CN114487572A - 一种电压暂降波形起止时刻定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电压暂降波形起止时刻定位方法及装置，该方法包括如下步骤：步骤一、采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，所述电压的频谱能量包括尺度系数能量和小波系数能量；步骤二、采用尺度系数能量作为电压暂降波形起止时刻的计算指标，当尺度系数能量等于设置的参考能量阈值时，确定所述尺度系数能量对应波形上的采样点即为电压暂降开始时刻或结束时刻。本发明采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，通过频谱能量在不同时刻下的变化，确定电压暂降事件的波形起止时刻，该方法可以解决传统方法不能真实反映电压暂降事件的起止时刻的问题，同时计算更加准确，更适合用于工程实践的实时应用。

Description

一种电压暂降波形起止时刻定位方法及装置

技术领域

本发明涉及电压暂降技术领域，具体是一种基于最大堆叠离散小波变换的电压暂降波形起止时刻定位方法。

背景技术

电压暂降是主要的电能质量问题之一，通常由短路故障、变压器激磁、大型电机启动引起电流短时增加，从而导致电压有效值短时降低。其中，短路故障是电压暂降的主要原因。电压暂降幅值和持续时间是电压暂降的两个重要指标。准确估计电压暂降幅值和持续时间对于帮助选择电压暂降治理设备和提高设备免疫力是非常重要。

目前，电压暂降幅值和持续时间计算的常规方法是对电压有效值进行分析，定位电压暂降的起止时刻。尽管上述方法简单有效，但基于电压有效值的方法可能会在某些事件特征的估计中出现错误。例如，在电压暂降发生时，电压有效值不会立即下降到较低值，而是在过渡过程中持续一段时间，并且电压有效值在故障后不会立即恢复，这会导致错误定位电压暂降的开始和恢复时刻。

传统的基于电压有效值的电压暂降起止时刻定位方法如下：

第一步：根据电压波形数据计算电压有效值。通常以电压一个完整周期的均方根值来衡量电压有效值的大小。采样点离散的情况下电压均方根值v_rms的计算公式为：

式中，v(m)为第m个点电压的瞬时值，△k为一个完整电压周期内的采样数；

第二步：根据计算所得的电压均方根值v_rms绘制电压有效值随时间的变化，如图1所示；

第三步：根据电压暂降持续时间的定义，电压暂降阈值设定为0.9p.u.，那么此时可以找到电压幅值0.9p.u.对应的电压暂降的起始时间为k₁ ^rms，终止时间为k₂ ^rms。

由图1所示电压波形可知，电压暂降的实际开始时间对应波形点k₁，实际结束时间对应波形点k₂，显然与上述计算的k₁ ^rms和k₂ ^rms不一致，说明传统的基于电压有效值的计算方法不能真实反映电压暂降事件的起止时刻。此外，该传统方法需要逐点计算电压有效值，因此计算速度慢，不能在工程实践中实时应用。

本申请的发明人在实现本发明的过程中经过研究发现：相电压的频谱能量可以很好地用于表征电压暂降，其性能与基于电压有效值的方法完全相同。在电压暂降前和电压暂降持续的过程中，相电压包含了大量高频分量，称之为暂态，暂态分析可以准确地识别出电压暂降开始和恢复时在电压波形上对应的时刻。

因此，本发明提出一种基于最大堆叠离散小波变换的电压暂降波形起止时刻定位方法。其中，电压的频谱能量由尺度系数能量和小波系数能量进行分解，利用相电压的尺度系数能量对电压暂降进行刻画，提出符合定义的电压暂降波形起止时刻定位方法。

发明内容

本发明提供一种基于最大堆叠离散小波变换的电压暂降波形起止时刻定位方法及装置，其采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，通过频谱能量在不同时刻下的变化，确定电压暂降事件的波形起止时刻，该方法可以解决传统方法不能真实反映电压暂降事件的起止时刻的问题，同时计算更加准确，更适合用于工程实践的实时应用。

一种基于最大堆叠离散小波变换的电压暂降波形起止时刻定位方法，包括如下步骤：

步骤一、采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，所述电压的频谱能量包括尺度系数能量和小波系数能量；

步骤二、采用尺度系数能量作为电压暂降波形起止时刻的计算指标，当尺度系数能量等于设置的参考能量阈值时，确定所述尺度系数能量对应波形上的采样点即为电压暂降开始时刻或结束时刻。

