專利名稱：一種基于小波包能量譜的孤島檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布式微網(wǎng)并網(wǎng)孤島監(jiān)測方法，尤其涉及一種基于小波包能量譜的孤島檢測方法。
背景技術(shù)：
隨著能源問題的日益突出，光伏發(fā)電、風力發(fā)電等新能源發(fā)電系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展。如圖1所示，分布式發(fā)電系統(tǒng)(DG) —般位于區(qū)域電力系統(tǒng)的配電線路上，通過區(qū)域電力系統(tǒng)的公共耦合點(PCC)連接到大電網(wǎng)。DG與大電網(wǎng)的并列運行將引起一系列需要解決的問題，其中最重要的一個問題即為孤島運行狀態(tài)的檢測。孤島檢測是DG并網(wǎng)時必須解決的技術(shù)問題。它指在電網(wǎng)突然停止供電后，光伏發(fā)電裝置能及時檢測出電網(wǎng)的失電狀態(tài)， 并停止向失壓的電網(wǎng)供電。而意外的干擾可能會影響孤島檢測的可靠性，造成錯誤的判斷， 將電網(wǎng)擾動的情況認為是孤島情況而退出運行。所以孤島檢測應該能夠具備區(qū)分孤島和無關(guān)干擾的能力。這個問題近兩年在國外和臺灣得到了一些關(guān)注。鑒于孤島與非孤島信號具有時域相似的特點，需要進一步分析信號的內(nèi)在特征才能夠?qū)⒍叻珠_。孤島檢測分為兩類被動檢測法和主動擾動法。常用的被動檢測法是電壓/頻率檢測法，該方法的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，缺點是當發(fā)生孤島后公共耦合點電壓處于非檢測區(qū)內(nèi)時，存在無法識別問題。由于上述被動式孤島檢測方法的檢測盲區(qū)較大，為了滿足系統(tǒng)安全標準的要求，通常還需引入主動擾動方法，因此將被動式和主動式結(jié)合起來是最常用的檢測方法。主動擾動方法一般是通過定時改變輸出信號，來達到對電網(wǎng)的擾動效果。根據(jù)逆變輸出電流公式Iinv= Im sin O π ft+θ )可知，對幅值Im、頻率f或初始相位θ進行擾動，促使處于孤島狀態(tài)下的系統(tǒng)公共耦合點電壓的參數(shù)幅值、頻率或諧波含量等超出正常范圍，從而達到檢測孤島效應的目的。主動頻率偏移法(AFD)作為常用的主動擾動法，雖然已經(jīng)在很多歐美國家的產(chǎn)品中應用，但是該方法針對非檢測區(qū)內(nèi)負載角與擾動角度相匹配情況，則無法識別孤島現(xiàn)象。 對于有功功率和無功功率協(xié)調(diào)擾動方法，同樣存在一定的非檢測區(qū)問題。電壓諧波孤島檢測方法監(jiān)視分布式電源端電壓中總諧波畸變(THD)，如果THD超過設(shè)定的閥值即說明檢測到孤島。這是因為分布式電源正常運行時，配電網(wǎng)為一個低阻抗的電壓源，能夠維持分布式電源端電壓諧波畸變很低，當孤島產(chǎn)生時，兩個因素使分布式電源輸出電壓的THD增強。首先，分布式電源的輸出端的阻抗增大，因為低阻抗的配電網(wǎng)被斷開，孤島系統(tǒng)中只有本地負荷，因此分布式電源輸出電流的電流諧波將使端電壓的電壓諧波增大；其次，孤島中的非線性負荷，尤其是配電變壓器，將通過分布式電源的輸出電流勵磁，非線性負荷的電壓響應在勵磁電流的作用下出現(xiàn)高度失真。一般來說，負荷的非線性特性會產(chǎn)生巨大的三次諧波。電力系統(tǒng)中負荷的諧波成分將隨著負荷類型的不同而變化，由于孤島形成前后系統(tǒng)中負荷的類型和數(shù)量都將發(fā)生變化，因此孤島形成時系統(tǒng)中諧波模式的變化為孤島檢測提供了非常重要的信息，某些頻率成分被抑制，而另外一些被增強。因此，與正常運行相比，相同頻帶內(nèi)信號的能量有較大差別，這意味著各頻帶信號的能量包含了豐富的故障信息，某種或某幾種頻帶能量的改變即代表了一種故障情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為解決孤島檢測易受到電網(wǎng)擾動干擾，而錯誤地將電網(wǎng)擾動情況誤判為孤島情況，導致DG系統(tǒng)退出運行問題，提供一種基于小波包能量譜的孤島檢測方法，它應用小波理論，將信號分解為不同頻率成分，可以明顯地顯示出故障信息。