畢業(yè)設(shè)計--故障狀態(tài)下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究

1、<p>　　故障狀態(tài)下電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究</p><p>　　Research for Power System Transient Stability Analysis under Fault Conditions</p><p>　　學生學號： </p><p>　　學生姓名： </p

2、><p>　　專業(yè)班級： 自動0903 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　職 稱： 助 教 </p><p>　　起止日期： 2013.03.04～2013.06.23</p><p><b>　　摘

3、 要</b></p><p>　　本設(shè)計利用MATLAB的動態(tài)仿真軟件Simulink搭建了單機—無窮大電力系統(tǒng)的仿真模型，能夠滿足電網(wǎng)在其可能遇到的多種故障方面運行的需要。</p><p>　　電力系統(tǒng)穩(wěn)定器，就是為抑制震蕩而研究的一種勵磁控制技術(shù)，用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定，解決震蕩問題，是提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。</p><p>　　論文以

4、MATLAB工具箱為平臺，通過SimPowerSyetem 搭建了電力系統(tǒng)運行中常見的單機—無窮大系統(tǒng)模型，實驗得到了在該系統(tǒng)發(fā)生各種短路接地故障并由斷路器自動跳閘隔離故障的仿真結(jié)果。并利用小波分析具有很強的信號特征提取能力，尤其對暫態(tài)突變信號或微弱變化信號的處理變現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，達到了仿真的目的。</p><p>　　本文做的主要工作有：</p><p>　　(1)Simulink下單機

5、—無窮大仿真系統(tǒng)的搭建；</p><p>　　(2)系統(tǒng)故障仿真測試分析；</p><p>　　(3)基于Haar小波的故障檢測與分析。</p><p>　　通過實例說明，若將該方法應用到電力系統(tǒng)短路故障的診斷中，快速實現(xiàn)故障的自動診斷、檢測，對于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 單機—無窮大系統(tǒng)；Sim

6、PowerSyetem；短路故障；小波變換</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design paper depend on the model of dynamic simulation by MATLAB build software Simulink infinite power system of single

7、- simulation model, the grid in various fault may meet the needs of the running of aspects.</p><p>　　Power system stabilizer(pss) is to suppress a low frequency oscillation ofadditional excitation control. I

8、mproving power system dynamic ,lowing frequence oscillation problem solving is to improve power system dynamic stability of the important measures.</p><p>　　The paper base on platform version of Matlab，Accor

9、ding to SimPowerSyetem toolbox to build power operation of common single—infinite system model, the experiment in the system was obtained by various circuit breaker automatically earthing faults and fault isolation of si

10、mulation results trip. Using the wavelet analysis and has strong ability of the signal feature extraction, especially for transient mutations signals or weak signal processing showed obvious advantages, Reaching purpose

11、of the sim</p><p>　　The main work is :</p><p>　　(1) Building this simulation system of single - infinite under Simulink;</p><p>　　(2) Fault simulation test analysis of system;</p

12、><p>　　(3) Fault detection and analysis based on Haar wavelet.</p><p>　　Through examples, if this method to the power system fault diagnosis, fast fault detection and diagnosis, automatic for impro

13、ving the stability of power system has important significance.</p><p>　　keywords：Single—infinite system；SimPower Syetem；Short circuit faults；Wavelet transform</p><p><b>　　目 錄</b>&

14、lt;/p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 MATLAB及SimPowerSystem簡介1</p><p>　　1.2 配電網(wǎng)的故障

15、現(xiàn)狀及分析1</p><p>　　1.3 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程2</p><p>　　第2章 單機—無窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析4</p><p>　　2.1 復雜電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析4</p><p>　　2.2 單機—無窮大系統(tǒng)原理4</p><p><b>　　2.3 結(jié)論5</b&g

16、t;</p><p>　　第3章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器數(shù)學模型及仿真6</p><p>　　3.1 電力系統(tǒng)低頻振蕩的簡化模型(Heffron-Philips模型)6</p><p>　　3.2 Power System Stabilizator的傳遞函數(shù)13</p><p>　　3.3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器14</p>&l