进一步的，所述步骤一具体包括：

第一步，计算在实时电压中滑动长度为△k的窗口的频谱能量ε(k)：

其中，△k＝f_s/f为一个周期内的采样点个数，根据相电压波形v可计算出对应的频谱能量，v(m)表示相电压v在第m个采样点的瞬时值；

第二步，在实时的电压波形中，滑动窗口的频谱能量分解为尺度系数能量ε^s(k)和小波系数能量ε^w(k)，如下所示：

ε(k)＝ε^s(k)+ε^w(k)

尺度系数能量ε^s(k)和小波系数能量ε^w(k)分别由两个部分组成，如下所示：

ε^s(k)＝ε^sa(k)+ε^sb(k)

ε^w(k)＝ε^wa(k)+ε^wb(k)

第三步，分量ε^sa和ε^wa是由信号滑动窗口内样本边界效应的尺度系数和小波系数引起的，如下所示：

其中，采用pyramid算法对暂降幅值最深相的电压波形进行最大堆叠离散小波变换，计算得到尺度系数

和小波系数

如下：

其中，n＝1,2,...,L-1，

v(k-L+3),...,v(k),v(k-△k+1),...,v(k-△k+L-1)}，

是信号滑动窗口的最后L-1个和前L-1个样本的序列，

和

分别是尺度滤波器和小波滤波器，L为原始电压瞬时值半周期采样点个数；

分量ε^sb和ε^wb根据实时的尺度系数和小波系数计算，如下所示：

在不考虑滑动窗口的边界效应的情况下，尺度系数能量和小波系数能量定义如下：

进一步的，所述步骤二具体包括：

采用电压暂降事件发生前的电压波形，计算得到正常运行时的参考能量E^s，如下所示：

其中，E^s是参考能量；ε(m)表示相电压采样点m处计算得到的频谱能量；k_i表示滑动窗口内的相电压采样点；

通过将相电压的尺度系数能量ε^s与参考能量E^s的阈值进行比较，即可检测到电压暂降的起止时刻。

进一步的，所述将相电压的尺度系数能量ε^s与参考能量E^s的阈值进行比较，即可检测到电压暂降的起止时刻，具体包括：

当尺度系数能量ε^s持续减小，且等于第一参考能量阈值E₂E^s时，对应波形上的采样点k₁ ^s即为电压暂降开始时刻T_start；当尺度系数能量ε^s持续增大，且等于第二参考能量阈值E₁E^s时，对应波形上的采样点k₂ ^s即为电压暂降结束时刻T_end，由此得到电压暂降波形起止时刻，

具体如下：

其中，E₁＝V₁ ²＝0.01，V₁＝0.1，E₂＝V₂ ²＝0.81，V₂＝0.9，分别为电压暂降的电压阈值。

一种基于最大堆叠离散小波变换的电压暂降波形起止时刻定位装置，包括：

频谱能量计算模块，用于采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，所述电压的频谱能量包括尺度系数能量和小波系数能量；

起止时刻确定模块，用于采用尺度系数能量作为电压暂降波形起止时刻的计算指标，当尺度系数能量等于设置的参考能量阈值时，确定所述尺度系数能量对应波形上的采样点即为电压暂降开始时刻或结束时刻。

本发明利用相电压的频谱能量可以很好地用于表征电压暂降的特点，采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，通过频谱能量在不同时刻下的变化，确定电压暂降事件的波形起止时刻，可以对电压暂降事件的电压波形中起始和结束时刻的波形点进行定位。

附图说明

图1是采用传统的基于电压有效值的电压暂降起止时刻定位方法时，根据计算所得的电压均方根值v_rms绘制电压有效值随时间的变化波形图；

图2是本发明实施例中武汉市某变电站监测到的一次电压暂降波形图；

图3为图2计算得到的电压有效值；

图4为本发明实施例计算的电压尺度系数能量。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于最大堆叠离散小波变换的电压暂降波形起止时刻定位方法，包括如下步骤：

步骤一、采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，所述电压的频谱能量包括尺度系数能量和小波系数能量。

最大堆叠离散小波变换是离散小波变换的改进，通过避免降采样，在保证准确性的基础上减少了计算时间。

最大堆叠离散小波变换通过尺度滤波器和小波滤波器将电压分为尺度系数(s)和小波系数(w)。通过使用最大堆叠离散小波变换算法，所有要分析的信号样本(主窗口)都需要计算尺度系数和小波系数。尺度系数主要受原始电压的最小频率分量影响，即频率从直流分量到f_s/4，其中f_s为采样频率；小波系数主要受原始电压的最高频率分量影响，即频率从f_s/4到f_s/2。其中，小波系数可以用于检测原始信号暂态变化的起始点和恢复点。

