基于小波分析的电能质量虚拟测试仪

海 瑛，陈敬虞，兰 香

（嘉兴学院，a．机电工程学院；b．建筑工程学院，浙江嘉兴314001）

0 引言

智能电网的建设，要求配电网用电环节属于多源信息集成，可实现智能楼宇家居系统、分布式发电系统 （如太阳能、风能等）、电动汽车等并网接入和优化控制．分布式电源存在很大的波动性、间歇性和随机性，电动汽车等电力用电负荷又呈现出非线性、冲击性，这使得电力系统电能质量问题更加严重．［1］目前，电能质量问题可分为稳态和暂态两类．稳态电能质量问题以波形畸变为特征，包括谐波、间谐波、电压波动和闪变等；暂态电能质量问题以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉冲暂态和振荡暂态．脉冲暂态主要指瞬时脉冲或突变，振荡暂态包括断电、电压下跌、电压上升、电压切痕等．电力系统中，电压、电流的估算是以正弦信号的均方根值 （r ms）定义的，在国际电能质量标准中，也被用来估算非周期时变信号，如电源电压中的电压暂降和暂升或短时中断．［2］

以FFT为代表的频域法是基于统计的方法，要求有一定的时间来进行数据采集及计算，因此，频域法实际只能提供功率的平均值，存在实时性不好的缺点．［3］而以小波变换 （WT）为代表的时频分析方法，因为其先进的实时硬件结构、优越的谐波测量方法、精确的瞬态干扰信号识别和数据的压缩等功能，成为了IEEE Std的推荐方法．［2］对于不同的电能质量干扰信号，小波变换是对其不同的特征信息进行检测、识别和提取的；为了获得所需时域分辨率，选择最适当的小波函数、分解层数以及采样频率也非常重要．

基于上述分析，本文提出了一种在低压配电系统中使用小波变换对电能质量进行检测和分析的虚拟仪器．该仪器的特点是可以根据输入信号电能质量的类型，选择不同的小波分析方法，实现电能信号实时或离线的检测分析．

图1 离散小波变换的两阶分解树

1 基于小波变换的虚拟测量仪器

1．1 小波变换

电力系统畸变信号的离散小波分析 （DWT），实际是离散信号x（n）通过一系列的带通滤波器后，分为高频和低频两部分，并依次分析下去，最终得到畸变信号相关信息的过程，其分析过程如图1所示．

小波包变换 （WPT）可以对信号进行更加精细的分析．即信号通过一系列的带通滤波器，对高频和低频频带做二进制划分，最后整个频带都被划分为均匀的频带；WPT如图2所示，描述了用于分析的定长带宽分解和重构的滤波器组及小波分解树结点与信号子空间频带的对应关系．电能畸变信号x（n）（或用小波系数表示）通过低通滤波器HP和高通滤波器LP进行尺度j＝2的小波包分解，信号频带则被均匀分成2j个频带，由图中频带排列规则可知，第j尺度的i结点，如结点 ［2，3］对应频带为300 Hz－400 Hz．小波变换均方值计算见参考文献 ［4］．

图2 小波包分析的Mallat分解算法

1．2 虚拟仪器硬件实现

虚拟仪器 （Virt ual Instr u ment，简称VI）由LEMLV25－P电压变换器、NI USB－6009和一台笔记本电脑组成，其结构如图3所示．图中电压变换器精度为±0．6%，电压测量的有效范围是10 V到500 V．NI 6009是一个低成本的数据采集板，它有8个模拟输入通道和14位分辨率，最大采样频率48 K Hz，最大输入范围±10 V．

图3 虚拟仪器的硬件结构

使用的软件是Lab VIEW8．5图形化编程环境．该仪器可根据电能质量的扰动类型，采用不同的小波函数及采样频率，即可对稳态或暂态的电能质量信号进行检测和分析．

1．3 Lab VIE W软件编程

系统软件在虚拟仪器开发平台Lab VIEW8．5上开发完成．系统的工作原理是先通过数据采集卡对模拟电压电流信号采样，并变换成数字信号，再采用WT分析电能质量的扰动类型．

使用Lab VIEW8．5图形化编程环境开发的虚拟仪器主要由 “输入参数控制” “初始化” “运行WT”“部分运行WT”和 “输出图像”五部分组成，其框图如图4所示．．

