電能質(zhì)量分析方法

　　電能質(zhì)量分析方法
 

　　電力系統中的各種擾動(dòng)引起的電能質(zhì)量問(wèn)題主要可分為穩態(tài)事件和暫態(tài)事件兩大類(lèi)。穩態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、間諧波、波形下陷及噪聲等；暫態(tài)事件通常是以頻譜和暫態(tài)持續時(shí)間為特征，可分為脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)兩大類(lèi)。
 

　　電能質(zhì)量的分析方法主要有時(shí)域仿真法、頻域分析方法和基于變換的方法。
 

　　時(shí)域仿真法
 

　　時(shí)域仿真方法在電能質(zhì)量分析中的應用為廣泛，其主要的用途是利用各種時(shí)域仿真程序對電能質(zhì)量問(wèn)題中的各種暫態(tài)現象進(jìn)行研究。對于電壓下跌、電壓上升、電壓中斷等有關(guān)電能質(zhì)量暫態(tài)問(wèn)題，由于其持續時(shí)間短、發(fā)生時(shí)間不確定、對頻域分析提出了較高的要求，較多采用時(shí)域仿真方法。
 

　　目前EMTP(Electro-MagneticTransientProgram，電力系統電磁暫態(tài)分析的仿真軟件)、EMTDC(Electro-MagneticTransientofDirectCurrent，直流電磁暫態(tài)計算程序)、NETOMAC(NEtworkTOrsionMAchineControl，德國西門(mén)子公司開(kāi)發(fā)的用于電力系統仿真軟件)等系統暫態(tài)仿真程序和SPICE(Simulationprogramwithintegratedcircuitemphasis，是為普遍的電路級模擬程序)、PSPICE(是由SPICE發(fā)展而來(lái)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(jīng)被做成商業(yè)軟件。采用時(shí)域仿真計算的缺點(diǎn)是仿真步長(cháng)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(tài)過(guò)程的頻率覆蓋范圍。此外，在模擬開(kāi)關(guān)的開(kāi)合過(guò)程時(shí)，還會(huì )引起數值振蕩。
 

　　頻域分析法
 

　　頻域分析方法主要用于電能質(zhì)量穩態(tài)問(wèn)題。比如諧波、電壓波動(dòng)和閃變、三相不平衡等。相對于暫態(tài)問(wèn)題，此類(lèi)事件具有變化相對較慢、持續事件較長(cháng)等特點(diǎn)。對稱(chēng)分量法是常用的方法。它的優(yōu)點(diǎn)是概念清晰、建模簡(jiǎn)單、算法成熟，但耗時(shí)長(cháng)。
 

　　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(zhì)量中諧波問(wèn)題的分析。
 

　　頻率掃描和諧波潮流計算在反映非線(xiàn)性負載動(dòng)態(tài)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(fā)展起來(lái)。其優(yōu)點(diǎn)是可詳細考慮非線(xiàn)性負載控制系統的作用，因此可描述其動(dòng)態(tài)特性。缺點(diǎn)是計算量大，求解過(guò)程復雜。
 

　　基于變換的方法
 

　　在電能質(zhì)量分析領(lǐng)域中廣泛應用的基于變換的方法主要有傅里葉變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、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(zhì)量分析領(lǐng)域中的基本方法，傅里葉變換的優(yōu)點(diǎn)是算法快速簡(jiǎn)單。但其缺點(diǎn)也很多：
 

　?、匐m然能夠將信號的時(shí)域特征和頻域特征聯(lián)系起來(lái)觀(guān)察，但不能將二者有機地結合起來(lái)。
 

　?、谥荒苓m應于確定性的平穩信號(如諧波)，對時(shí)變非平穩信號難以充分描述。
 

　?、鄱虝r(shí)傅里葉變換(STFT)的離散形式?jīng)]有正交展開(kāi)，難以實(shí)現高效算法；只適合于分析特征尺度大致相同的過(guò)程，不適合分析多尺度過(guò)程和突變過(guò)程。
 

　?、芸焖俑道锶~變換(FFT)變換的時(shí)間信息利用不充分，任何信號沖突都會(huì )導致整個(gè)頻帶的頻譜散布；在不滿(mǎn)足前提條件時(shí)，會(huì )產(chǎn)生“旁瓣”和“頻譜泄露”現象。
 

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

　　2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法
 

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)性動(dòng)力學(xué)系統，又是自適應組織系統，可用來(lái)描述認知、決策及控制的智能行為。
 

　　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )法的優(yōu)點(diǎn)是：可處理多輸入-多輸出系統，具有自學(xué)習、自適應等特點(diǎn)；不必建立數學(xué)模型，只考慮輸入輸出關(guān)系即可。
 

　　缺點(diǎn)是：存在局部極小問(wèn)題，會(huì )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(wǎng)絡(luò )的訓練速度和訓練質(zhì)量；網(wǎng)絡(luò )結構不易優(yōu)化。
 

　　3)二次變換法
 

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

　　二次變換的優(yōu)點(diǎn)是：可以準確地檢測到信號發(fā)生尖銳變化的時(shí)刻；測量基波和諧波分量的幅值。缺點(diǎn)是：無(wú)法準確地估計原始信號的諧波分量幅值；不具有時(shí)域分析功能。
 

　　4)小波分析法
 

　　小波變換是近年來(lái)興起的一種算法，由于具有時(shí)域局部化的優(yōu)點(diǎn)，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(jīng)有許多文獻應用小波變換對諧波監測、電磁暫態(tài)波形分析、電力系統擾動(dòng)建模等電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了研究。小波變換是一種多尺度分析數字技術(shù)，它通過(guò)對時(shí)間序列過(guò)程從低分辨率到高分辨率的分析，顯示過(guò)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(yōu)點(diǎn)是：具有時(shí)-頻局部化的特點(diǎn)，特別適合突變信號和不平穩信號分析；可以對信號進(jìn)行去噪、識別和數據壓縮、還原等。
 

　　缺點(diǎn)是：在實(shí)時(shí)系統中運算量較大，需要采用DSP等高價(jià)格的高速芯片；小波分析有“邊緣效應”，邊界數據處理會(huì )占用較多時(shí)間，并帶來(lái)一定誤差。
 

　　5)Prony分析法
 

　　Prony分析衰減的思想類(lèi)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(lèi)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(diǎn)是計算時(shí)間過(guò)長(cháng)。