基于改进型能量算子的电压暂降快速检测方法

第３０卷第１０期　２０１３年ｌ０月　计算机应用研究　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ　Ｖｏ１．３０　Ｎｏ．１０　０ｃｔ．２０１３　基于改进型能量算子的电压暂降快速检测方法冰　董娜，黄文清，周超，孙干辉　（湖南大学电气与信息工程学院，长沙４１００８２）　摘要：为了准确定位电压暂降扰动和精确测量暂降幅值，提出了一种将新型Ｔｅａｇｅｒ能量算子（ＮＴＥＯ）和有效　值算法结合进行暂降检测的新方法。通过引入分辨率参数ｉ对Ｔｅａｇｅｒ能量算子（ＴＥＯ）进行改善，得到抗噪性能　更优越的ＮＴＥＯ算法，利用ＮＴＥＯ算法定位电压暂降扰动起止时刻，并采用有效值（ＲＭＳ）方法对所定位的暂降　进行幅值测量。仿真结果表明，该算法与小波变换相比实时性更强，并弥补了ＴＥＯ抗噪性能较差和ＲＭＳ方法不　能准确定位扰动的不足，能够快速、准确地检测到电压暂降。　关键词：电压暂降；能量算子；有效值算法；快速检测　中图分类号：ＴＰ３９１　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—３６９５（２０１３）１０—３０１１—０４　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３６９５．２０１３．１０．０３１　Ｎｏｖｅｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｇ　ｒａｐｉｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｐｅｒａｔｏｒ　ＤＯＮＧ　Ｎａ，ＨＵＡＮＧ　Ｗｅｎ—ｑｉｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｃｈａｏ，ＳＵＮ　Ｇａｎ—ｈｕｉ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ　ｉｓ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｔｏ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆａｓｔ　ａｎｄ　ｅｘａｃｔｌｙ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａ　ｎｏｖｅｌ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｎｏｖｅｌ　Ｔｅａｇｅｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｐｅｒａｔｏｒ（ＮＴＥＯ）ａｎｄ　ＲＭＳ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｓａｇ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ’ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ａｃ—　ｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｉｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｉ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＴＥＯ．ｔｈｅｎ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ＮＴＥＯ．ｗｈｉｃｈ　ｈａｄ　ｂｅｔｔｅｒ　ａｎ．　