基于正交小波包变换的电能质量扰动检测与定位

闫桢 郝成亮 陈明 杨婷婷 郑磊

摘  要：文章在模拟仿真了含有高斯白噪声的电能质量扰动信号的基础上，给出利用正交小波包算法对电能质量扰动信号进行检测和定位的方法。研究结果表明，该方法有更好的检测性能，能更精确检测瞬态扰动发生的时刻和持续时间。

关键词：正交小波包变换;电能质量;信号检测;信号定位

中图分类号：TM711        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）15-0016-02

Abstract： On the basis of simulating the power quality disturbance signal with Gaussian white noise， this paper presents a method to detect and locate the power quality disturbance signal by using orthogonal wavelet packet algorithm. The results show that the method has better detection performance and can detect the time and duration of transient disturbance more accurately.

Keywords： orthogonal wavelet packet transform; power quality; signal detection; signal location

引言

近年来随着大功率电器设备的应用日趋广泛，电能质量问题也变得越来越多[1]。电能质量扰动可以认为是任何使正弦电压波形偏离额定频率和幅值的偏差，扭曲或分离。国内外的学者们提出了许多基于小波变换电能质量扰动检测和定位的方法[2]。然而，这些理论都存在一定的不足，例如耗时太久，容易导致错误的决策等[3]。

为了快速而又准确的检测和识别电能质量扰动，本文提出了一种基于正交小波包变换的电能质量扰动检测与定位方法。通过此方法，扰动信号可以被小波包分解，每个带宽有用信号被提取出来，方便进一步的识别和分类。实证研究表明这个方法快速、稳定，并且符合实际要求。

1 正交小波变换

1.1 算法原理

正交小波变换可以产生多层的频带，并且分析没有在小波变换里分数化的高频成分。根据电能质量信号的特点，小波包变换对选择频率分支有适应性，然后去匹配频率，从而提高时频精度。它非常适合分析各种高频，非稳定信号，例如电压暂降，电压凹陷和电磁暂态等。所以正交小波变换有更加广泛地应用。

1.2 小波基函数的选择

Daubechies小波具有正交性、紧支撑性和高常态性等优点，所以我们推荐在电力系统中使用Daubechies小波。Daubechies小波具有4、6、8和10阶滤波器系数，在很多扰动检测情况下工作很好，因此本文选择使用Daubechies小波。

在电能质量扰动检测中，扰动一般分为两种：快速和慢速瞬变。在快速瞬变时，波形具有锋利的边缘，突然和迅速的变化，和非常短的持续时间，这种情况下，选择db4小波和db6小波，因为它们的紧密性，能够非常好地检测和定位干扰;在慢速暂态情况下，波形有很小的改变或者缓慢的幅值变化，此时使用db8和db10小波，它们的时间间隔足够长，可以捕捉到缓慢变化。

2 基于正交小波包变换的检测与定位方法

2.1 信号去噪

电力系统波形信号含有的白噪声可能会影响检测理论的性能，甚至导致检测失败或者误判。因此，原始信号去噪是十分必要的，是电能质量检测和识别的关键部分[4]。

在工程应用中，有用信号通常表现为低频或平稳信号，噪声信号通常表现为高频信号。根据这个原则，信号去噪可以根据这种方法实行：第一，信号经过小波包分解，噪声通常包含高频系数;第二，小波包系数经过阈值处理;第三，把处理过的信号进行重建。经过这三个步骤，噪声便可以被消除。

2.2 检测与定位

电能质量扰动的特征主要是电压幅值的改变和瞬态故障的持续时间。例如，电压暂降可以被描述为幅值和持续时间。利用正交小波包变换可以提取特征向量从而描述电压幅值的改变和持续时间。正交小波包变换可以把信号划分为不同的尺度从而得到整束的信息。每个尺度匹配一部分信号而不和其他尺度混合，所以信号可以通过提取特征向量的信息获得。

3 仿真结果

3.1 电压暂降与电压暂升

电压暂降和电压暂升是对称的，所以只对电压暂升进行仿真。

图1a为一个有10%高斯白噪声的电源频率信号。采样频率为25kHz，每个周期有500个采样点。X轴和Y轴分别为采样点和电压幅值。从图1a中我们可以看出33%的电压暂降发生在3个周期，扰动从1500th开始到3000th。

降噪结果在图1b中。降噪后的波形是平稳的，信号特征被完全保存，因此很容易测量信号的奇异点。

检测和定位去噪后的信号运用db10小波在第三尺度检测定位，正交小波包变换把信号分解为八个频带，每个频带的带宽为3.125kHz，L30为信号的低频，L31-L37同时包含低频和高频信息。根据奇异点，我们可以判断出突变发生的时刻和持续时间。

3.2 震荡暂态

根据频率的不同可以分为高频暂态、中频暂态和低频暂态。本文只对低频暂态进行研究。

图2a为一个含有10%高斯白噪声的电源频率的震荡暂态信号。采样频率为20kHz;采样点为400个每周期。X轴和Y轴分别为采样点和电压幅值。电压振荡发生在t=0.1s的时刻。

用同样的方法去噪，去噪后的信号见图2b。去燥效果很好，信號特征被保留。

去噪后检测和定位信号。用db4小波分解，正交小波包变换把信号分解到8个频带，每个频带是2.5kHz。S30是低频信号，S31-S37包含高频和低频信息。我们可以看出震荡暂态开始在2000th，和理论值相同。

4 结束语

本文提出的基于正交小波包变化进行电能质量扰动检测和定位的方法，通过对仿真原始信号去噪后，用正交小波包变换法对信号进行检测和定位。仿真结果表明，该方法有更好的检测性能，对信号扰动的检测和定位准确，具有较高的使用价值。

参考文献：

[1]关维国，姚志清，高阳，等.基于db4小波的配电网暂态电能质量扰动的检测与定位[J].电力系统运行与控制，2015，43（8）：102-106.

[2]常学飞，田立军，秦英林.一种精确确定电压暂降凹陷域的算法[J].电力自动化设备，2011，31（4）：64-68.

[3]全惠敏，戴瑜兴.基于S变换模矩阵的电能质量扰动信号检测与定位[J].电工技术学报，2007，22（8）：119-125.

[4]潘泉，张磊，孟晋丽，等.小波滤波方法及应用[M].北京：清华大学出版社，2005.