【电能质量】电能质量分析方法

能源管理系统主要监测分析处理电力系统中的电能质量问题。而电能质量问题是如何产生的呢？

电力系统中的各种扰动引起的电能质量问题主要可分为稳态事件和暂态事件两大类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷及噪声等；暂态事件通常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分为脉冲暂态和振荡暂态两大类。

电能质量分析仪表的分析方法主要有时域仿真法、频域分析方法和基于变换的方法。

时域仿真法

时域仿真方法在电能质量分析中的应用较为广泛，其主要的用途是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象进行研究。对于电压下跌、电压上升、电压中断等有关电能质量暂态问题，由于其持续时间短、发生时间不确定、对频域分析提出了较高的要求，较多采用时域仿真方法。

目前EMTP（Electro-Magnetic Transient Program，电力系统电磁暂态分析的仿真软件）、EMTDC（Electro-Magnetic Transient of Direct Current，直流电磁暂态计算程序）、NETOMAC（NEtwork TOrsion MAchine Control，德国西门子公司开发的用于电力系统仿真软件）等系统暂态仿真程序和SPICE（Simulation program with integrated circuit emphasis，是较为普遍的电路级模拟程序）、PSPICE（是由SPICE发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序）、SABER（是美国Synopsys公司的一款EDA仿真软件）等电力电子仿真程序在研究中得到了广泛的应用，有的已经被做成商业软件。 采用时域仿真计算的缺点是仿真步长的选取决定了可模拟的最大频率范围，因此必须事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外，在模拟开关的开合过程时，还会引起数值振荡。

频域分析法

频域分析方法主要用于电能质量稳态问题。比如谐波、电压波动和闪变、三相不平衡等。相对于暂态问题，此类事件具有变化相对较慢、持续事件较长等特点。对称分量法是常用的方法。它的优点是概念清晰、建模简单、算法成熟，但耗时长。

频域分析方法主要包括频率扫描、谐波潮流计算和混合谐波潮流计算等，该方法多用于电能质量中谐波问题的分析。

频率扫描和谐波潮流计算在反映非线性负载动态特性方面有一定局限性，因此混合谐波潮流计算法在近些年中发展起来。其优点是可详细考虑非线性负载控制系统的作用，因此可精确描述其动态特性。缺点是计算量大，求解过程复杂。

基于变换的方法

在电能质量分析领域中广泛应用的基于变换的方法主要有傅里叶变换、神经网络、二次变换、小波变换和Prony分析等5 种方法。

1）傅里叶变换

傅里叶变换是电能质量分析领域中的基本方法，傅里叶变换的优点是算法快速简单。但其缺点也很多：

①虽然能够将信号的时域特征和频域特征联系起来观察，但不能将二者有机地结合起来。

②只能适应于确定性的平稳信号（如谐波），对时变非平稳信号难以充分描述。

③短时傅里叶变换（STFT）的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法；只适合于分析特征尺度大致相同的过程，不适合分析多尺度过程和突变过程。

④快速傅里叶变换（FFT）变换的时间信息利用不充分，任何信号冲突都会导致整个频带的频谱散布；在不满足前提条件时，会产生“旁瓣”和“频谱泄露”现象。

傅里叶变换是经典的频谱分析和信号处理方法。其对含有短时高频分量与长时间低频分量的电能质量信号分析具有一定的局限性。目前经改进的快速傅里叶变换（FFT）和短时傅里叶变换（STFT）已经成为电能质量分析的基础。

2） 神经网络法

神经网络理论是巨量信息并行处理和大规模平行计算的基础，它既是高度非线性动力学系统，又是自适应组织系统，可用来描述认知、决策及控制的智能行为。

神经网络法的优点是：可处理多输入－多输出系统，具有自学习、自适应等特点；不必建立精确数学模型，只考虑输入输出关系即可。

缺点是：存在局部小问题，会出现局部收敛，影响系统的控制精度；理想的训练样本提取困难，影响网络的训练速度和训练质量；网络结构不易优化。

3）二次变换法

二次变换是一种基于能量角度来考虑的新的时域变换方法。该方法的基本原理是用时间和频率的双线性函数来表示信号的能量函数。

二次变换的优点是：可以准确地检测到信号发生尖锐变化的时刻；精确测量基波和谐波分量的幅值。缺点是：无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值；不具有时域分析功能。

4）小波分析法

小波变换是近年来兴起的一种算法，由于具有时域局部化的优点，特别适合于突变信号和不确定信号的分析。目前国内外已经有许多文献应用小波变换对谐波监测、电磁暂态波形分析、电力系统扰动建模等电能质量问题进行了研究。   小波变换是一种多尺度分析数字技术，它通过对时间序列过程从低分辨率到高分辨率的分析，显示过程变化的整体特征和局部变化行为。

常用的小波基函数有：Daubechies小波、B小波、Morlet小波、Meyer小波等。  

小波变换的优点是：具有时－频局部化的特点，特别适合突变信号和不平稳信号分析；可以对信号进行去噪、识别和数据压缩、还原等。

缺点是：在实时系统中运算量较大，需要采用DSP等高价格的高速芯片； 小波分析有“边缘效应”，边界数据处理会占用较多时间，并带来一定误差。

5）Prony分析法

Prony分析衰减的思想类似于小波。在该方法中，信号总是被认为可以由一系列的衰减的正弦波构成，这些衰减正弦波类似于小波函数。所以Prony分析方法和小波一样，可以做多尺度的信号分析。Prony分析的主要缺点是计算时间过长。