17、t;p>　　3.3.1 發(fā)電機軸轉(zhuǎn)速信號穩(wěn)定器14</p><p>　　3.3.2 速度信號穩(wěn)定器15</p><p>　　3.3.3 電功率信號穩(wěn)定器16</p><p>　　3.4 MATLAB仿真模型16</p><p>　　3.5 各種提高暫態(tài)穩(wěn)定性措施的運行效果仿真19</p><p>　

18、　3.6 結(jié)論23</p><p>　　第4章 信號特征提取24</p><p>　　4.1 小波變換的基本理論及應用24</p><p>　　4.2 小波函數(shù)的選擇24</p><p>　　4.3 Haar小波變換原理26</p><p>　　4.4 小波變換在仿真中的應用26</p>

19、;<p>　　4.5 結(jié)論29</p><p><b>　　結(jié) 論31</b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　附 錄33</b></p><p><b>　　致 謝34<

20、/b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　電力電纜在運行中易受到多種因素的影響而發(fā)生故障，威脅系統(tǒng)的安全可靠性，因此迅速、準確地探測出電纜故障并對其進行分析，對提高供電可靠性、減少故障修復費用及停電損失具有重要理論意義和實用價值[1]。目前，線路保護已經(jīng)進入微機保護時代，電力系統(tǒng)繼電保護中的信號處理仍以分析為主，同時考慮到電力

21、運行實際情況，在Matlab/Simulink平臺下更好的運用仿真手段更突出了現(xiàn)實意義。</p><p>　　1.1 MATLAB及SimPowerSystem簡介</p><p>　　MATLAB是Matrix Laboratory(矩陣實驗室)的縮寫，由Mathworke公司開發(fā)的一套功能強大的軟件，最早它主要用于科學計算。后來隨著MATLAB功能的不斷增強和應用的普及，很多領(lǐng)域的

22、專家為MATLAB寫了專門的工具箱，用以拓展MATLAB的功能，這大大擴大了MATLAB的應用范圍。所以現(xiàn)在的MATLAB已不僅僅局限與現(xiàn)代控制系統(tǒng)分析和綜合應用，它已是一種包羅眾多學科的功能強大的技術(shù)計算語言，是當今世界上最優(yōu)秀的數(shù)值計算軟件之一。它強大的科學運算與可視化功能，簡單易用，開放式可擴展環(huán)境，特別是所附帶的30多種面向不同領(lǐng)域的工具箱支持，使得它在許多科學領(lǐng)域中成為計算機輔助設(shè)計和分析，算法研究和應用開發(fā)的基本工具和首選平

23、臺[2]。</p><p>　　MATLAB環(huán)境下的Simulink 是用于對復雜動態(tài)系統(tǒng)進行建模和仿真的圖形化交互式平臺。運行于Simulink下的PSB(Power System Blockset)是針對電力系統(tǒng)的工具箱，從Matlab 6.0開始它被重新命名為SPS(SimPowerSystem)。SimPowerSystem是以Hydro-Quebec'研究中心的專家為主的MATLAB的開發(fā)的工具

24、箱，主要用于電力系統(tǒng)，電子電路的仿真。隨著MATLAB的不斷升級，SimPowerSystem也得到了很大的發(fā)展?，F(xiàn)在，從MATLAB13版的開始，SimPowerSystem和SimMechanies一起作為現(xiàn)實模型產(chǎn)品族的成員，結(jié)合Simulink的使用，可以仿真電氣，機械以及控制系統(tǒng)。使用SimPowerSystem，不需要學習復雜的軟件命令，編寫軟件代碼，用戶可以專注于物理模型本身，通過與實際電路圖非常相似的符號，表示復雜的電網(wǎng)