小波包分析則是將小波分析中提取出來的細節(jié)部分進一步細分，從而可以實現(xiàn)任意分辨率的頻帶劃分，進一步確定了各頻帶信號的能量特征值，更能夠展現(xiàn)孤島和電網(wǎng)擾動內(nèi)在的不同特征。 試驗表明，所提方法具有分類準確率高，是孤島檢測的有效方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種基于小波包能量譜的孤島檢測方法，它分為信號處理和孤島識別兩個階段， 具體步驟如下1)直接測量PCC點電壓信號，并對檢測的電壓信號進行小波包分解處理；2)對小波包分解系數(shù)進行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號；3)按下式所示的能量表達式求各個頻帶信號的能量特征值，
NEk2j =^K(/)|2,k = 0,1,……，2J-1
i=l式中ek(i)表示重構(gòu)信號<的離散點的幅值；k為小波包序列，i為頻帶序號，j為小波包分解的層數(shù)；4)以各頻帶信號的能量為元素構(gòu)造維數(shù)為2」的故障特征向量T T = [￡J 為，……，，對特征向量T進行改造，計各頻帶信號的總能量為
2^-1E 二 ^jEk2j
k=Q選取新的特征值
Eksk =^, k = 0,1,……，2J-1
E據(jù)此構(gòu)造新的特征向量Τ’
Τ，水，、......， ]；5)建立樣本模式也稱故障檔案，然后根據(jù)樣本空間的統(tǒng)計平均值確定故障特征向量P ;Ρ的元素為Τ’中特征值％的統(tǒng)計平均值，是映射量，意義相同，為同一矩陣；6)建立能量特征向量到故障狀態(tài)的映射關(guān)系，在上一步所求得的故障特征向量P 的基礎(chǔ)上，計算其變化量，將各種故障狀況與參數(shù)變化量之間的對應關(guān)系制成故障查詢表并存儲，以此進行故障識別，同時顯示診斷結(jié)果。所述步驟1)中，對直接測量PCC點電壓信號，對歸一化的電壓采樣信號進行小波包分解，分解層數(shù)為j，提取第j分解層上各頻帶的小波系數(shù)。所述步驟2)中，對小波包分解系數(shù)進行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號；
sk(k = 0 1...... —1；)表示第j層的第k個小波包序列，& =^<表示經(jīng)過j層小波包分解
后得到的重構(gòu)信號；假設(shè)電壓信號的采樣頻率為fs，則信號的最高分析頻率等于奈奎斯特頻率 fN = fs/2。所述步驟幻中，建立誤差判別向量，設(shè)特征向量P的元素為T’中特征值、的統(tǒng)計平均值
Tsk(I)k = 0,1,……，2J_1
^k — ， χ式中x為試驗次數(shù)，χ的取值與實驗數(shù)據(jù)的重復性或穩(wěn)定性成正比；其中，Ck為統(tǒng)計平均值，I為樣本個數(shù)，η為樣本空間元素的個數(shù)范圍；Sk(I)為特征值。誤差判別向量ΔΡ的元素是表征Ck容差范圍的參數(shù)
1AQ =KTa = KT{-±(sk(l)-Ck)2]2
Vx 1=1J式中0為樣本標準差，Kt為容差系數(shù)，一般取為3 5。ACk容差范圍參數(shù)。本發(fā)明的有益效果是通過直接測量PCC點電壓信號，不用注入和分析其它信號， 通過小波包分解，構(gòu)成各頻帶的能量特征值，能準確檢測出孤島的運行方式，克服了孤島檢測存在的盲區(qū)問題。


圖1為分布式發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)連接的結(jié)構(gòu)圖2為微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)；
圖3為逆變器孤島檢測原理圖4為電網(wǎng)電壓波形和PCC的電壓波形圖5a為各頻帶的小波包重構(gòu)電壓信號中第一類故障圖
圖5b為各頻帶的小波包重構(gòu)電壓信號孤島運行狀態(tài)圖
