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摘要：随着电力产业的市场化，电力系统逐渐实现网络化、规范化。广大电力用户对电能质量提出了更高更新的要求，因此，电能质量的监测和分析得到了电力部门的高度重视。本文基于电能质量的基本概念出发，分析了其特点，重点对电能质量分析方法进行了阐述。
关键词：电能质量；质量分析；用电设备；分析方法
0、引言
电能质量问题直接影响到电力系统的安全稳定运行和供电的可靠性，主要分为稳态和暂态电能质量两个方面。其中，稳态电能质量问题，主要是指电压及频率偏差、三相不平衡偏差、电压波动、电压闪变、高次谐波等问题时限较长、特征平稳的问题。经过各种针对电能质量问题分析的方法体系日益完善，且电力系统运用了可靠的实时的在线监测装置，电能质量问题中的稳态电能质量已经有了明显的提高。较之稳态电能质量，暂态电能质量主要指问题时限极短、特征不具明显规律的短时扰动，其典型问题包括电压尖峰、电压缺口、电压中断、电压暂升、电压暂降、短时谐波、脉冲暂态﹑振荡暂态等。暂态电能质量给电力系统的安全稳定运行造成了明显的影响，越来越收到工业生产部门、电力部门及电力客户的普遍重视。因此，对电能质量问题进行准确的分析至关重要。
1、电能质量标准分析
电能质量标准是评价和判断电能各项指标的标尺，也是衡量电能产品优劣的重要依据。电能质量标准由于地域不同、供电情况差异也存在一定差异。影响电能质量的指标主要有：谐波、间谐波、负序、闪变、电压暂降。
2、电能质量的分析方法
电能质量问题的分析方法从计算工具主要分为时频分析法和非时频分析法。其中，时频分析法主要包括:短时傅立叶变换、S变换、二次变换、小波变换和Hibert一Huang变换等。而非时频分析法主要包括:分形法、数学形态分析法、差变分析法、dq变换及瞬时无功功率理论法。非时频分析方法的优点主要体现在：能实时跟踪扰动的变化，对电能质量实现实时监测，且计算速度快。非时频分析法的缺点是，不能对信号实现时间和频率的联合检测，提取到的特征具有单一性，无法进行信号的综合判断。时频分析法的优点是，将信号进行时域和频域进行综合检测，能够对信号的局部变换进行精确的描述。电能质量扰动信号一般是非平稳信号，其信号特征随时间而实时变化。因此，运用时频分析法对电能质量进行分析具有更大优势。
2.1、基于时频的电能质量分析方法
基于时频的电能质量分析方法需要运用数字技术，开发相应的分析软件和工程方法，对电力系统电能质量的各干扰源进行数学描述，以改善和提高电能质量。这种技术分为基于时域、基于频域和基于变换域三种分析方法。目前基于数字技术的各种分析方法的应用领域有：干扰源引起的波形畸变、电力系统谐波分析、电能质量控制装置研制等。
基于时域的分析方法主要指时域仿真法，时域仿真法运用数字技术，在电能质量问题分析中应用最为广泛。目前常用的时域仿真程序主要有电力系统暂态仿真程序和电力电子仿真程序两大类。时域仿真法通过建立电力系统模型，对采集到的电网数据信号进行仿真分析。它主要研究的暂态现象有：分析电压尖峰、电压缺口等电能质量问题对电力系统造成的影响；分析电容器投切造成的暂态现象；开发新型电力电子控制装置等。时域仿真方法能运用电网数据实时仿真，快速判断扰动类型。而该方法的缺点就是模仿应用的最大频率范围受仿真步长的限制，分析时需要先知道暂态过程的频率覆盖范围。因此，仿真时，可能会引起数值振荡，导致仿真结果不准确。
基于频域的分析方法主要用于分析计算谐波问题，包括谐波潮流计算、频率扫描分析等。近年来提出一种混合谐波潮流计算方法，该方法考虑了一些非线性负载的动态特性，运用时域仿真程序对非线性负载进行仿真，仿真后，运用数学模型计算谐波潮流，运用计算出的各次谐波动态电流矢量，求得谐波潮流解。这种方法弥补了时域仿真法准确性不足的缺点，可以精确地描述谐波的动态特性。缺点是计算量大，求解过程比较复杂。
基于变换的方法主要有傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、二次变换、S变换等。
傅里叶变换主要用于分析处理平稳信号。傅里叶变换指信号从时域到频域的变换，而其反变换是指信号从频域到时域的变换。而时域与频域的变换为一对一映射。通常，采样装置运用离散傅里叶变换和快速傅里叶变换可对非正弦周期信号的连续时间信号进行等间隔采样，并把采样值依次转换成数字序列，进行谐波分析。傅立叶变换法正交﹑完备、快速，在整体上将信号分解为不同的频率分量，适用于平稳信号的分析，如谐波。但是傅里叶变换只能分别从信号的时域和频域 观察，却不能进行时频综合分析，因此不能应用于时变非平稳信号的准确分析。