所述步骤一具体包括如下步骤：

第一步，计算在实时电压(信号滑动窗口)中滑动长度为△k的窗口的频谱能量ε(k)：

其中，△k＝f_s/f为一个周期内的采样点个数，根据相电压波形v可以计算出对应的频谱能量，v(m)表示相电压v在第m个采样点的瞬时值。

第二步，根据Parseval定理，信号的能量可以分解为尺度系数能量和小波系数能量。因此，在实时的电压波形中，滑动窗口的频谱能量也可以分解为尺度系数能量ε^s(k)和小波系数能量ε^w(k)，如下所示：

ε(k)＝ε^s(k)+ε^w(k)

尺度系数能量ε^s(k)和小波系数能量ε^w(k)分别由两个部分组成，如下所示：

ε^s(k)＝ε^sa(k)+ε^sb(k)

ε^w(k)＝ε^wa(k)+ε^wb(k)

第三步，分量ε^sa和ε^wa是由信号滑动窗口内样本边界效应的尺度系数和小波系数引起的，如下所示：

其中，采用pyramid算法对暂降幅值最深相的电压波形进行最大堆叠离散小波变换，计算得到尺度系数

和小波系数

如下：

其中，n＝1,2,...,L-1，

v(k-L+3),...,v(k),v(k-△k+1),...,v(k-△k+L-1)}，

是信号滑动窗口的最后L-1个和前L-1个样本的序列，

和

分别是尺度滤波器和小波滤波器，L为原始电压瞬时值半周期采样点个数；

分量ε^sb和ε^wb可以根据实时的尺度系数和小波系数计算，如下所示：

因此，在不考虑滑动窗口的边界效应的情况下，尺度系数能量和小波系数能量定义如下：

考虑到尺度滤波器和小波滤波器的频率响应以及能量分解定理，ε^s主要与信号的基频分量的能量有关，而ε^w则与信号的高频分量的能量有关，基频分量的能量通常远高于瞬态的高频分量能量。因此，频谱能量ε约等于尺度系数能量ε^s。

步骤二、采用尺度系数能量ε^s作为电压暂降波形起止时刻的计算指标，当尺度系数能量ε^s等于参考能量阈值，那么该尺度系数能量ε^s对应波形上的采样点，即为电压暂降开始时刻或结束时刻。

首先，采用电压暂降事件发生前的电压波形，计算得到正常运行时的参考能量E^s，如下所示：

其中，E^s是参考能量；ε(m)表示相电压采样点m处计算得到的频谱能量；k_i表示滑动窗口内的相电压采样点。

通过将相电压的尺度系数能量ε^s与参考能量E^s的阈值进行比较，可以检测到电压暂降的起止时刻。当尺度系数能量ε^s持续减小，且等于第一参考能量阈值E₂E^s时，对应波形上的采样点k₁ ^s即为电压暂降开始时刻T_start；当尺度系数能量ε^s持续增大，且等于第二参考能量阈值E₁E^s时，对应波形上的采样点k₂ ^s即为电压暂降结束时刻T_end，由此得到电压暂降波形起止时刻。具体如下：

其中，E₁＝V₁ ²＝0.01，V₁＝0.1，E₂＝V₂ ²＝0.81，V₂＝0.9，分别为电压暂降的电压阈值。

本发明实施例还提供一种基于最大堆叠离散小波变换的电压暂降波形起止时刻定位装置，包括：

频谱能量计算模块，用于采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，所述电压的频谱能量包括尺度系数能量和小波系数能量；

起止时刻确定模块，用于采用尺度系数能量作为电压暂降波形起止时刻的计算指标，当尺度系数能量等于设置的参考能量阈值时，确定所述尺度系数能量对应波形上的采样点即为电压暂降开始时刻或结束时刻。

算例分析

以武汉市某变电站监测到的一次电压暂降波形为例，选取本次电压暂降最深一相的波形进行分析，如图2所示。从波形看，电压暂降开始时刻为t₁，结束时刻为t₂，且t₁为0.089秒，t₂为0.167秒。图3为图2计算得到的电压有效值，假设电压暂降阈值为0.9p.u.，那么传统方法的电压暂降开始时刻为t_I,1，结束时刻为t_I,2，且t_I,1为0.098秒，t_I,2为0.188秒。

采用本发明所提方法计算电压尺度系数能量，结果如图4所示，此时电压暂降开始时刻为t_II,1，结束时刻为t_II,2，且t_II,1为0.088秒，t_II,2为0.170秒。结果对比如表1所示：

表1

由上表可知，对于电压暂降开始时刻和结束时刻的定位，以及持续时间的计算，本发明所提方法的误差均小于传统方法。针对三者(开始时刻、结束时刻以及持续时间)的计算结果，本发明所提方法的误差分别减小了8.99％、10.77％和10.25％，说明本发明可以有效提高电压暂降起止时刻定位的准确性，具有较好的工程应用价值。

