张淑娟I，孙伟舄汪玉I，郑高峰$，李博I，邵蹌伟'
(1.安徽省电力科学研究院，合肥230000；2.安徽省电力有限公司，合肥230000)
摘要：在谐波环境下，电能质量容易发生畸变，电力系统极其不稳定，该研究采用时域特性分析的方法，构建出改进型的电能质量扰动分析模型。该模型能够提取电能扰动特征量、基波幅值变化特征量和加性扰动特征量等，通过Daubechies小波变换实现信号的放大，并对电能质量进行多角度分析。该研究通过对电能质量特征进行量化分析，及时获取谐波、间谐波和振荡暂态信息，在杂波环境下实现电能质量的特征分析。试验表明，在仇次不同谐波次数影响下，电能质量评估误差率较低，从而提高了电能表评价性能。
关键词：谐波环境；时域特性分析；电能扰动特征量；加性扰动特征量；振荡暂态信息
中图分类号：TM561文献标识码：A文章编号：1009-2552(2021)04-0130-06
DOI：10.13274/jki.hdzj.2021.04.024
Power quality evaluation based on time-domain characteristic analysis in harmonic environment ZHANG Shu-juan1,SUN Wei1,WANG Yu1,ZHENG Gao-feng2,LI Bo1,SHAO Jun-wei1
(1.Anhui Electric Power Research Institute,Hefei230000,China；2.Anhui Electric Power Co.,Ltd・, Hefei230000,China)
Abstract:In the harmonic environment,the power quality is prone to distortion and the power system is ex・tremely unstable・This study adopts the time-domain characteristic analysis method to construct an improved and new power quality disturbance analysis model・This model can extract algorithm models such as power disturbance characteristic quantity,fundamental wave amplitude change characteristic quantity and additive disturbance characteristic quantity,realizes signal amplification through Daubechies wavelet transform,and conducts multi-angle analysis of power quality.In this study,through quantitative analysis of power quality characteristics,and through timely acquisition of harmonics,interharmonics and oscillation transient information,the characteristics of power quality are analyzed in a clutter environment.Experiments show that under the influence of different harmonic orders of the h-th order,the power quality evaluation error rate is relatively low,thereby the evaluation perfonnance of the electric energy meter is improved・
Key words：harmonic environment；time-domain characteristic analysis；electric energy disturbance characteristic quantity；additive disturbance characteristic quantity；oscillation transient information
o引言