ｔｉ—ｎｏｉｓｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｆｉｒｓｔ，ｉｔ　ｕｓｅｄ　ｔｈｅ　ＮＴＥＯ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｏ　ｌｏｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｎｄｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｐ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ＲＭＳ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄ　ｄｉｐｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ，　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｓ　ｓｔｒｏｎｇｅｒ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｔｈａｎ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ａｎｄ　ｉｔ　ｏｖｅｒｃｏｍｅｓ　ｔｈｅ　ｌａｃｋ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｏｒ　ａｎｔｉ—ｎｏｉｓｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＴＥＯ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔａｇｅ　ｏｆ　ＲＭＳ　ｔｈａｔ　ｃａｎｎｏｔ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ　ｌｏｃａｔｅ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｓ．Ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｄｅｔｅｃｔ　ｔｈｅ　ｖｏｈａｇｅ　ｓａｇ　ｆａｓｔ　ａｎｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｏｈａｇｅ　ｓａｇ；ｅｎｅｒｇｙ　ｏｐｅｒａｔｏｒ；ＲＭＳ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｒａｐｉｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　０　引言　随着时代的飞速发展和工业生产的扩大，电气化程度越来　越高，各种高精尖的电子设备广泛应用于工业生产中，由于它　们对电源及负荷的波动十分敏感，生产用户对电能质量要求与　１３俱增，使得暂态电能质量扰动问题引起了广大用户的关　注…。其中，电压暂降是最常见的一种电能质量问题。电压　暂降是指电压有效值快速下降至额定电压的１０％～９０％，而　后又恢复到正常值附近的电能质量问题，一般持续时间为　０．５—３０周期。虽然电压暂降持续时间很短，但它带来的损失　是巨大的。据统计，电压暂降是８０％的电能质量问题的主要　原因，大型电力用户幅度超过２０％的暂降年发生率在１０—２０　次左右。许多高度自动化连续生产过程，每次电压骤降造成的　经济损失达数十万至数百万美元之多　Ｊ。因此，为了保证电　能质量，对电压暂降进行实时监测和补偿十分必要。动态电压　恢复器（ＤＶＲ）是对电压暂降进行补偿的最经济有效的手段，　而实时检测到暂降的起止时刻是使用ＤＶＲ等设备对电压暂降　信号进行补偿处理的关键和前提。　在ＩＥＥＥ和ＩＥＣ标准中常用幅值和持续时间两个指标来　衡量电压暂降。目前，电压暂降的检测方法主要有有效值计算　法　，　、峰值电压法　、ｄｑ变换法　娟］、傅里叶变换　，　及小波　变换　等。