25、，這有助于大大提高仿真的效率。</p><p>　　1.2 配電網(wǎng)的故障現(xiàn)狀及分析</p><p>　　電力系統(tǒng)中壓配電網(wǎng)一般采用不直接接地或經(jīng)消弧線圈接地方式，因其發(fā)生接地故障時，流過接地點的電流小，所以稱為小電流接地系統(tǒng)。此系統(tǒng)中接地故障最高，由于三個線電壓仍然對稱，不影響負荷連續(xù)供電，故不必立即跳閘，但接地后非故障相電壓會升高，長時間帶故障運行會影響系統(tǒng)安全，因此需要對故障時刻和故

26、障線路進行檢測。另外故障初期接地點常常伴有很大的接地電阻，各次諧波電流分量很小這將影響故障檢測的靈敏度。因此，需要具有很強的處理微弱信號能力的數(shù)字信號處理方法去分析非平穩(wěn)信號。</p><p>　　對配電網(wǎng)接地短路故障的研究，主要有利用短路后的穩(wěn)態(tài)分量、諧波分量和暫態(tài)分量等幾種方法。利用故障后的穩(wěn)態(tài)分量進行故障檢測，存在的問題是接地穩(wěn)態(tài)分量太小常導致選線裝置不能正確動作而且該方法要求有一個持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路過程因此在

27、發(fā)生間歇性電弧接地時便不再適用，因此利用能對突變的微弱的非平穩(wěn)故障信號進行精確處理的小波分析理論，可以很好地分析電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程并提取出故障特征。</p><p>　　電力系統(tǒng)暫態(tài)功角穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的第一道防線。暫態(tài)穩(wěn)定性是指電力系統(tǒng)在受到大干擾(如短路故障，突然增加或減少發(fā)電機出力、大量負荷，突然斷開線路等)后，各同步發(fā)電機保持同步運行并過渡到新的或恢復到原來穩(wěn)態(tài)運行方式的能力。通常指第一或第二

28、振蕩周期不失步[3]。提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的措施是多樣的。</p><p>　　論文以單機—無窮大系統(tǒng)為例。主要對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、快速切除故障、單相自動重合閘等措施在提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性方面的作用運用MATLAB的電力系統(tǒng)仿真模塊集SimPowerSystems BIockset(以下簡稱SPS)進行仿真分析。</p><p>　　備注：相對于Matlab6.0以前的PSB而言，SPS

29、具有以下兩方面改進：</p><p>　　1)增加了濾去直流與諧波分量計算的相量法，取消了電氣狀態(tài)量不能躍變的約束， 將計算內(nèi)容固定為額定頻率下的交流量，仿真步長因此可由微秒級提高到毫秒級，從而減少了仿真步數(shù)、縮短了仿真時間。</p><p>　　2)求解相量方程時，SPS采用了隱式梯形法，克服了微分與代數(shù)方程之間的交接誤差而且具有良好的穩(wěn)定性。由于對步長具有較好的魯棒性，用戶可以選擇Si

30、mulink微分方程解算器提供的專門針對剛性系統(tǒng)的變步長數(shù)值積分方法，使解算器視狀態(tài)量變化趨勢自動選擇每一步的步長，而無須通過試算確定。</p><p>　　1.3 暫態(tài)穩(wěn)定仿真流程</p><p>　　由于電力系統(tǒng)的動態(tài)仿真研究將不能在實驗室進行的電力系統(tǒng)運行模擬得以實現(xiàn)[4]。因此在判定一個電力系統(tǒng)設(shè)計的可行性時，都可以首先在計算機上進行動態(tài)仿真研究，它的突出優(yōu)點是可行、簡便、經(jīng)濟。

31、Matlab電力系統(tǒng)工具箱包含的模塊有：Electrical Sources(電源庫)、Elements(元件庫)、PowerElectronics(電力電子元件庫)、Machines(電機庫)、Connectors(連接器庫)、Measurements(測量儀器庫)、Extra Library(附加元件庫)、Demos(示例庫)、Powergui(圖形用戶界面graphical user interface)等。</p>