圖6a為重構(gòu)信號的誤差曲線中第一類故障狀態(tài)圖6b為重構(gòu)信號的誤差曲線中孤島運行狀態(tài)圖7為孤島檢測試驗系統(tǒng)圖8為重構(gòu)信號的頻帶能量統(tǒng)計圖9孤島檢測裝置構(gòu)成框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，光伏、燃料電池等微源通過電力電子裝置和儲能設(shè)備實現(xiàn)功率變換，既可以為本地負載供電，也可以通過靜態(tài)開關(guān)連接大電網(wǎng)并網(wǎng)運行。 當大電網(wǎng)出現(xiàn)故障時，微電網(wǎng)可以通過切斷靜態(tài)開關(guān)與大電網(wǎng)隔離，避免電網(wǎng)故障影響微電網(wǎng)內(nèi)負載正常運行。電網(wǎng)故障一般可分為短路故障和斷路故障兩類。由于電網(wǎng)短路將導致線路和負載電壓迅速跌落，因此很容易檢測到短路故障狀態(tài)。而電網(wǎng)斷路后，微電網(wǎng)持續(xù)供電，線路和負載電壓將由微電網(wǎng)提供，從而形成孤島。根據(jù)IEEE Md. 1547可知，電網(wǎng)斷路故障后，當微電網(wǎng)功率和負載功率匹配時，電壓將維持在正常運行范圍內(nèi)，因此無法檢測到電網(wǎng)斷路故障，即孤島檢測失敗。在分布式發(fā)電系統(tǒng)的無源孤島檢測中，電壓諧波孤島檢
6測方法監(jiān)視分布式電源端電壓中總諧波頻帶能量譜檢測到孤島。這是因為分布式電源正常運行時，配電網(wǎng)為一個低阻抗的電壓源，能夠維持分布式電源端電壓諧波畸變很低。當孤島產(chǎn)生時，兩個因素使分布式電源輸出電壓的諧波能量增強。首先，分布式電源的輸出端的阻抗增大，因為低阻抗的配電網(wǎng)被斷開，孤島系統(tǒng)中只有本地負荷，因此分布式電源輸出電流的電流諧波將使端電壓的電壓諧波增大，其次，孤島中的非線性負荷，尤其是配電變壓器， 將通過分布式電源的輸出電流勵磁，非線性負荷的電壓響應在勵磁電流的作用下出現(xiàn)高度失真。一般來說，負荷的非線性特性會產(chǎn)生巨大的三次諧波。由圖2可知，微電網(wǎng)中的微源通過DC/AC逆變器與電網(wǎng)并接，因此，微電網(wǎng)孤島檢測問題的基礎(chǔ)是逆變器孤島檢測。為便于分析，首先研究單個逆變器孤島檢測，原理如圖3 所示。其中，直流側(cè)電壓Udc由微源通過電力電力裝置變換后提供，逆變器和負載連接于公共耦合點(PCC)，開關(guān)Sa、Sb和&用來模擬電網(wǎng)斷路故障。根據(jù)IEEE Std. 1547標準中定義的最惡劣情況進行驗證。仿真中根據(jù)圖3建立主電路結(jié)構(gòu)，將開關(guān)Sa、Sb和&斷開，DG進入孤島運行狀態(tài)，電網(wǎng)電壓波形和公共耦合點PCC 的電壓波形如圖4所示。以圖4所示的電壓信號為診斷對象，孤島檢測中的信號處理和孤島識別這兩個階段可具體分解為以下六個步驟進行分析(1)對歸一化的電壓采樣信號進行小波包分解，分解層數(shù)為j，提取第j分解層上各頻帶的小波系數(shù)；(2)對小波包分解系數(shù)進行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號。Sk}(k = 0,\……，2"-1)表示第j層的第k個小波包序列，&=表示經(jīng)過j層小波包分解后得到的重構(gòu)信號。假
k=Q
設(shè)電壓信號的采樣頻率為fs，則信號的最高分析頻率等于奈奎斯特頻率& = fs/2。以5層分解為例，則提取的努(4 = 0,1,……,25-1) 16個頻帶所代表的頻率范圍見表4. 1，由于存在頻帶交錯現(xiàn)象，子頻帶的頻率不是隨著小波包序列單調(diào)遞增，而是與子波基函數(shù)的振蕩次數(shù)成正比。圖4. 7表示整流電路正常和故障狀況下，采用5層小波包分析所提取的各頻帶的重構(gòu)電壓信號《@ = 0,1,……，7)，其模近似反映了原始信號在對應頻帶上的能量大小，根據(jù)頻率范圍從低到高按列排序(以[5，k]為序號)，橫坐標為時間軸t/X20ys，縱坐標為電壓值U/V。圖5為實測電壓信號與小波包分解后的重構(gòu)信號的比較，兩者幾乎重合，誤差很小，說明小波包分析結(jié)果具有較高的精確性，能夠為后級的故障識別環(huán)節(jié)提取可靠的故障特征值。表4. 1五層小波包分解后各個頻段的帶寬
