合觀察3。尺度越小，平滑區(qū)域小，小波系數(shù)模極大值點與突變點位置的對應(yīng)越準確。但小尺度下小波系數(shù)受噪聲影響非常大，產(chǎn)生許多偽極值點，只憑一個尺度不能定位突變點。1.2 小波分析在電力系統(tǒng)諧波檢測中的應(yīng)用從應(yīng)用角度來看，對信號進行小波變換(分解)，就是不斷地濾除

8、頻率相對較高的頻帶上的信號分量。在實際應(yīng)用中，一般有一個截止頻率，分解到以該頻率為上限頻率的頻段時，整個分解過程結(jié)束，將低頻段上的分量看成基波分量，而將高頻段上的分量看成各次諧波分量，從而可以得到諧波信息，這便是小波變換應(yīng)用于諧波檢測的基本思路和方法4。下面是對一仿真輸入信號進行小波變換的案例：仿真輸入信號為：可以看出u(t)含有3、5和7次諧波，原始信號波形如下圖所示：經(jīng)小波變換后如下圖：可以看出，小波分析不僅可以得到諧波頻率，有效值，相位，而且能體現(xiàn)頻域和時域的特征。而如果進行傅立葉變換，則只能從整體上體現(xiàn)信號出現(xiàn)的諧波，而不能體現(xiàn)出信號在時域方面的信息。2 其他數(shù)字信號處理技術(shù)在電力系統(tǒng)

9、中的應(yīng)用2.1 自適應(yīng)濾波器在局部放電在線監(jiān)測中的應(yīng)用大型電力變壓器、發(fā)電機等電氣設(shè)備局部放電在線監(jiān)測的技術(shù)難題是如何抑制和消除現(xiàn)場存在的強電磁干擾。通常所用的模擬濾波器仍是局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)中抑制電磁干擾的重要組成部分, 它對提高整個監(jiān)測系統(tǒng)的抗干擾能力仍有重要的作用, 但它的通帶頻率是固的, 調(diào)整十分困難。實際上, 不同變電站電磁干擾的頻率范圍是不同的, 同時,模擬濾波器對從它以后電路進入的干擾信號和頻率分布與內(nèi)部局部放電信號相似的外來干擾信號。都不能抑制。因此, 監(jiān)測信號經(jīng)模擬濾波器處理后, 還必須采用具有高穩(wěn)定性和高靈活性的數(shù)字濾波器進行處理。在局部放電在線監(jiān)測中, 我們要監(jiān)測的是具

10、有隨機性的寬頻帶電流脈沖信號, 需要抑制消除的主要是背景噪聲中屬于窄帶的高頻干擾信號。同時, 窄帶信號在譜域中為離散的譜線, 周期性干擾信號的頻率也是時變的。由于寬頻信號的自相關(guān)性差, 而窄頻信號的自相關(guān)性卻較強, 利用自適應(yīng)數(shù)字濾波器可以自動跟蹤窄頻信號, 并從監(jiān)測信號中減去窄頻干信號,僅剩下寬頻的電流脈沖信號序列, 從而達到了自適應(yīng)干擾信號對消的目的。下圖為局部放電在線監(jiān)測中自適應(yīng)數(shù)字濾波器的實現(xiàn)框圖5。2.2 數(shù)字信號處理在電能質(zhì)量參數(shù)檢測中的應(yīng)用隨著人們生活水平的提高和科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)代用電設(shè)備和工藝制造對電能質(zhì)量的要求越來越高，如很多高科技設(shè)備和裝置都廣泛采用微處理器的數(shù)字設(shè)備，受

11、電磁干擾影響較大，導(dǎo)致原本微不足道的電壓波動或特性變化都可能影響到其子系統(tǒng)的正常工作，甚至出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象。為了保護電力系統(tǒng)的安全和用戶的安全可靠用電，并提高用電效率，改善電氣環(huán)境，就必須解決電能質(zhì)量的問題，而解決這個問題的前提是對電能質(zhì)量信息進行準確的檢測。近30年來，隨著信息科學(xué)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)字信號處理的理論與應(yīng)用有了驚人的發(fā)展。數(shù)字信號處理是用數(shù)值運算的方式實現(xiàn)對信號的處理，即數(shù)字信號可以存儲，并進行各種復(fù)雜的變化和運算。數(shù)字信號處理的精度高、可靠性強，主要體現(xiàn)在數(shù)字系統(tǒng)里，17位字長處理精度可達10-5，隨著納米技術(shù)的應(yīng)用，數(shù)字系統(tǒng)的性能會更高，而精度也竟會進一步提高，而在模擬

12、系統(tǒng)中，它的精度是由元器件決定的，模擬元器件的精度很難超過10-3，而且易受環(huán)境條件的影響，因此，利用數(shù)字信號處理技術(shù)研究電能質(zhì)量的檢測算法以已經(jīng)成為一個熱門的研究方向，如利用小波變換來對電力系統(tǒng)諧波進行分析，利用虛擬儀器來分析電能質(zhì)量，利用加窗差值的FFT算法提高諧波幅值及相位的計算精度等6-7。參考文獻1 張賢達，現(xiàn)代信號處理M. 北京：清華大學(xué)出版社，2002,378-3902 車偉，基于小波分析的小電流接地系統(tǒng)單相接地故障定位研究D. 河海大學(xué)碩士論文，2003.3 王少榮，趙妍卉，雙極HVDC輸電線路行波故障定位J. 高電壓技術(shù)，2007，33(7)：124-128.4 王公寶，張文博，向東陽，小波變換在電力系統(tǒng)諧波檢測中的應(yīng)用J