趙翠旗，孔會(huì)蘭

（晉城供電分公司，山西 晉城 048000）

電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)和定位一直以來都是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的課題之一，最早應(yīng)用的檢測(cè)方法通過對(duì)波形相鄰周期點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（point－to－point）的比較直接判斷和檢測(cè)波形的畸變點(diǎn)。該方法概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)單，但不足之處在于它不能有效地檢測(cè)周期性波形畸變。

近年來，小波技術(shù)在電力系統(tǒng)領(lǐng)域得到了應(yīng)用和推廣，小波變換特有的尺度伸縮功能使其具有很強(qiáng)的時(shí)頻局部化能力，能有效地檢測(cè)到非平穩(wěn)信號(hào)的瞬時(shí)成分。不少文獻(xiàn)應(yīng)用小波技術(shù)對(duì)暫態(tài)擾動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和定位，取得很好的效果。但小波變換在實(shí)際應(yīng)用中還存在著一些不足，小波變換的分析結(jié)果與小波函數(shù)的選取密切相關(guān)，當(dāng)函數(shù)選取不當(dāng)時(shí)，分析結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的誤差甚至錯(cuò)誤，小波變換對(duì)各類噪聲和微弱信號(hào)的識(shí)別也都非常敏感，在實(shí)際應(yīng)用中必須與去噪方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜。

法國(guó)學(xué)者 M. Grimaud在地形學(xué)的基礎(chǔ)上提出了一種極值點(diǎn)評(píng)價(jià)測(cè)度——Dyn測(cè)度（Dynamics），以解決噪聲環(huán)境下的極值點(diǎn)提取問題。隨后，Dyn測(cè)度在圖象處理和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)（MM）領(lǐng)域得到了推廣和應(yīng)用。最近，基于Dyn測(cè)度的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)工具已獲得了商業(yè)化應(yīng)用。

本文將Dyn測(cè)度有關(guān)概念進(jìn)行拓展，從波形畸變的角度出發(fā)，提出一種基于Dyn測(cè)度的電能質(zhì)量擾動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，該方法利用電壓或電流擾動(dòng)信號(hào)畸變點(diǎn)的 Dyn測(cè)度與信號(hào)峰/谷點(diǎn)的Dyn測(cè)度的差異進(jìn)行擾動(dòng)檢測(cè)，可以實(shí)時(shí)、有效地檢測(cè)暫態(tài)擾動(dòng)、電壓暫降、周期性擾動(dòng)等多種電能質(zhì)量擾動(dòng)。

在了解Dyn測(cè)度定義之前，首先要了解兩點(diǎn)之間的路徑的概念。兩點(diǎn)之間的路徑：設(shè)m，n為f（t）上不同的兩點(diǎn)，則f（t）上這兩點(diǎn)之間的部分稱為路徑P（m，n），其中，P1為m，PN為n。路徑P（m，n）的Dyn測(cè)度定義為路徑上最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高度差。下面介紹極小點(diǎn)的Dyn測(cè)度，設(shè)M為f（t）的一個(gè)極小點(diǎn)，如果存在比其更低的極小點(diǎn)，則極小點(diǎn)M的Dyn測(cè)度等于由點(diǎn) M 通向同高度點(diǎn)的所有路徑中最小的路徑 Dyn測(cè)度。如圖1所示，極小點(diǎn) M 兩側(cè)各有一個(gè)或多個(gè)比點(diǎn) M更低的極小點(diǎn)時(shí)，點(diǎn)M兩側(cè)也一定存在兩個(gè)與點(diǎn) M等高度的點(diǎn) N1和 N2。由極小點(diǎn)M通向點(diǎn)N1的路徑記為P1，由極小點(diǎn)M通向點(diǎn)N2的路徑記為P2，分別用實(shí)線和虛線表示。極小點(diǎn)M的Dyn測(cè)度等于路徑P1的Dyn測(cè)度和路徑P2的Dyn測(cè)度中較小者。圖中路徑P1的Dyn測(cè)度小于路徑P2的Dyn測(cè)度，所以極小點(diǎn)M的Dyn測(cè)度應(yīng)該等于路徑P1的Dyn測(cè)度。即：

圖1 路徑的Dyn測(cè)度

值得注意的是，極小點(diǎn)M的Dyn測(cè)度與路徑或路徑P2的長(zhǎng)度無關(guān)。

極小點(diǎn)M的一側(cè)存在比點(diǎn)M更低的極小點(diǎn)時(shí)，意味著只存在路徑P1或路徑P2，則極小點(diǎn)M的Dyn測(cè)度等于路徑P1或路徑P2的Dyn測(cè)度。極小點(diǎn)M為信號(hào)的最小點(diǎn)時(shí)，設(shè)置其Dyn測(cè)度等于信號(hào)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的高度差。這樣，最低點(diǎn)的 Dyn測(cè)度比其他極小點(diǎn)的Dyn測(cè)度都大。極大點(diǎn)的Dyn測(cè)度與極小點(diǎn)Dyn測(cè)度的定義相仿。

本文將Dyn測(cè)度引入電力信號(hào)分析領(lǐng)域，進(jìn)行擾動(dòng)檢測(cè)的理論基礎(chǔ)在于，Dyn測(cè)度能夠反映信號(hào)極值點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特征，并可識(shí)別信號(hào)的畸變極值點(diǎn)。這一特點(diǎn)使其非常適合電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)。對(duì)于圖2所示的正常信號(hào)，很容易檢測(cè)到信號(hào)的兩個(gè)極大點(diǎn)，而對(duì)于圖3所示的畸變信號(hào)，除了原有的兩個(gè)極大點(diǎn)外，信號(hào)中又出現(xiàn)了多個(gè)畸變極大點(diǎn)，采用一般的極大點(diǎn)搜索方法無法將這兩種極大點(diǎn)區(qū)分開，而利用測(cè)度可以很好地解決此問題。