32、<p>　　為了研究電力系統(tǒng)的特性，搭建的系統(tǒng)應最大限度的再現(xiàn)實際中的電力系統(tǒng)。利用模塊庫中封裝好的模塊搭建系統(tǒng)，對各環(huán)節(jié)元件作了一定的理想化。對各元件的參數(shù)也作了一定的取舍與簡化，隨著模塊庫的不斷更新與完善，利用已有模塊搭建的系統(tǒng)基本能模擬實際電力系統(tǒng)的特性，成為對電力系統(tǒng)進行分析、設(shè)計、仿真的一個有力工具[5]。</p><p>　　SPS仿真電力系統(tǒng)流程圖如圖1-1所示：</p>

33、<p>　　圖1-1 SPS仿真電力系統(tǒng)流程圖</p><p>　　第2章 單機—無窮大暫態(tài)穩(wěn)定仿真分析</p><p>　　電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題是指電力系統(tǒng)運行中受到擾動后能否保持發(fā)電機間同步運行的問題，根據(jù)擾動大小所確定的穩(wěn)態(tài)問題的性質(zhì)，把它分為靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定。所謂電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性，一般是指電力系統(tǒng)在運行中受到微小擾動后，獨立地恢復到它原來的運行狀態(tài)的能力。電力系統(tǒng)的暫態(tài)

34、穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)在某個運行情況下突然受到大的干擾后，能否經(jīng)過暫態(tài)過程達到新的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)或者恢復到原來的狀態(tài)。這里所謂的大干擾，是相對于小干擾而言的。如果系統(tǒng)受到大的干擾后仍能達到穩(wěn)定運行，則系統(tǒng)在這種運行情況下是暫態(tài)穩(wěn)定的。反之，如果系統(tǒng)受到大的干擾后不能建立穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，而是各發(fā)電機組轉(zhuǎn)子間一直有相對運動，相對角不斷變化，因而系統(tǒng)的功率電流和電壓都不斷振蕩，以至整個系統(tǒng)不能再繼續(xù)運行下去，則稱為系統(tǒng)在這種運行情況下不能保持暫態(tài)穩(wěn)定[

35、6]。</p><p>　　2.1 復雜電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析</p><p>　　引起電力系統(tǒng)大擾動的原因主要有下列幾種：</p><p>　　1) 負荷的突然變化，如投入或切除大容量的用戶等；</p><p>　　2) 切除或投入系統(tǒng)的主要原件，如發(fā)電機，變壓器及線路等；</p><p>　　3) 發(fā)生短路故障。

36、</p><p>　　其中短路故障的擾動最為厲害，常以此作為檢驗系統(tǒng)是否具有暫態(tài)穩(wěn)定的依據(jù)。而且短路故障中，單相接地短路故障最多。在發(fā)生短路的情況下，電力系統(tǒng)從一種狀態(tài)激烈變化到另一種狀態(tài)，產(chǎn)生復雜的暫態(tài)現(xiàn)象。在三相系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路有：三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路等。當動態(tài)電路從某一穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一穩(wěn)定狀態(tài)時，一些物理量(如電容電壓，電感電流等)并不會突變，而是需要一定時間。在這期間，電

37、路將呈現(xiàn)出不同于穩(wěn)態(tài)的特別現(xiàn)象，即電路的過渡過程或暫態(tài)現(xiàn)象。分析電路的暫態(tài)現(xiàn)象時，可建立電壓電流的微分方程，并按初始來求解。MATLAB提供了常微分方程初值問題的數(shù)值解法，對于穩(wěn)態(tài)一般用快速而準確的ode45函數(shù)，對于暫態(tài)一般用ode23函數(shù)。也可采用自適應變不長的求解方法，即當解的變化較快時，步長會自動的變小，從而提高計算精度。</p><p>　　2.2 單機—無窮大系統(tǒng)原理</p><

