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《湖南大学》 2009年 博士论文
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电能质量参数检测算法的研究

江亚群  
【摘要】:随着国民经济和现代科学技术的飞速发展,电能质量问题正受到越来越多的关注。全面有效的检测和分析是改善和提高电能质量的前提和依据,快速、先进、有效的参数估计算法是实现有效检测和分析的基础。 由于电力信号的复杂性和电能质量内涵的扩展性,以及不断提高的测量精度、广度与测量速度的要求,电能质量指标参数测量技术有待进一步发展和提高。 本文依据国内外相关电能质量标准,结合电能质量研究现状和工程实际需要,应用数字信号处理技术及电力系统自动化技术,研究电能质量中最重要和最受关注的指标参数的测量理论和估计算法。主要工作包括: 1)提出了一种基于自适应短时傅里叶变换的基波参数估计算法,并以此算法为基础计算电压偏差、频率偏差、三相不平衡度和功率因数等基本电能质量参数。算法采用固定的采样周期,采样频率不需随信号频率的变化而调整,实现简单;算法不需要迭代运算,可一次得到参数估计值,计算量小,响应时间快;通过采用矩形自卷积窗,并自适应地确定与信号频率相适应的时间窗宽度,有效抑制了频谱泄漏对基波参数测量的影响,测量精度高。 2)根据谐波和间谐波各自的频谱特征,提出了一种新的谐波、间谐波实时检测算法。算法根据正余弦函数的特性,将各次谐波分量变换成直流分量,经由低通滤波后估计其有效值和初相角;从原信号中去除基波和谐波分量,再通过搜寻频谱极大值获取间谐波频率及有效值和初相角。算法实现简单,精度高,动态跟踪特性好,适合于离散频谱电压、电流信号的谐波、间谐波参数实时估计。 3)谐波、间谐波和闪变关系密切,但现有谐波、间谐波的检测与闪变的检测实现方法不同且无关联。本文推导了间谐波和调幅波对于闪变的等价关系,在此基础上,将间谐波检测和闪变检测结合起来,根据国家标准和IEC标准的闪变检测技术规范,提出了一种基于间谐波估计的闪变参数检测新算法。新算法除了能求取瞬时视感度、短时间闪变值和长时间闪变值等反映闪变强弱的参数外,还能提供电压波动频度和幅度的信息,有利于电压波动与闪变的分析和治理,为闪变检测提供了一种新的实现模式。 4)应用数字图像处理理论,采用图像边缘形态检测算子,实现了暂态电能质量扰动的检测和时间定位。该方法具有实现简单,计算量小,对采样频率要求低,实时性好等特点,可对电压暂降、暂升、短时中断、短时高频振荡、陷波等常见暂态电力扰动进行有效检测。 5)减小背景梯度是实现暂态电能质量扰动检测的关键。针对非扰动情况下电力信号周期交替变化引起的背景梯度,提出了基于Top-Hat形态变换的抑制方法,针对噪声引起的背景梯度,构造了合适的形态滤波器,提高了扰动检测的灵敏度。 6)提出了基于顺序形态学和Top-Hat形态变换的扰动检测方法,既可有效抑制信号平稳变化引起的背景梯度,又具有较好的抗噪声能力,同时很好地保留了扰动信号突变的局部细节,保证了扰动检测灵敏度和时间定位精度。 7)提出了一种改进的单相电压暂降特征参数实时检测算法。通过构造新的变换矩阵,减小了传统方法构造虚拟三相系统的延时,可对单相电压暂降幅值、持续时间和相位跳变等特征参数进行近乎瞬时的估计。分析了单相电压暂降检测时“异动”现象的产生原因,提出了基于形态运算的解决方法。 8)提出了一种改进的三相电压暂降检测算法。针对三相不平衡电压暂降,通过正序dq变换和负序dq变换,经由形态低通滤波得到三相电压的基波正序、负序分量,采用改进的单相电压暂降检测算法得到零序分量,进而得到各相电压暂降的特征参数。改进方法实时性好,参数估计精确,满足电压暂降实时检测的要求,可应用于电压暂降监测、评估及动态电压恢复器(DVR)对电压暂降的实时补偿控制。 本文提出的电能质量参数估计理论和系列算法,为电能质量实时检测和离线分析提供了有效的工具。仿真研究验证了所提算法的可行性和有效性;算法已成功应用于“基于虚拟仪器技术的电能质量综合测试仪”的研制和开发中。


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