电能质量检测智能电子设备中的数据处理

王 英 王 军 母秀清

(西华大学电气信息学院，四川 成都 610039)

0 引言

将IEC 61850引入电能质量监测系统通信中［1］，可以将所有设备置于同一通信平台下，实现不同线路监测设备的数据信息共享。基于数学变换的方法是目前研究和应用较为广泛的电能质量分析方法［2］，主要包括快速傅里叶变换方法(FFT)、Prony分析方法以及近年来出现的小波变换方法等。FFT方法是一种全局变换法;Prony分析法适用于电能质量扰动的检测与分析［3］;小波变换法的出现为电能质量分析开辟了新的研究方向。

本文基于IEC 61850提出一种电能质量检测智能电子设备 IED(intelligent electronic device)的框架［4］，并建立了电能质量检测智能电子设备IED数据模型;同时提出了一种基于小波变换和FFT相结合的数字信号处理方案。

1 构建电能质量检测IED框架

1.1 电能质量检测系统

目前，电能质量检测系统已经形成了SCADA系统模式［5－6］，并采用 B/S或者 C/S结构。具体电能质量检测系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure of the system

图1中:多功能、全数字化的面向对象的检测单元把各类电能质量的实时信息通过庞大的网络系统汇集到电能质量数据库中心，各部门通过网页浏览的方式对自己所关心的数据进行分析和应用。

1.2 电能质量检测IED框架模型

电能质量检测IED位于数字化变电站间隔层，它采用数字式接口与过程层的合并单元通信，取代了原有的硬线与电压互感器、电流互感器连接的方式。IED所需信息的数字量由电子互感器取得。电能质量检测IED对象模型如图2所示［7］。

图2 电能质量检测IED对象模型Fig.2 Object model of power quality monitoring IED

图2中:最右侧的单元分别是电能质量测量功能模型和电能质量事件检测功能模型。每个逻辑设备都包含逻辑节点0和物理装置信息逻辑节点。图中14个逻辑节点均已经定义好，完全符合IEC 61850规则以及XML编码规则。

依照图1的思想，各电能质量检测IED之间以及电能质量检测IED与站控层之间的通信方式采用IEC 61850-9-2的多点通信方式。

2 数据处理方案的提出

本文提出的基于小波变换和傅里叶变换相结合的检测方案采用小波分解和重构的方法对信号的高频和低频部分进行处理。对于包含噪声和奇异信息的高频成分，利用小波变换确定信号突变点和高频谐振的发生时刻及幅值;对于低频成分，则运用傅里叶变换确定各次谐波的含量、相位和幅值。

2.1 小波变换

小波变换是最近几年研究发展的热点［8－9］。它具有局部分析能力，是对奇异信号、非线性信号和暂态信号进行分析的有效而先进的数学工具。小波变换和傅里叶变换都具有连续和离散两大特性分析形式，分别为一维连续小波变换(CWT)和离散小波变换(DWT)。假设小波函数为φ(t)，它为双窗函数，在中，a为表征频率的参数尺度，b为表征时间和空间位置的参数。这里假设实际信号为f(t)，使用离散小波变换(DWT)，将尺度a和偏移b取做幂级数的形式，即:

这里a0为固定值，一般假定a0＞1(在实际应用中，采用二进离散小波变换，即取a0=2，b0=1)，则对应的离散小波为:

信号f(t)的离散小波变换系数为:

以5层多分辨率分析为例，其小波分解树如图3所示。

图3 小波分解树Fig.3 Wavelet decomposition tree

图3中:f(n)为原始离散信号;CA1和CD1分别为一次分解后的低频部分和高频部分。

从图3可以看出，多分辨率分析只是对低频部分进行进一步分解，而高频部分则不予考虑。

2.2 数据分析的改进方案

改进方案首先对信号进行二进离散小波变换，把信号分解为高频信号和低频信号。稳态谐波、突变和间断点等奇异信号分量一般分布在小波变换以后的细节部分，对这部分信号需要进行模极大值的分析;对于稳态的低频信号部分，则采用傅里叶变换进行分析，取出稳态谐波分量。