38、p>　　電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定分析中，常采用的模型是單機對無窮大系統(tǒng)(SIMB)，單機—無窮大系統(tǒng)認為功率無窮大，頻率恒定，電壓恒定，是工程上最常用的手段，也是電力系統(tǒng)模擬仿真最簡單、最基本的的運行方式，即對現(xiàn)實進行近似處理，以簡化模型，更有利于得出結(jié)論，簡化計算過程。無輸電線的單機—無窮大系統(tǒng)原理圖如2-1所示：</p><p>　　圖2-1 無輸電線的單機—無窮大系統(tǒng)原理圖</p><p&

39、gt;　　假定聯(lián)絡(luò)阻抗為純電感，則由發(fā)電機向無窮大系統(tǒng)送出去的有功功率的P為：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中—包括發(fā)電機阻抗在內(nèi)的發(fā)電機電動勢到無窮大系統(tǒng)母線的總阻抗。其中—功角；—發(fā)電機電勢；—系統(tǒng)母線電壓。</p><p>　　假定在發(fā)電機高壓母線上發(fā)生三相金屬性短路。時刻切除故障，可以將采用仿真

40、來觀察發(fā)電機運行情況。在我國，目前仍然以三相短路作為考核暫態(tài)穩(wěn)定的擾動模式之一。因此在以下的仿真中采用的故障形式為短路故障為主，考慮到PSS(Power System Stabilizer 屬于Simulink下SimPowerSystem庫的machines分支下的模塊)作為勵磁系統(tǒng)的一個子模塊，它的輸出時勵磁輸入信號的一種，通過On-Off開關(guān)控制投退。專門為抑制低頻振蕩而研究的一種附加勵磁控制技術(shù)。它在勵磁電壓調(diào)節(jié)器中，引入領(lǐng)先于

41、軸速度的附加信號，產(chǎn)生一個正阻尼轉(zhuǎn)矩，去克服原勵磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的負阻尼轉(zhuǎn)矩作用。用于提高電力系統(tǒng)阻尼、解決低頻振蕩問題，是提高電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的重要措施之一。它抽取與此振蕩有關(guān)的信號，如發(fā)電機有功功率、轉(zhuǎn)速或頻率，加以處理，產(chǎn)生的附加信號加到勵磁調(diào)節(jié)器中，使發(fā)電機產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加力矩。</p><p><b>　　2.3 結(jié)論</b></p><p>　

42、　PSS能有效改善阻尼低頻振蕩，是提高電力系統(tǒng)小信號穩(wěn)定成本最低、收效最大的方法。因此短路故障仿真和PSS模塊的應用結(jié)合是研究電力系統(tǒng)穩(wěn)定的重要手段。</p><p>　　第3章 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器數(shù)學模型及仿真</p><p>　　20世紀70年代發(fā)展起來的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器是科學技術(shù)上的一項突破，對于世界上各國大型電力系統(tǒng)的運行，產(chǎn)生了重大的影響，在研究方法上也給予人們重要的啟示。它的出現(xiàn)不是

43、完全依靠理論及數(shù)學上的方法構(gòu)造或設(shè)計出來的，而是在人們長期的工程實踐中，根據(jù)對于物理過程的深刻理解，結(jié)合控制理論及電子技術(shù)發(fā)展起來的?？梢哉f，它是理論與實踐相互結(jié)合的一個范例[7]。</p><p>　　由于勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁系統(tǒng)及發(fā)電機磁場繞組的相位滯后特性，使電壓調(diào)節(jié)器產(chǎn)生了相位滯后于功角并與轉(zhuǎn)速變化反相位的負阻尼轉(zhuǎn)矩，這就是電壓調(diào)節(jié)過分靈敏時產(chǎn)生振蕩的原因。這樣，在勵磁系統(tǒng)中采用某個附加信號，經(jīng)過相位補償，使