其中：峰值电压法容易受噪声的干扰，需要有半　个周波的历史数据，实时陛较差；ｄｑ变换法可实时计算暂降幅　值和起止时间，但考虑到实际电力系统中一般存在电压畸变或　者三相不平衡的情况，通常要引入低通滤波环节　Ｊ，而大大限　制了系统的快速性；基于傅里叶变换的算法，如短时傅里叶变　换（ＳＴ兀’）、滑动窗口的傅里叶变换等算法在含有大量噪声和　谐波的情况下能够准确检测基波幅值　，但是响应速度慢，不　能满足快速响应的要求；小波变换对信号奇异点特别敏感，适　用于电能质量扰动的检测，尤其是高频扰动　“’　ｊ，但存在小波　基的选择问题，且小波对噪声敏感　，算法实现复杂，运算量　大，不适合作为动态补偿装置的检测算法。由上可知，电压暂　降的检测算法很多，不同的检测算法各有优缺点，但考虑到电　压暂降持续时间较短，而且有很大的不确定性，所以对检测的　实时性要求很高。　ＲＭＳ方法是检测电压暂降的最经典的方法。该方法算法　简单，易在嵌入式处理器中实现，可以定量计算暂降幅值，但不　能准确定位暂降起止时刻。文献［１４］中通过研究小波变换极　大值原理在电压暂降检测中的应用，将小波变换与有效值算法　收稿日期：２０１３－０１－１８；修回日期：２０１３—０２—２４　基金项目：国家“８６３”计划资助项目（２００８ＡＡ０５Ｚ２１１）　作者简介：董娜（１９８９一），女，山东郓城人，硕士研究生，主要研究方向为电能质量扰动信号检测与处理（ｃａｏｚｈｏｎｇ０４１７＠１２６．ｃｏｍ）；黄文清　（１９６８一），男，湖南娄底人，副教授，硕导，博士，主要研究方向为信号检测与智能信息处理；周超（１９８５一），男，贵州人，硕士研究生，主要研究方向为　电路与系统；孙干辉（１９８７－），女，湖南娄底人，硕士研究生，主要研究方向为电路与系统．

　・３０１２・　计算机应用研究　第３０卷　相结合，运用有效值算法计算暂降幅值，采用小波变换检测电　压信号奇异点来确定暂降的持续时间，实现了幅值和持续时间　的准确测量，克服了ＲＭＳ算法不能精确测量持续时间的不足。　文献［１５］提出了一种基于Ｔｅａｇｅｒ能量算子（ＴＥＯ）的电能　质量扰动检测算法，将小波变换与ＴＥＯ算法相结合，运用ＴＥＯ　对低频扰动进行检测。通过ＭＡＴＬＡＢ仿真表明，ＴＥＯ算法能　够快速、准确地检测到电压暂降等扰动发生的起止时刻。考虑　到ＴＥＯ算法简单，但抗噪性较差的缺点，文献［１６］提出了一种　结合小波变换和改进型ＴＥＯ的电压暂降扰动检测新方法，采　用小波变换定位扰动起止时刻并运用改进型ＴＥＯ测量暂降幅　值，克服了ＴＥＯ抗噪能力差的不足。　上文指出小波变换对信号奇异点特别敏感，适合检测电压　暂降持续时间，但是存在算法复杂和运算量的问题，实时性较　差。考虑到检测算法的实时性和实用性，本文提出一种结合新　・型Ｔｅａｇｅｒ能量算子（ＮＴＥＯ）与ＲＭＳ算法的电压暂降检测算　法。该方法首先通过ＮＴＥＯ检测电压暂降扰动发生的起止时　刻，对暂降进行定位，然后利用ＲＭＳ方法对定位的暂降进行幅　值计算。ＮＴＥＯ较之小波变换算法简单，与ＴＥＯ相比抗噪能力　强，能更准确定位扰动，而ＲＭＳ方法是测量幅值的常用算法，　计算简单，便于硬件实现。　１　电压暂降检测新方法、　１．１　新型Ｔｅａｇｅｒ能量算子检测暂降起止时刻　１．１．１　Ｔｅａｇｅｒ能量算子　Ｔｅａｇｅｒ能量算子是由Ｋａｉｓｅｒ提出的一种非线性算子，它能　够有效地跟踪信号的瞬时能量，被广泛应用于语音信号处理、　图像处理以及医疗设备中¨　。近年来，ＴＥＯ也开始被应用于　电能质量检＇？贝４中¨　，　。对于连续时间信号，ＴＥＯ定义为　［ｓ（￡）］：［　（￡）］。一ｓ（￡）ｓ　（ｔ）　（１）　其中：Ｓ（ｔ）为一连续时间信号；ｓ　（ｔ）和ｓ”（ｔ）分别为ｓ（ｔ）的一、　二阶导数；　为连续信号的能量算子。　实际应用中，信号需经ＡＤ环节采样后再进行相应信号处　理，针对离散信号，ＴＥＯ定义过程如下：　假设一连续信号ｓ（ｔ）＝Ａｃｏｓ（ｔｏｔ＋　），对信号采样后，其　离散形式为　ｓ（ｎ）＝Ａｃｏｓ（∞凡十　）　（２）　其中：　＝２　Ｊｏ为基频　为采样频率，　为初相位。　