信号处理流程如图4所示。

图4 信号处理流程图Fig.4 Flowchart of signal processing

3 数据处理仿真分析

3.1 小波函数的选取

小波基的选择标准主要有紧支撑性、对称性、正交性和正则性以及是否存在快速变换等。针对这些标准，选用Daubechies小波。

3.2 分解层数的确定

根据国标中对谐波的要求，电力系统对谐波的分析一般要进行60次谐波，因此，设采样所得的电压或者电流信号的允许谐波频率为3000 Hz。根据采样定理，最小的采样频率为6000 Hz。为了分析电力系统谐波，必须确定合理的分解层数，对信号的频带进行正确的划分。频带划分的原则是尽量使信号的基频fb位于最低子频带的中心，从而限制基频分量对其他子频带的影响。设采样频率为fs，则频带的划分数目由下式取整求得:

式中:采用的基频fb=50 Hz，实际采用的采样频率为6400 Hz，基波周期为0.02 s，每基波周期采样128点，那么p=6。

对该电力信号进行5层多分辨率分析，所得的频带范围为0 ～100 Hz、100～200 Hz、200～400 Hz、400 ～800 Hz、800 ～ 1600 Hz、1600 ～ 3200 Hz。

3.3 建模和仿真

这里对变压器空载合闸情况进行实验，通过采用ATP-EMTP仿真程序进行建模仿真考察，仿真模型如图5所示。

图5 仿真模型Fig.5 The simulation model

仿真模型的电气参数正弦电压为1000 V;频率为50 Hz;初始角选取A 相为0°、B 相为120°、C 相为240°;时控开关设置为0.1 s时闭合，0.5 s时断开;电感模型采用96号;理想变压器变比为100∶1;RLC数据均为1000 Ω，采用三角接线。图6所示为变压器空载A相涌流图。

图6 空载A相涌流图Fig.6 A phase surge map of no-load transformer

利用ATP中的转换子程序PL42MAT把ATP的.pl4波形文件转换为Matlab所需的波形文件.mat。为了精确定位变压器空载合闸情况的信号奇异点，选取110000～116400采样点进行小波5层分析。小波变换多分辨率分析的近似部分可以精确定位信号奇异点。小波变换的高频系数曲线如图7所示。

图7 小波变换的高频系数曲线Fig.7 The high frequency co-efficients of wavelet transform

图7 中:X 为原始信号;d1、d2、d3、d4、d5为小波分解的各层高频系数。

由于傅里叶变换不具有时间分辨率，因此，必须借助小波分解。从图7可以看出，在信号的第一层高频系数d1中可以明显看到t=460、t=604、t=3700和t=3886这4个间断点。

继续以A相为例，在该信号低频段重构恢复到原信号的全部时间段，继续在ATP中进行低频稳态的傅里叶分析。利用ATP自带的傅里叶变换子程序可以自动计算描绘出对应的各整次谐波含量。当总谐波畸变率=38.6%时，A相谐波幅值和相位如表1所示。

表1 A相谐波幅值和相位Tab.1 The amplitude and phase of phase A harmonic

4 结束语

本文在研究IEC 61850标准的基础上，提出一种电能质量检测IED的框架，并且对电能质量监测装置做了详细分析和逻辑设备的节点建模，这对变电站内其他设备建模具有实际意义。同时，在具体的电能质量检测IED中的数据处理过程中［10］，提出用小波变换和快速傅里叶变换相结合的方法对电能质量问题进行处理。通过对该数据处理方案进行仿真分析可知，小波变换特别适合突变信号和不平稳信号等暂态信号的分析;对于稳态谐波分析，FFT可以直接得到波形所含的各频谱分量和畸变率。实验证明，该方案是一种行之有效且理想的方案。

［1］李辛中，上官帖，辛建波，等.开放式电能质量综合监测系统的研究［J］.江西电力，2007，31(1):4 －6.

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［5］何为.IEC61850与中国变电站自动化［C］∥全国电力系统自动化学术交流研讨大会，2004:264－268.

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