44、其產(chǎn)生正阻尼轉(zhuǎn)矩的想法就自然產(chǎn)生了。將這個想法用硬件加以實現(xiàn)，就構(gòu)成了電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。本章通過以海佛容一飛利蒲斯(Heffron—Philips)模型為依據(jù)，分析了發(fā)電機同步轉(zhuǎn)矩及阻尼轉(zhuǎn)矩，確定了勵磁控制系統(tǒng)的作用可以等效為提供了附加的阻尼及同步轉(zhuǎn)矩，而系統(tǒng)的機電振蕩頻率主要是由發(fā)電機轉(zhuǎn)子機械慣性環(huán)節(jié)決定的。這樣，根據(jù)一定性能指標就可以計算出穩(wěn)定器應該補償?shù)慕嵌燃胺€(wěn)定器的參數(shù)。 </p><p>　　本章將由

45、數(shù)學模型人手，介紹有關(guān)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的基本原理、分析及設(shè)計方法。</p><p>　　3.1 電力系統(tǒng)低頻振蕩的簡化模型(Heffron-Philips模型)</p><p>　　下圖3-1所示為單機—無窮大系統(tǒng)：</p><p>　　圖3-1 單機—無窮大系統(tǒng)</p><p>　　在上圖中所示的單機—無窮大系統(tǒng)中，如果略去同步電機的定子電

46、阻、定子電流的直流分量(即認為)，以及阻尼繞組的作用，并且認為在小擾動過程中，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化很小，可以略去，則派克方程將具有下述形式 ：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p><b>　　(3-2)</b></p><p><b>　　(3-3)</b></p>

47、<p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　另外，電抗后的假想電動勢為：</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　　(3-6)</b></p><p&g

48、t;　　如果將外電抗看作是發(fā)電機漏抗的一部分，則可得：</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　由(3-7)、(3-8)可解得：</p><p><b>　　(3-9)</b></p>&

49、lt;p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　這樣，發(fā)電機的基本方程式集中在一起：</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p><b>　　(3-12)</b></p><p><b>　　(3-13)</b>

50、</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p><b>　　(3-15)</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p><p><b>　　(3-17)</b></p><p>　　另外還有下

51、述輔助方程：</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p><b>　　(3-19)</b></p><p><b>　　(3-20)</b></p><p><b>　　(3-21)</b></p><p>　

52、　在上面的方程式中，、、以標幺值表示，t以秒表示，以秒表示，以弧度表示。如果發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)時遭到干擾，各狀態(tài)量均產(chǎn)生偏差，各狀態(tài)偏差、及表示如下[8]：</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p><b>　　上也可寫成：</b></p><p><b>　　(3-23)</b>

53、</p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　(3-24)</b></p><p><b>　　(3-25)</b></p><p><b>　　(3-26)</b></p><p><b>　

54、　其中：</b></p><p><b>　　(3-27)</b></p><p><b>　　(3-28)</b></p><p><b>　　(3-29)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p

55、><b>　　(3-30)</b></p><p><b>　　(3-31)</b></p><p>　　上述式子組成了同步電機數(shù)學模型如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 同步電機數(shù)學模型</p><p>　　上述各式中的下腳標0 表示初始穩(wěn)態(tài)，為同步發(fā)電機直軸同步電抗，為同步發(fā)

56、電機的直軸暫態(tài)電抗,為同步發(fā)電機交軸同步電抗。的表達式為：</p><p><b>　　(3-32)</b></p><p>　　上述式中的 為升壓變壓器電抗與線路電抗之和，上述式中下標0表示穩(wěn)態(tài)初始值；式中、分別為發(fā)電機的外功角和暫態(tài)電勢對電磁轉(zhuǎn)矩的影響；、分別為外功角和暫態(tài)電勢的變化對q 軸電勢的影響；而、分別為外功角和q軸暫態(tài)電勢的變化對機端電壓的影響[9]。&

