電能質量分析方法

　　電能質量分析方法
 

　　電力系統中的各種擾動引起的電能質量問題主要可分為穩態事件和暫態事件兩大類。穩態電能質量問題以波形畸變為特征，主要包括諧波、間諧波、波形下陷及噪聲等；暫態事件通常是以頻譜和暫態持續時間為特征，可分為脈沖暫態和振蕩暫態兩大類。
 

　　電能質量的分析方法主要有時域仿真法、頻域分析方法和基于變換的方法。
 

　　時域仿真法
 

　　時域仿真方法在電能質量分析中的應用為廣泛，其主要的用途是利用各種時域仿真程序對電能質量問題中的各種暫態現象進行研究。對于電壓下跌、電壓上升、電壓中斷等有關電能質量暫態問題，由于其持續時間短、發生時間不確定、對頻域分析提出了較高的要求，較多采用時域仿真方法。
 

　　目前EMTP(Electro-MagneticTransientProgram，電力系統電磁暫態分析的仿真軟件)、EMTDC(Electro-MagneticTransientofDirectCurrent，直流電磁暫態計算程序)、NETOMAC(NEtworkTOrsionMAchineControl，德國西門子公司開發的用于電力系統仿真軟件)等系統暫態仿真程序和SPICE(Simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis，是為普遍的電路級模擬程序)、PSPICE(是由SPICE發展而來的用于微機系列的通用電路分析程序)、SABER(是美國Synopsys公司的一款EDA仿真軟件)等電力電子仿真程序在研究中得到了廣泛的應用，有的已經被做成商業軟件。采用時域仿真計算的缺點是仿真步長的選取決定了可模擬的大頻率范圍，因此必須事先知道暫態過程的頻率覆蓋范圍。此外，在模擬開關的開合過程時，還會引起數值振蕩。
 

　　頻域分析法
 

　　頻域分析方法主要用于電能質量穩態問題。比如諧波、電壓波動和閃變、三相不平衡等。相對于暫態問題，此類事件具有變化相對較慢、持續事件較長等特點。對稱分量法是常用的方法。它的優點是概念清晰、建模簡單、算法成熟，但耗時長。
 

　　頻域分析方法主要包括頻率掃描、諧波潮流計算和混合諧波潮流計算等，該方法多用于電能質量中諧波問題的分析。
 

　　頻率掃描和諧波潮流計算在反映非線性負載動態特性方面有一定局限性，因此混合諧波潮流計算法在近些年中發展起來。其優點是可詳細考慮非線性負載控制系統的作用，因此可描述其動態特性。缺點是計算量大，求解過程復雜。
 

　　基于變換的方法
 

　　在電能質量分析領域中廣泛應用的基于變換的方法主要有傅里葉變換、神經網絡、二次變換、小波變換和Prony分析等5種方法。
 

　　1)傅里葉變換
 

　　傅里葉變換是電能質量分析領域中的基本方法，傅里葉變換的優點是算法快速簡單。但其缺點也很多：
 

　　①雖然能夠將信號的時域特征和頻域特征聯系起來觀察，但不能將二者有機地結合起來。
 

　　②只能適應于確定性的平穩信號(如諧波)，對時變非平穩信號難以充分描述。
 

　　③短時傅里葉變換(STFT)的離散形式沒有正交展開，難以實現高效算法；只適合于分析特征尺度大致相同的過程，不適合分析多尺度過程和突變過程。
 

　　④快速傅里葉變換(FFT)變換的時間信息利用不充分，任何信號沖突都會導致整個頻帶的頻譜散布；在不滿足前提條件時，會產生“旁瓣”和“頻譜泄露”現象。
 

　　傅里葉變換是經典的頻譜分析和信號處理方法。其對含有短時高頻分量與長時間低頻分量的電能質量信號分析具有一定的局限性。目前經改進的快速傅里葉變換(FFT)和短時傅里葉變換(STFT)已經成為電能質量分析的基礎。
 

　　2)神經網絡法
 

　　神經網絡理論是巨量信息并行處理和大規模平行計算的基礎，它既是高度非線性動力學系統，又是自適應組織系統，可用來描述認知、決策及控制的智能行為。
 

　　神經網絡法的優點是：可處理多輸入-多輸出系統，具有自學習、自適應等特點；不必建立數學模型，只考慮輸入輸出關系即可。
 

　　缺點是：存在局部極小問題，會出現局部收斂，影響系統的控制精度；理想的訓練樣本提取困難，影響網絡的訓練速度和訓練質量；網絡結構不易優化。
 

　　3)二次變換法
 

　　二次變換是一種基于能量角度來考慮的新的時域變換方法。該方法的基本原理是用時間和頻率的雙線性函數來表示信號的能量函數。
 

　　二次變換的優點是：可以準確地檢測到信號發生尖銳變化的時刻；測量基波和諧波分量的幅值。缺點是：無法準確地估計原始信號的諧波分量幅值；不具有時域分析功能。
 

　　4)小波分析法
 

　　小波變換是近年來興起的一種算法，由于具有時域局部化的優點，特別適合于突變信號和不確定信號的分析。目前國內外已經有許多文獻應用小波變換對諧波監測、電磁暫態波形分析、電力系統擾動建模等電能質量問題進行了研究。小波變換是一種多尺度分析數字技術，它通過對時間序列過程從低分辨率到高分辨率的分析，顯示過程變化的整體特征和局部變化行為。
 

　　常用的小波基函數有：Daubechies小波、B小波、Morlet小波、Meyer小波等。
 

　　小波變換的優點是：具有時-頻局部化的特點，特別適合突變信號和不平穩信號分析；可以對信號進行去噪、識別和數據壓縮、還原等。
 

　　缺點是：在實時系統中運算量較大，需要采用DSP等高價格的高速芯片；小波分析有“邊緣效應”，邊界數據處理會占用較多時間，并帶來一定誤差。
 

　　5)Prony分析法
 

　　Prony分析衰減的思想類似于小波。在該方法中，信號總是被認為可以由一系列的衰減的正弦波構成，這些衰減正弦波類似于小波函數。所以Prony分析方法和小波一樣，可以做多尺度的信號分析。Prony分析的主要缺點是計算時間過長。