基于变换的电能质量分析方法

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1、基于变换的电能质量分析方法摘要：对电能质量问题和基于变换的电能质量分析方法进行了综述。文中给出了各种电能质量扰动现象的分类与特征，对傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换和二次变换这4种变换分析方法的基本原理及其在电能质量领域的应用作了详细论述，阐明了各种方法的特点及其适用条件。最后提出了电能质量研究的方向。   关键词：电能质量；傅里叶变换；短时傅里叶变换；小波变换；二次变换1　引言自从20世纪80年代末以来，电能质量已成为电力部门及其用户日益关注的问题［1］。主要原因有如下4个：①负荷设备对电能质量的变化更加敏感。许多新型负荷

2、装置都含有基于微处理器的控件和电力电子器件，这些控件和器件对于多种扰动都很敏感。②为提高整个电力系统的效益而不断地应用一些装置，例如高效可调速电动机和用于功率因数补偿的并联电容器组等。这就使电力系统的谐波水平有所增长。③终端用户越来越了解断电、电压骤降（volt－agesag）以及开关暂态（switchingtransient）等电能质量问题，他们将督促电力部门提高供电质量。④许多元器件都互连于一个网络之中。集成作用意味着任何一个元件的故障都会导致更为严重的后果。电能质量问题的出现不应该完全归咎于某个部门或某系统。从本质上讲，它

3、是科学技术和经济发展的必然结果，其最终解决需要电力部门、设备制造厂商和电力用户三方积极密切的合作。2　电能质量从不同的角度来考虑，电能质量可能会有截然不同的定义。文［1］中将电能质量问题定义为“导致用户设备故障或误动作的，以电压、电流或频率的偏差为表现形式的一切电力问题”。电能质量这一术语用来描述许多不同类型的电力系统扰动。表1给出了各种电能质量扰动的典型频谱成分、持续时间及电压幅值。利用这些信息就能够区分测量结果并描述电磁扰动。在电能质量分析中主要研究的4种扰动是电压骤降（voltagesag）、瞬态过电压（transient

4、over－voltage）、谐波畸变（harmonicdistortion）和闪变（flicker）。其中前2种属于短期暂态现象，而后2种属于持久性事件［2］。随着电能质量问题的日益严重及广大用户对电能质量要求的不断提高，建立电能质量监测与分析系统，对其进行正确的检测、评估和分类就显得十分必要。为了获得有关电能质量的信息，往往需要对三相电流、三相电压、中线电流和中线对地电压等信号进行测量与储存，以构成电能质量分析的数据源［3］。由于这些数据必须以足够高的采样速率进行采样并储存，而且又必须长期在线进行，所以每年存储的数据量相当大。

5、为了充分合理地利用这些数据，可以采用某种基于变换的方法将时域信息映射到频域或将时、频域信息结合起来进行电能质量分析。近年来，在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有傅里叶变换法、短时傅里叶变换法、小波变换法和二次变换法。本文将对这4种变换方法进行详细阐述。3傅里叶变换法　　在电能质量分析领域，常常利用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）对非正弦周期信号的时间连续信号用采样装置进行等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列，然后借助计算机进行谐波分析［4］。目前，各种算法的DFT和FFT已经成为现代频谱分析和

6、谐波分析的基础［5］，这些改进的算法大大提高了FFT方法的计算精度和速度。文［6］提出了基于线性插值原理和抛物线插值原理的2种改进FFT方法，分别称为LFFT算法和PFFT算法。为了验证其优点，文中对2种常见波形（锯齿波和余弦全波整流波形）分别用LFFT和PFFT以及标准FFT作频谱分析。算例分析表明，改进后的算法明显提高了计算精度并可降低对采样频率的要求，从而提高了计算速度。文献［7］对FFT的泄漏误差进行了分析，根据V．K．Jain和T．Grandke提出的插值算法提出了多项余弦窗插值的新算法。计算结果表明，这种加窗插值算法

7、可以有效地提高测量精度（尤其是相位精度），同时还能有效地抑制谐波之间或杂波及噪声的干扰。由于电力系统的实际信号中往往含有衰减的直流分量，因此采用基于FFT算法的谐波测试仪进行谐波分析时必然会产生误差。为了解决这一问题，可以采用滤出非周期分量的全周期傅里叶算法［8］。该方法有效地克服了非周期分量的影响，提高了计算精度，其缺点是速度较慢。虽然傅里叶变换能够将信号的时域特征和频域特征联系起来，分别从信号的时域和频域观察，但却不能把二者有机地结合起来。傅里叶变换只能适用于确定性的平稳信号（如谐波），对时变非平稳信号却难以充分描述。这是因

8、为傅氏变换是在整个时域内积分，因而去掉了非平稳信号中的时变信息。同时，傅里叶分析在时域的分辨率是不变的，因而不足以在任意小的范围内描述或确定频率f。为了分析电能质量领域的突变信号和非平稳信号，必须寻求新的信号处理工具，要求它既能保持傅里叶分析的优点，又能弥补其不