57、lt;/p><p>　　由于反映的是發(fā)電機轉(zhuǎn)子在同步小振蕩時功角的變化對發(fā)電機定子電壓的影響，而定子電壓偏差通常是勵磁調(diào)節(jié)器電壓反饋調(diào)節(jié)的主要依據(jù)，通過它可將勵磁調(diào)節(jié)問題和轉(zhuǎn)子的擺動聯(lián)系起來。另外，發(fā)電機的功角通過和對q 軸的暫態(tài)電勢產(chǎn)生影響，并由此影響發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，但由于電磁慣性的存在，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的變化將滯后于功角的變化，這正是產(chǎn)生負阻尼的原因。</p><p>　　為了便于分析問題

58、，我們僅考慮圖3-2中的電磁環(huán)節(jié)，勵磁控制系統(tǒng)對發(fā)電機電磁功率的影響，即轉(zhuǎn)子角度偏差產(chǎn)生電壓偏差引起的電壓調(diào)節(jié)器作用所產(chǎn)生的功率分量，得到圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 轉(zhuǎn)矩與電動勢間傳遞函數(shù)框圖</p><p>　　整個勵磁系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)可表示為：</p><p><b>　　(3-33)</b></p><

59、;p><b>　　(3-34)</b></p><p><b>　　(3-35)</b></p><p><b>　　將、代入上式得：</b></p><p><b>　　(3-36)</b></p><p>　　將s=代入式(3-36)后，經(jīng)過簡化

60、可得：</p><p>　　因快速系統(tǒng)的很小，可以認為，而因而略去分母中第一項，則：</p><p><b>　　(3-37)</b></p><p><b>　　設(shè)則：</b></p><p><b>　　(3-38)</b></p><p>　　因s

61、=，式子(3-38)可以表示為：</p><p><b>　　(3-39)</b></p><p>　　式子(3-39)表明，因磁鏈變化(包括電壓調(diào)節(jié)器的作用)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩可以分成兩個部分量，即與成比例的同步轉(zhuǎn)矩及與轉(zhuǎn)速成比例的阻尼轉(zhuǎn)矩，其中：</p><p><b>　　(3-40)</b></p><

62、p><b>　　(3-41)</b></p><p><b>　　設(shè)，則：</b></p><p>　　及分別稱為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)及阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。式(3-40)、式(3-41)表示有電壓調(diào)節(jié)器時的同步及阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，它們與K5有關(guān)。</p><p>　　在大功角的條件下，由于??0，由積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的附加同步力矩和阻尼力矩

63、都為負；而在小功角的條件下，雖然由積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的和相關(guān)的附加同步力矩和阻尼力矩都為正，但由積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的和相關(guān)的附加負阻尼力矩大于由積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生的和相關(guān)的附加正阻尼力矩。因此，總體而言，積分環(huán)節(jié)的引進，進一步降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，加大了機組的負阻尼。</p><p>　　至此，可以看到，采用常規(guī)的PI 型電壓反饋的勵磁調(diào)節(jié)器，除了在小功率角處有一點形響不太大的例外，在大部分運行區(qū)，勵磁調(diào)節(jié)在對發(fā)電機電壓質(zhì)量保證的同時

64、，也起著保證發(fā)電機同步力矩的作用。然而由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子電磁慣性的滯后作用，這種調(diào)節(jié)將會引起對發(fā)電機轉(zhuǎn)子擺動的負阻尼效應，產(chǎn)生不利于發(fā)電機穩(wěn)定運行的影響。除此之外，勵磁調(diào)節(jié)器中的積分環(huán)節(jié)的滯后，從總體上看也是起著加大機組負阻尼的作用。</p><p>　　當發(fā)電機運行到某小功角時會出現(xiàn) ??0的局面。從物理意義上理解，即：</p><p><b>　　(3-42)</b>