______________________________________________随着时代的进步与科技的发展，越来越多的作者简介：张淑娟(1977-)，本科，高级工程师，研究方向为信息_____大功率电力电子设备被使用在电力系统中，产生技术等。诸如谐波、电压暂降等扰动，导致电能质量问题愈—130—
谐波环境下基于时域特性分析的电能质量评估一张淑娟等
加突出。电能质量情况直接影响到电力设备健康运行状况，关系到用户的切身利益。因此，对电能质量及时、有效地分析和评估已成为当下亟待解决的问题2。
现有技术中，也有很多电能质量分析方法，文献[3]通过S变换和SVM分类器的方式实现电能质量的分析，虽然在一定程度上能够实现电能质量分析，但该方法仅仅通过S变换和SVM分类器进行分类的方式实现，当遇到离散的信号时，就难以信号数据分类；文献[5]通过分割乘法器的方式对电能表的误差进行量化分析，但是电网中存在多种信号的误差因素，在进行乘积计算时，容易受外界干扰造成误差，很难实现高精度分析，本文提出一种新型的电能质量分析方法来改变现状。
1基于改进型时域特性的电能质量扰动分析本研究采用改进型时域特性进行电能质量分析，在传统技术中融入了Daubechies小波变换方法，大大提高了分析精度。
在应用改进型时域特性分析电能质量时，首先建构初始函数方程，在无任何干扰因素下，存在以下函数：
=t/]Sin((w o i)(1)在该信号前提下，对原始信息进行3次或者5次扰动时，则有:
u(a)t)={1±A[u(t2)-u(tj)H sin(«y o t)
+a3sin(3&>0?)+a5sin(5w o i)
(2)式中，表示为3次谐波下的电压幅值，分别表示5次谐波下的电压幅值。
当电网中的电压信息出现波动现象时，谐波电压将出现与电压暂升或电压暂降的数据信息进行叠加的现象，通过数学模型可以表示为：
{1±A[u(i2)-)]}sin(<w o f)
(3)式中，用“+”表示电压暂升；用“-”表示为电压暂降；用字母人表示为电压暂升或电压暂降的幅值山和<2分别表示为电压暂升或电压暂降的起止时间。
将原始输出信息的电压基波信号乘以在外界干扰情况下输出的电压扰动信号，两种方式的基波输出信息互相累加，则可以输出电压暂升或电压暂降以及闪变等异常外界干扰数据信息的信号。电压中出现的其他异常数据信息，比如欠电压、过电压、持续中断等异常数据信息也与上述信号处理的方式相同⑹。
下面通过公式对上述理念进行诠释，在对扰动特征量信息提取时，可以应用以下公式：u(i)/)sin(坎+
n(4) +》y/2U h sin(ha>t+(p h)
h.=2
式中，E/为电压基波幅值函数，如果信号中有暂降扰动，则通过以下公式表示：
u v=1-A[uM-臥耳)](5)
当存在基波幅值扰动时，需要将基波幅值变化信息提取出来，此时需要滤掉其他非基波幅值变化信息的分量，通过以下公式表示：
u(t)•Qsin3+<Pi)=%+Mu(t)+w lun(i)
(6)式中，Sd表示为电网信息中的直流分量；假设信号的正弦波某一序列，知(0为该序列的N倍，在存在的正弦交流分量中，u lun(0表示为上述序列中非基波频率N倍。对式(6)在单周期内积分，则为零,u lun(t)为非零值。如果基波幅值变化特征量用U lf/U ld来表示，假设该物理量记作为F1，在进行电能质量分析过程中，F1变化与输出的电能质量幅值变化成正比。F1经过了基波选频和低通滤波，能够滤除除基波频率以外的所有频率分量。当有非整数倍基波频率分量出现时，低通滤波能够将其滤除，因此F1能够正确反映基波幅值的变化〔7-9〕。
在进行加性扰动信息提取时，该信号包括很多种信息，比如谐波、间谐波和振荡暂态等。对于稳态的谐波、间谐波来说，扰动长时间存在，而振荡暂态很快会完全衰减，是暂时性存在的，如果能到一个特征量来表征长时间存在于波形中的扰动分量的平均值，可以将稳态与暂态的加性扰动信息区分开来3〕。
当信息中包含多种异常信息的合成时，比如直流分量信息、基波频率整数倍的正弦交流分量
—131—
三星s8300c
谐波环境下基于时域特性分析的电能质量评估一张淑娟等菲比 凯茨
信息、非基波频率整数倍的正弦交流分量等，用 F2表示这些数据关系，则通过以下公式表示：
~
N
丫［〃2仏)一％仏)］
沁------------------ ⑺
为了更清楚地应用扰动信息，本研究融合小 波变化的方式实现小信号放大和定位。下面对小 波变换的扰动定位情况进行判断。
由于扰动颇多，本研究以个别扰动信息作为
示例性说明。电压突升波形示意图如图1所示。
2
_2 0
0.05
0.10 0.15 0.20
f/s
图1电压突升波形示意图
联通宝视通
其中电压扰动定位波形示意图如图2所示。
1 O
.O a E E
、«!®一
-0.01 ------------------------------------------------------------100 200 300 400 500