短时傅里叶变换是经典的线性时频分析方法，是分析非平稳信号的有力工具。它的基本思想是：将连续的非平稳信号进行窗函数截取，采用傅立叶变换分析窗内信号，确定窗内时间段对应的频率，沿着信号移动窗函数，得到信号的时频分布。由于窗函数截取的时间极短，可以认为信号在窗内是平稳的。短时傅里叶变换在一定程度上克服了傅里叶变换不能用于时间局部分析的缺陷，可以进行时变非平稳信号的分析。短时傅里叶变换的缺点是，分析非平稳信号时,其时-频窗口固定不变,不具自适应性，存在加窗变换所固有的混叠现象。
小波变换是指运用大小固定而形状可改变的窗口截取信号进行分析。小波变换在高频部分具有较高的时间分辨率，在低频部分具有较高的频率分辨率，因此被称为信号分析的“数学显微镜”。小波变换具有多尺度分析特性，可以提供扰动信号不同尺度的特征,具有自适应性。小波变换将信号有效地进行时频局部化，并且小波函数本身衰减很快，用于不平稳信号的分析有独特的优势。基于上述优点，小波变换在电能质量问题的分析中应用广泛。小波变换的主要缺点是小波窗函数受噪声影响，选择困难，计算较复杂。
S变换近年来新提出的一种时频可逆的分析方法，其基本思想是对短时傅里叶变换和连续小波变换的基本方法进一步地深化应用。在S变换中，窗函数是一个可随频率的变化而伸缩的高斯函数，将变换结果与频谱关联，可成功提取扰动信号任意频率分量的直观特征。S变换既克服了短时傅里叶变换窗口高度和宽度不变的缺陷，又解决了小波变换其分辨率依赖于频率﹑变换核不必满足容许性条件等缺点。S变换的变换结果与频谱有简单的对应关系，且抗噪能力强，可实现快速计算。由于S变换在电能质量问题分析上较其他方法有更强的检测识别能力，因此更为广泛地应用于扰动信号分析。
2.2、基于非时频的电能质量分析方法
基于非时频的电能质量分析方法主要有数学形态学﹑瞬时无功功率法﹑dq变换﹑差分分析法等方法。
数学形态学分析法是指，运用扁平结构进行膨胀运算，提取采集信号时的幅值特性，对采集到的差变信号进行梯度运算，由此检测奇异点，分析扰动信号。扁平结构元素的长度决定其滤波特性，短结构元素决定信号的高频特性。运用扁平结构及短结构元素可以组成形态滤波器，用于滤除高频噪声和平稳的信号。该方法适用于实时监控动态扰动信号。该方法的缺点是，很难选择出合理的结构元素，随着结构元素增长，计算时间也增长。当扰动较小时，该方法可能失效。
瞬时无功功率法是指，在检测识别电能信号扰动时，运用瞬时无功功率理论对扰动信号进行变换。该方法能够对短时电能质量扰动进行准确的识别。如电压暂降、电压暂升等暂态电能质量问题。该方法的缺点是，瞬时无功功率理论检测存在延时，因此运用该方法仅限于暂态电能质量的扰动信号持续时间特别短时，否则可能检测失败。
Dq变换法通过对三相电流或电压进行dq变换，从变换结果中提取相应的特征量，通过分析提取到的特征值，对电能质量扰动信号进行有效地检测分类。
2.3、电能质量分析方法的优缺点分析
通过上述分析，总结上述电能质量分析方法的优缺点如下表所示：
电能质量分析方法的优缺点
总结各电能质量分析方法的优缺点及其对电能质量扰动检测的应用，我们看到，各种变换方法各具优缺点，应用的范围各有不同。基于S变换的方法，能提取直观的信号扰动特征，其变换结果与信号的频谱有简单的对应关系，能够提取信号任意频率分量的特征，S变换具有自适应性，而且抗噪能力强，可实现快速计算。随着各种电能质量分析方法的运用，S变换逐渐显现出较其他电能质量分析方法的更强的扰动检测和识别能力，改进S变换、不完全S变换也逐步应用于电能质量问题分析。由此可见，进一步研究S变换在电能质量扰动信号检测上的应用，并选择分类器对电能质量扰动信号进行特征提取，进行信号的有效识别，将具有很大的应用潜力和实用价值。
3、结语
对于电能质量，用户提出了更高更新的要求，电能质量问题也日益突出。对电能质量的分析方法的优缺点进行归纳总结，对各分析方法的深入研究，有利于提高电能质量分析技术水平，从而提高电力系统电能质量，对提高我国电能质量具有重要的积极促进作用。
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论文作者:刘晨晨,何维伟
论文发表刊物:《防护工程》2017年第34期
论文发表时间:2018/4/2
标签：电能论文; 信号论文; 质量论文; 方法论文; 时域论文; 谐波论文; 质量问题论文; 《防护工程》2017年第34期论文;