由式（２）可得　Ｊ　（ｎ一　）＝Ａｃ。ｓ［∞（ｎ一　）＋　］　ｆ３１　【ｓ（ｎ＋１）＝Ａｃｏｓ［∞（ｎ＋１）＋　］　应用三角恒等式求解方程组（３）可得　ｓ（／／，一１）ｓ（ｎ＋１）＝［Ａｃｏｓ（０）ｎ＋　）］　一Ａ　ｓｉｎ　∞＝　（ｎ）一Ａ２　ｓｉｎ　∞　（４）　所以，有　Ａ　ｓｉｎ　∞：ｓ　（ｎ）一５（　一１）ｓ（ｎ＋１）　（５）　当　很小时，则有∞　ｓｉｎ　，如果　限制为　＜—＇Ｉ　Ｔ—　ｆ　１　０．７８５４，即了Ｊｏ＜÷时，则信号的瞬时能量值为　Ｏ　Ａ　０）２　ｓ　（ｎ）一　（ｎ一１）　（ｎ＋１）＝　ｄ【ｓ（ｎ）］　（６）　由式（６）可知，信号的能量不仅取决于幅值，也与信号的　频率相关。这意味着ＴＥＯ能够跟踪信号的幅值和频率的快速　变化。利用离散信号的三个相邻点就可以追踪到信号的能量　曲线，并且每次只需要进行两次乘法和一次加法运算，算法实　时性强，便于实现。　实际中，信号中一般都含有噪声和暂态成分，假设被检测　信号　（ｎ）为纯净信号ｓ（ｎ）和噪声Ｗ（／＂ｔ）之和，即”（ｎ）＝Ｓ（ｎ）＋　Ｗ（ｎ），则观测信号的ＴＥＯ为　ｄ［　（ｎ）］：　ｄ［　（ｎ）］十　ｄ［Ⅲ（ｎ）］＋２　ｄ［５（ｎ），　（　）］　（７）　其中，　［ｓ（ｎ），Ｗ（ｎ）］为Ｓ（ｎ）和ｗ（ｎ）的互能量算子，由于ｓ　（ｎ）和ｗ（ｎ）互不相关，有Ｅ｛　［ｓ（ｎ），　（ｎ）］｝＝０。所以　Ｅ｛　ｄ［　（ｎ）］｝＝Ｅ｛　ｄ［ｓ（ｎ）］｝＋Ｅ｛　ｄ［　（ｎ）］｝　（８）　由式（８）可知，当信号中含有噪声时，会出现噪声能量　Ｅ｛　［Ｗ（ｎ）］｝。在高信噪比或者低频率背景噪声下，噪声能　量很小时，ＴＥＯ有增强信号的作用，但当信噪比低或背景噪声　频率较高时，噪声能量不可忽略，ＴＥＯ检测结果会有偏差，为　保证结果准确性，一般需加入滤波后处理环节。　１．１．２新型Ｔｅａｇｅｒ能量算子　考虑到在一些噪声环境下，ＴＥＯ算法抗噪性能比较差，影　响检测结果的准确性。针对这种情况，本文提出一种新型　Ｔｅａｇｅｒ能量算子，该算法通过提高对信号频率的敏感度来改善　ＴＥＯ的性能，从而提高ＴＥＯ的抗噪能力。为了达到这个目的，　在ＮＴＥＯ中引入分辨率参数ｉ，这样，不同于ＴＥＯ算法采用相　邻三个点进行计算，ＮＴＥＯ算法取前后相隔ｉ个采样点的三个　点ｓ（ｎ—ｉ）、Ｓ（ｎ）和Ｓ（ｎ＋ｉ）进行计算：　ｆ　ｓ（　）＝Ａｃ。　（（ｃＪ　＋　）　｛ｓ（ｎ—　）＝Ａｃｏｓ［　（ｎ—　）　］　（９）　Ｉ　（　＋　）：　。。　［（【，（ｎ＋　）＋妒］　假设当ｎ＜ｉ时，　（ｎ—ｉ）＝０。　解方程组（９）得　Ａ　ｓｉｎ　（　）＝ｓ　（ｎ）一ｓ（ｎ—　）ｓ（ｎ＋　）　（１０）　由Ｔｅａｇｅｒ能量算子可知，当　＜号，即争＜亩时，则有　ｓｉｎ（　）一ｉｔｏ，式（１０）可等价为　ｉＺＡ　０）２一ｓ　（ｎ）一ｓ（ｎ—　）ｓ（ｎ＋　）：　）［ｓ（ｎ）］　（１１）　由式（１１）可知，ＮＴＥＯ如ＴＥＯ一样采用三个采样点进行　计算，具有ＴＥＯ的优点，同时，ＮＴＥＯ又区别于ＴＥＯ，该算法通　过引入参数ｉ参与计算，增强了信号的频域特性，从而提高了　，　’　算法的抗噪性能。从约束条件了Ｊｏ＜　１可以推出ｉ的取值上　Ｊ　５　ｏ　，　限，即ｉ　Ｊ　ｓ，便于对信号进行检测时对ｉ值进行选择。　ｑ０　１．２　ＲＭＳ算法测量暂降幅值　在电能质量监测系统中，测量精度是系统厂站装置设计追　求的最主要目标，也是有效运用ＤＶＲ进行动态补偿的前提。　ＲＭＳ算法虽然实时性不高，但精度能够满足电压下降幅值测　量的要求，国外电压暂降标准也是用有效值定义，实际应用中　也比较容易实现。根据连续周期信号有效值的定义，电压有效　值可利用时间域一个周期数字均方根运算得到：　厂　１广　ｒｍｓ　√亩　（１２）　其中：Ⅳ为每周期采样点数，　为时间域被采样电压瞬时值。　为了实时准确检测到电压暂降的骤然变化，实际中常采用一个　周期数据序列的滑动平均值计算。这样，在每个采样瞬间都可