采集点/个
图2电压扰动定位波形示意图
本研究采用Daubechies 系列小波变换能够获 取较好的时域分辨率，假设在图1中获取的原始
时域信号如表1所示。
表1原始数据信息表
帝京景物略
频率/Hz 50150300
600有效值/V
1
11
1
通过Daubechies 小波变换后，可获取小波分
解信号，最终得出时域信息数据表如表2所示。
通过表1和表2可以看出，在进行信息分析表2 Daubechies 小波变换后信号频段
级数
低频频段/Hz 高频频段/Hz 谐波
10 - 16001600 -320020-800800 - 1600
3
0-400400 -80012次40-200200 -4006次5
0-100
100-200
3次
时，通过Daubechies 小波变换后能够获取更好的
数据信息，不容易察觉到数据信息被放大，以更好 地进行信息分析。
2电能质量特征量化分析
对提取到的电能质量特征进行量化分析，以
精确计算出电能质量的具体影响量。基于公式1 -8，在具体分析时，需要用到时分割乘法，下面通 过计算公式进行说明⑴］。由于影响电能质量的
因素很多，谐波表现尤为明显，以谐波影响量为 例，对多种扰动信息进行量化分析。电能表输出 信号信息用以下公式表示：
u } (f) = sin (w o f
(8)u 2 (f) = sin2(w 0i
(9)
在式(8) - (9)中,e ()表示电能表输出信号信息 中谐波基波角频率，在人次谐波干扰下，谐波含量
可以为：
u Vh = y2A A sinw A i
(10)张=QB»sin (如 + 仇)
(11)
在公式(10) - (11)中，/r 为信息输入量的频率,
其中九表示在h 次谐波的电压值;/表示在h 次谐波的电流值;®为在h 次谐波时的角频率;
仇为h 次谐波输入下，输出信息中的谐波电流相 位减去谐波电压相位的值［⑵。如果谐波信息存
在某些干扰信号，则在调整不同信息时的调整频 率为F，在一个时分割周期的时段内，利用基波分
割的份数进行数据表示时，则有：
m = ¥ (12)
式中#为工频，在每个周期范围内，某些等份对
应的弧度为2”/“，在h 次谐波输入的情况 下［⑶，单周期范围内所分割的份数为：切=n./h o
在h 次谐波输入下，u uh 和i,h 在进行k 次分割
—132
—
谐波环境下基于时域特性分析的电能质量评估——张淑娟等
时的输出函数用公式表示为:
2kir
2 “J 绝血％
n l
U Uhk
ms 比二
一 cos
(13)
2khir\
2( A; - 1) hp
cos
(14)
一 cos \ W
)1
在h 次谐波输入下，用以下公式表示谐波功
率理论量测值：W 血凤cos 仏耳=一 2佑2
n l
X
艺 cos k = l
则理论值与计算值之间的差可以为:
Ph - Phs = AhBhCosi//h
r “1
「〜仏= 1 \2
r
一 1
2(k _ 1) hir 2kfi7r
2A 2tt 2
-cos 处叮2( A; - 1) hp
(15)
(16)
为了简化上述公式，假设:
& =
-cos 込
分量,N 表示综合谐波中输出的最大谐波次数，其
中P 。： = 1 o 通过上述分析，能够将电能质量量化 计算。
3实验结果及分析
实验时，主机硬件配置为：Intel Xeon E3- 1220v53.0GHz 四核，处理器的型号为Intel(R)
Core(TM)i7-3770 ***********，内存为 16GB,
操作环境中的软件环境为Windows 10操作系 统［⑷。下面分别用传统的谐波设备检测方法(方
案一)和示波器波形分析方法(方案二)与本研究 的方法进行对比分析。示波器的带宽在实验期间
输出为100MH，采样率为3. 5GS/S 。仿真软件应 用Multisim，为了人为地产生不同谐波，采用谐波
发生器产生不同的谐波，谐波输入量为人次，数据 如表3所示。
表3谐波输入量数表示意图
高次谐波偶次谐波次谐波奇次谐波
谐波
含量
谐波含量谐波含量
谐波含量
0-45Hz 82%2次35.5%36.5Hz 80.3%3次51.2%45 -90 Hz
61%4次22.5%60.5Hz 59.4%5次20.5%
90 - 150Hz
8%
6次20.3%
一 -7次18.4%-8次15.3%
一 一9次14.6%-
10次11.9%
- -11次11.5%-12次9.7%一 一
13次
9.4%-
14次
9.1%
一 一
15次
8.6%
2khp *
x
a. 5
2
2
(17)
则在h 次谐波输入下，谐波计量误差可以为:
e ph =(仏-1) X100% (⑻在基波的基础上进行多次谐波叠加计算时, 误差公式可以表示为：
N