如图1所示，传统的电压暂降起止时刻定位方法是针对电压有效值进行计算和判别的，然而该方法需要计算电压一个完整周期的均方根值，从而得到一个电压有效值，因此电压有效值等于0.9p.u.时，并不是电压暂降开始和结束的时刻。而本发明可以有效解决该问题，通过计算电压波形的频谱能量，直接定位电压暂降开始和结束的时刻的波形点，从而准确计算电压暂降的起止时刻，因此准确性更高。

同时，在工程实践中，通常需要明确知道电压暂降的起止时刻，从而辅助继电保护装置和电压暂降治理装置工作，而传统的计算方法不能满足该要求，本发明所提方法可以有效解决该问题。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种电压暂降波形起止时刻定位方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一、采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，所述电压的频谱能量包括尺度系数能量和小波系数能量；

步骤二、采用尺度系数能量作为电压暂降波形起止时刻的计算指标，当尺度系数能量等于设置的参考能量阈值时，确定所述尺度系数能量对应波形上的采样点即为电压暂降开始时刻或结束时刻。

2.如权利要求1所述的电压暂降波形起止时刻定位方法，其特征在于：所述步骤一具体包括：

第一步，计算在实时电压中滑动长度为△k的窗口的频谱能量ε(k)：

其中，△k＝f_s/f为一个周期内的采样点个数，根据相电压波形v可计算出对应的频谱能量，v(m)表示相电压v在第m个采样点的瞬时值；

第二步，在实时的电压波形中，滑动窗口的频谱能量分解为尺度系数能量ε^s(k)和小波系数能量ε^w(k)，如下所示：

ε(k)＝ε^s(k)+ε^w(k)

尺度系数能量ε^s(k)和小波系数能量ε^w(k)分别由两个部分组成，如下所示：

ε^s(k)＝ε^sa(k)+ε^sb(k)

ε^w(k)＝ε^wa(k)+ε^wb(k)

第三步，分量ε^sa和ε^wa是由信号滑动窗口内样本边界效应的尺度系数和小波系数引起的，如下所示：

其中，采用pyramid算法对暂降幅值最深相的电压波形进行最大堆叠离散小波变换，计算得到尺度系数

和小波系数

如下：

其中，n＝1,2,...,L-1，

v(k-L+3),...,v(k),v(k-△k+1),...,v(k-△k+L-1)}，

是信号滑动窗口的最后L-1个和前L-1个样本的序列，

和

分别是尺度滤波器和小波滤波器，L为原始电压瞬时值半周期采样点个数；

分量ε^sb和ε^wb根据实时的尺度系数和小波系数计算，如下所示：

在不考虑滑动窗口的边界效应的情况下，尺度系数能量和小波系数能量定义如下：

3.如权利要求1所述的电压暂降波形起止时刻定位方法，其特征在于：所述步骤二具体包括：

采用电压暂降事件发生前的电压波形，计算得到正常运行时的参考能量E^s，如下所示：

其中，E^s是参考能量；ε(m)表示相电压采样点m处计算得到的频谱能量；k_i表示滑动窗口内的相电压采样点；

通过将相电压的尺度系数能量ε^s与参考能量E^s的阈值进行比较，即可检测到电压暂降的起止时刻。

4.如权利要求3所述的电压暂降波形起止时刻定位方法，其特征在于：所述将相电压的尺度系数能量ε^s与参考能量E^s的阈值进行比较，即可检测到电压暂降的起止时刻，具体包括：

当尺度系数能量ε^s持续减小，且等于第一参考能量阈值E₂E^s时，对应波形上的采样点k₁ ^s即为电压暂降开始时刻T_start；当尺度系数能量ε^s持续增大，且等于第二参考能量阈值E₁E^s时，对应波形上的采样点k₂ ^s即为电压暂降结束时刻T_end，由此得到电压暂降波形起止时刻，

具体如下：

其中，E₁＝V₁ ²＝0.01，V₁＝0.1，E₂＝V₂ ²＝0.81，V₂＝0.9，分别为电压暂降的电压阈值。

5.一种电压暂降波形起止时刻定位装置，其特征在于包括：

频谱能量计算模块，用于采用最大堆叠离散小波变换的方法，计算电压的频谱能量，所述电压的频谱能量包括尺度系数能量和小波系数能量；

起止时刻确定模块，用于采用尺度系数能量作为电压暂降波形起止时刻的计算指标，当尺度系数能量等于设置的参考能量阈值时，确定所述尺度系数能量对应波形上的采样点即为电压暂降开始时刻或结束时刻。

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