圖2 正常信號(hào)

圖3 畸變信號(hào)

下面通過圖4和圖5對(duì)Dyn測(cè)度進(jìn)行說明。對(duì)正常的無畸變信號(hào)f1（t），兩個(gè)極大點(diǎn)（峰值）的Dyn測(cè)度幅值較大，見圖4。對(duì)畸變信號(hào)f2（t），所有畸變極小點(diǎn)的Dyn測(cè)度幅值很??；而兩個(gè)重要極小點(diǎn)的Dyn測(cè)度較大，見圖5。這說明Dyn測(cè)度表征的是含有極大點(diǎn)的信號(hào)結(jié)構(gòu)，而非極大點(diǎn)本身。利用Dyn測(cè)度可以識(shí)別不同結(jié)構(gòu)的信號(hào)極大點(diǎn)。自然，Dyn測(cè)度同樣適合于極小點(diǎn)，利用極小點(diǎn)的Dyn測(cè)度可將不同結(jié)構(gòu)的極小點(diǎn)區(qū)分開。

圖4 正常信號(hào)極大點(diǎn)的Dyn測(cè)度

圖5 畸變信號(hào)極大點(diǎn)的Dyn測(cè)度

由上述分析可知道，對(duì)于波形發(fā)生一定畸變的電力信號(hào)，信號(hào)的峰谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Dyn測(cè)度幅值較大，而信號(hào)的畸變點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Dyn測(cè)度幅值要小得多，根據(jù)Dyn測(cè)度差異可以識(shí)別信號(hào)的畸變點(diǎn)，基于此原理，我們提出了電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)方法。

Dyn測(cè)度檢測(cè)法的步驟如下：①利用Dyn測(cè)度算法檢測(cè)信號(hào)的所有極值點(diǎn)，并計(jì)算其Dyn測(cè)度；②通過設(shè)定閾值丟信號(hào)峰谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)Dyn測(cè)度；③利用保留的Dyn測(cè)度檢測(cè)信號(hào)的畸變點(diǎn)。

暫態(tài)擾動(dòng)（如電容器投切暫態(tài)）是電力系統(tǒng)最常見的電能質(zhì)量擾動(dòng)之一。圖6中為受到暫態(tài)擾動(dòng)的畸變信號(hào)，此信號(hào)的Dyn測(cè)度如圖6所示。

由圖6可看出，不同位置出現(xiàn)了幅值不等的Dyn測(cè)度，但其分布有一定的規(guī)律性：一部分Dyn測(cè)度的幅值較大，且均勻分布在每個(gè)周期：另一部分Dyn測(cè)度的幅值較小，分布在16.8～34.35 ms時(shí)刻之間。比較兩圖可以知道，均勻分布，幅值較大的Dyn測(cè)度對(duì)應(yīng)的信號(hào)的峰（或谷）點(diǎn)；而幅值較小的Dyn測(cè)度對(duì)應(yīng)信號(hào)的畸變點(diǎn)。

取閾值為信號(hào)峰/谷點(diǎn)的Dyn測(cè)度的1/2，得到如圖7所示的檢測(cè)結(jié)果。在16.8～34.35 ms時(shí)刻之間出現(xiàn)多個(gè)Dyn測(cè)度，其幅值逐漸減小，而t＝16.8 ms時(shí)刻Dyn測(cè)度的幅值最大，為22 595。這說明原始信號(hào)在t＝16.8 ms時(shí)刻發(fā)生了嚴(yán)重畸變，隨后畸變程度逐漸減弱，直到t＝34.35 ms波形恢復(fù)正常。顯然，16.8 ms正是暫態(tài)擾動(dòng)的發(fā)生時(shí)刻。該算例表明基于Dyn測(cè)度的暫態(tài)擾動(dòng)檢測(cè)方法對(duì)實(shí)測(cè)暫態(tài)信號(hào)擾動(dòng)是有效的。

圖6 暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)檢測(cè)結(jié)果

圖7 調(diào)節(jié)閾值后的檢測(cè)結(jié)果

在應(yīng)用該方法進(jìn)行擾動(dòng)檢測(cè)時(shí)，需注意以下問題：①如果被分析的信號(hào)含有噪聲，應(yīng)該先對(duì)信號(hào)進(jìn)行消噪處理；②針對(duì)不同的擾動(dòng)信號(hào)，選取的閾度也不同。對(duì)于暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)，一般選擇閾度為正常信號(hào)峰（或谷）點(diǎn)Dyn測(cè)度的50%；而對(duì)于周期性擾動(dòng)和電壓暫降選取的閾度僅為正常信號(hào)峰/谷點(diǎn) Dyn測(cè)度的 5%～10%（為了找到所有畸變點(diǎn)，有時(shí)可能會(huì)稍微大點(diǎn)）；③在測(cè)試中，有的擾動(dòng)信號(hào)采用標(biāo)么值，有的采用有名值，這對(duì)檢測(cè)結(jié)果沒有影響。

1 袁之泉.電能質(zhì)量分析系統(tǒng)研究[D].東北大學(xué)，2005

2 宋曉芳.電能質(zhì)量分析技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京理工大學(xué)，2005

3 劉應(yīng)梅.電能質(zhì)量擾動(dòng)檢測(cè)和分析的研究[D].中國(guó)電力科學(xué)研究院，2003

4 張華.油田電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].浙江大學(xué)，2006

5 康平.電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的研究[D].東南大學(xué)，2007