5(Po+Ph-Ph°-PQ
h =2
e p = -----------------N --------------------------------------------
工(P°+PJ
"2
(19)
N
、‘
工(K 。+念-1)(P°： +P ；)
h = 2
二
N
m%)
h=2
式中,P ： = A 中的下标0为混合信号中的基波
通过人为地制造谐波，电能表检定装置在工
作过程中，供电电压输出波形的失真度范围为
0. 2% -0. 5% ，电流波形失真度范围为0. 2% - 0. 4%，功率准确度范围为0. 1% -0. 5%，频率输
岀范围为0Hz-70Hz o 通过实验可以看到，在0- 45Hz .45 -90Hz 、90 - 150Hz 的范围内，高次谐波 的含量分别为 82%、61%、8% ；在 36. 5Hz ,60.5Hz
的范围内，次谐波的含量为80. 3%、59. 4%，奇次
谐波次数分别为3 - 15次时，谐波含量分别为 51.2% .20. 5% J8. 4%、14.6%、11.5%、9. 4%、 &6%［⑸。实验时，得出实验数据表如表4所示。矩阵干扰
根据表2的实验结果计算本研究算法的各种 数据误差，误差率的计算公式为：
误差率％ =测量監甞准值X100% (20)
—133
—
谐波环境下基于时域特性分析的电能质量评估一张淑娟等
误差试验表如表5所示。
表4试验数据表(W)标准功率基波检测高次谐波偶次谐波次谐波奇次谐波220218.5289.2301.2294.2378.2
220217.3293.1306.5305.1386.1
220219.7295.2315.2310.2393.2
220216.8283.9325.9328.9402.9
220218.9285.7328.7376.7406.7
220219.7281.6329.6362.6412.6
表5误差试验表
标准功率基波髙次谐波偶次谐波次谐波奇次谐波(W)误差误差误差误差误差
2200.68%31.5%36.9%33.7%71.9%
220 1.23%33.3%39.3%38.7%75.5%
2200.14%34.2%43.3%41%78.7%
220 1.45%29.1%48.1%49.5%83.1%
2200.5%29.9%49.4%71.2%84.5%
2200.14%28.0%49.8%64.8%87.5%
为了提高数据的准确性，假设分别在12种不同的电能表检定装置中对100个电能表质量进行分析，则得出样本数据库如表6所示。
表6样本数据记录表
电能表检定装置电压（V）电流（I）功率（W）样本数/个1#装置111.219.81987100
2#装置110.2110.011292100
3#装置110.9810.21907100
4#装置111.3110.111298100
5#装置110.0110.81942100
6#装置111.019.971241100
7#装置110.2110.011121100
8#装置110.6510.081109100
9#装置110.9810.111118100
10#装置109.5610.211154100
11#装置110.879.911103100
12#装置109.429.971109100
在12种不同数据类型中，选择100个数据样本集，对比不同算法的评估效率。通过持续1个小时的测试，得出对比曲线图如图3所示。
90
80
70
6(|
5()
4<)
30
20
艺<
嗨
诧
廉
举
"%30405060708090100
电能农样本数晟
距离W20距离＞20
图3整体系统对比曲线图
在图3中，白实线表示本研究技术方案，短虚线为方案一，长虚线为方案二，通过图像可以看出，本研究的方法在相同的时间内样本完成率最高。下面对样本的正确率进行对比分析，选取海量的电能表数据信息进行分析。分别研究在相同数据样本内电能质量分析的正确性，得出误差曲线对比示意图如图4所示。
通过图4可以看出，测试数据集越多，数据信息越明显，方案一的方法开始时电能质量误差分析正确
率虽然在一定程度上高于方案二，但是，随着数据的增多，准确率越来越小，在整个测试过程中，本研究方法的准确度最高，因此，本研究的方法具有较高的准确性。
100
落叶是疲倦的蝴蝶80
70
60
50
90
°10
40
30
20
10
2030405060708090100
电能计量大数据测试数据集/(*IO?)
4—方案一
f—
—方棗二
七—本研究方法
图4误差曲线对比示意图
—134
—
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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