图4 虚拟仪器框图

“输入控制参数”模块是由用户控制仪器前面板上的 “小波函数” “小波分解树” “采样频率”“DWT或WPT”等选择，对输入数据进行实时或离线小波分析．“初始化”模块是从内存中选择适当的小波滤波器系数 （LP和HP）进行小波变换，并对所有程序的数据结构初始化． “部分运行WT”和 “WT”VI模块是用户通过仪器的前面板上操作进行实时或离线选择．开始输入数据从VI“数据采集卡DAQ”取，如不行，从数据文件 （输入文件—外存储器）取，如图5所示．这些VI根据用户的选择可完成相应的分析和计算．最后，输出图像显示的是电能质量畸变波形和小波系数．［5］

图5 小波分析模块

2 实验结果

2．1 暂态电能质量干扰

在暂态电能质量扰动模式下，用户可以设置不同的小波函数、小波分析方法对诸如电压暂降、电压暂升和短时中断进行分析．本研究采用db4（Daubechies4）小波和12．8 KHz的采样频率对扰动信号进行离散小波变换 （DWT），然后提取各层高、低频的小波系数，当小波系数在幅度上出现很短的尖峰时，则可判断为短时干扰，如电压暂降、暂升和短时中断问题；如果出现一系列的波峰，那就对应着振荡暂态干扰．如图6显示了一个132 V的电压波形和100 ms的电压暂降，其幅度是图1中第一级小波分解的系数d1（n）．图7是270 V，持续时间为72 ms的电压暂升，其系数是d1（n）．这两种电压均由可编程方法产生．图8显示的是一个106．09 ms的短时中断，其幅度是系数d1（n）．这个短时中断由低压配电网自建的试验装置得到．

图6 电压暂降的小波分析 （a图是电压暂降波形，b图是DWT的d1（n）系数）

图7 电压暂升的小波分析 （a图是电压暂升波形，b图是DWT的d1（n）系数）

图8 电压中断的小波分析 （a图是电压中断波形，b图是DWT的d1（n）系数）

上述实例说明，系数d1（n）对电源中的稳态不敏感，但对开始和结束时的尖峰变化很敏感．因此，使用小波系数可准确得到电压事件的开始、结束和持续的时间．

2．2 稳态电能质量干扰——谐波失真

本研究采用24系数的Vaidyanathan滤波器对电压谐波信号进行3层WPT分析，图9显示了低压配电系统电压谐波的情况，谐波幅度为3．15%，主要为5次谐波分量，其幅度变化从3．15%到6%，持续时间为75 ms．图9b显示三层小波包分解的输出，频段是200 Hz—300 Hz．可以看出，使用这些系数可准确检测到五阶谐波分量的幅度变化．

3 结论

本文阐述了基于小波变换的电能质量检测、分析虚拟仪器的结构和性能．并根据电能质量的不同类型，选择了相应的工作模式，实现电能信号实时或离线的分析检测任务．该仪器还可利用小波局部分析功能，完成特定的频段信号的研究．结果表明，该仪器在电能质量检测分析方面具有高可靠性、高性价比和良好的扩展性．

图9 谐波的小波分析 （a图是含谐波的电压信号，b图是WPT分析的5次谐波）

［1］MORSI W G，EL－HA WARY M E．Po wer quality evaluation in s mart grids considering moder n distortion in electric po wer systems［J］．Electric Power Systems Research，2011，81（1）：1117－1123．

［2］IEEE Std 1459－2010．IEEE Standard definitions f or the measurement of electric power qualities under sinusoidal，non－sinusoidal，balanced，or unbalanced conditions［S］．New Yor k，2010：1－34．

［3］IEC 61000－4－30．International Electrotechnical Commission，Electromagnetic compatibility（EMC）．Part 4－30：Testing and measurement techniques．Power qualit y measurement met hods［S］．Switzerland，2003：25－39．

［4］海瑛，陈敬虞，钱苏翔，等．基于椭圆IIR滤波器组小波包分析的功率测量方法 ［J］．电测与仪表，2009，46（6）：9－13

［5］杨乐平，李海涛，杨磊．Lab VIE W程序设计与应用 ［M］．2版．北京：电子工业出版社，2005：190－210．