權(quán)利要求
1.一種基于小波包能量譜的孤島檢測方法，其特征是，它分為信號處理和孤島識別兩個階段，具體步驟如下1)直接測量PCC點電壓信號，并對檢測的電壓信號進行小波包分解處理；2)對小波包分解系數(shù)進行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號；3)按下式所示的能量表達式求各個頻帶信號的能量特征值，N4=ΣΚ(ΟΓλ = 0,1,……，2J-1i=l式中ek(i)表示重構(gòu)信號<的離散點的幅值；k為小波包序列，i為頻帶序號，j為小波包分解的層數(shù)；4)以各頻帶信號的能量為元素構(gòu)造維數(shù)為2」的故障特征向量TT = [4，4，……，<]，對特征向量T進行改造，計各頻帶信號的總能量為2^-1E=ZKjk=0選取新的特征值與，k = 0，l，……，2J-1E據(jù)此構(gòu)造新的特征向量Τ’ τ =ΙΧ)，丨，......，1V—J55)建立樣本模式也稱故障檔案，然后根據(jù)樣本空間的統(tǒng)計平均值確定故障特征向量 P ；P的元素為Τ’中特征值A(chǔ)的統(tǒng)計平均值，是映射量，意義相同，為同一矩陣；6)建立能量特征向量到故障狀態(tài)的映射關(guān)系，在上一步所求得的故障特征向量P的基礎(chǔ)上，計算其變化量，將各種故障狀況與參數(shù)變化量之間的對應關(guān)系制成故障查詢表并存儲，以此進行故障識別，同時顯示診斷結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述的基于小波包能量譜的孤島檢測方法，其特征是，所述步驟1)中， 對直接測量PCC點電壓信號，對歸一化的電壓采樣信號進行小波包分解，分解層數(shù)為j，提取第j分解層上各頻帶的小波系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于小波包能量譜的孤島檢測方法，其特征是，所述步驟2)中， 對小波包分解系數(shù)進行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號= ……，2"-1)表示第j層的第k個小波包序列，& 表示經(jīng)過j層小波包分解后得到的重構(gòu)信號；假設(shè)電壓信號的采k=Q樣頻率為fs，則信號的最高分析頻率等于奈奎斯特頻率fN = fs/2。
4.如權(quán)利要求1所述的基于小波包能量譜的孤島檢測方法，其特征是，所述步驟5)中， 建立誤差判別向量，設(shè)特征向量P的元素為T’中特征值Sk的統(tǒng)計平均值Tsk(I)—臺 kKJ k = 0,1,……，2J-1式中x為試驗次數(shù)，χ的取值與實驗數(shù)據(jù)的重復性或穩(wěn)定性成正比；其中，Ck為統(tǒng)計平均值，I為樣本個數(shù)，η為樣本空間元素的個數(shù)范圍；Sk(I)為特征值； 誤差判別向量ΔΡ的元素是表征Ck容差范圍的參數(shù)
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于小波包能量譜的孤島檢測方法，它應用小波理論，將信號分解為不同頻率成分，可以明顯地顯示出故障信息。它分為信號處理和孤島識別兩個階段，具體步驟如下1)直接測量PCC點電壓信號，并對檢測的電壓信號進行小波包分解處理；2)對小波包分解系數(shù)進行重構(gòu)，提取各頻帶范圍的信號；3)按下式所示的能量表達式求各個頻帶信號的能量特征值；4)以各頻帶信號的能量為元素構(gòu)造維數(shù)為2j的故障特征向量T；5)建立樣本模式，然后根據(jù)樣本空間的統(tǒng)計平均值確定故障特征向量P；6)建立能量特征向量到故障狀態(tài)的映射關(guān)系，將各種故障狀況與參數(shù)變化量之間的對應關(guān)系制成故障查詢表并存儲，以此進行故障識別，同時顯示診斷結(jié)果。
文檔編號G01R23/16GK102253283SQ20111016618
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者姜慶密, 李玉峰, 田質(zhì)廣, 石慶喜, 程如同, 趙東亮 申請人:臨沂大學, 山東電力集團公司臨沂供電公司