65、;</p><p>　　即功角增大，發(fā)電機端電壓升高。如果由于某種原因引發(fā)了一個的功角變化，即轉(zhuǎn)子有了一個加速向前的擺動，由此引起發(fā)電機端電壓變化，即電壓升高；這時勵磁調(diào)節(jié)器將做出使轉(zhuǎn)子勵磁電壓降低的反應。顯然勵磁調(diào)節(jié)器的這種反應減小了電機的同步力矩，是不利于限制轉(zhuǎn)子擺幅的。從這里我們可以看到，在維持發(fā)電機端電壓恒定和保證發(fā)電機穩(wěn)定運行，這兩種對勵磁調(diào)節(jié)的需求之間是存在著一定矛盾的，在實際的生產(chǎn)中必需對二者進行協(xié)

66、調(diào)。</p><p>　　當發(fā)電機運行在大功率角時， ??0，此時：</p><p><b>　　(3-43)</b></p><p>　　如轉(zhuǎn)子有一個加速向前的擺動，此時發(fā)電機電壓下降，勵磁調(diào)節(jié)器作用于增加勵磁電壓，這雖然是我們所需要的，然而，由于轉(zhuǎn)子電磁慣性或調(diào)節(jié)器滯后環(huán)節(jié)(如積分環(huán)節(jié)) 的存在，這一調(diào)節(jié)作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子電流變化在相位上將滯

67、后于發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓的變化，以至當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)而向回擺動時，此時轉(zhuǎn)子電流仍然很大，這將使得發(fā)電機電磁力矩仍具有很大的數(shù)值，其影響是使回擺力度增大，從而使轉(zhuǎn)子擺幅加大；如此轉(zhuǎn)子在擺動過程中因上述滯后效應而使擺動能量逐次積累而不斷加大，從而又使擺幅不斷加大，形成的結(jié)果正是自發(fā)振蕩，這就是負阻尼形成的物理機制。</p><p>　　3.2 Power System Stabilizator的傳遞函數(shù)</p>&

68、lt;p>　　如前所述，勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機繞組具有相位滯后的特性，這個滯后的相位角可以被表達為：</p><p><b>　　(3-44)</b></p><p>　　式中，是低頻振蕩頻率， ，。、分別代表勵磁系統(tǒng)時間常數(shù)的增益和慣性時間常數(shù)。，，為輸電線路電抗。</p><p>　　為了抵消這個滯后相角，PSS必須有超前環(huán)節(jié)。通常超前環(huán)節(jié)

69、是兩級，其傳遞函數(shù)可以表示為：</p><p>　　PSS是為了抑制低頻振蕩而設(shè)置的，正常運行時，PSS不應當起作用，在低頻振蕩發(fā)生時，PSS才起作用，只有這樣才不致影響正常運行時勵磁控制系統(tǒng)的常規(guī)功能。為了使得采用附加信號的PSS不致對發(fā)電機的電壓產(chǎn)生持續(xù)的影響，PSS還需要一個隔離信號穩(wěn)態(tài)值的環(huán)節(jié)，.其傳遞函數(shù)為KcTs/(1+Ts)，它是一個實際的微分環(huán)節(jié)，只提取變化量而隔離穩(wěn)態(tài)值。式中Kc是PSS的放大倍

70、數(shù)，用以調(diào)節(jié)所提供的阻尼的大小，使用時按需要來整定。</p><p>　　3.3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器</p><p>　　本文主要研究的是以發(fā)電機轉(zhuǎn)速為輸入信號的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器。</p><p>　　3.3.1 發(fā)電機軸轉(zhuǎn)速信號穩(wěn)定器</p><p>　　轉(zhuǎn)速信號穩(wěn)定器與發(fā)電機的連接，轉(zhuǎn)速信號通過穩(wěn)定器(其傳遞函數(shù)為)送到電壓調(diào)節(jié)器參考點。&l

71、t;/p><p>　　由穩(wěn)定器提供的附加電磁轉(zhuǎn)矩為：</p><p><b>　　(3-45)</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p><b>　　(3-46)</b></p><p>　　是穩(wěn)定器作用必須經(jīng)過的設(shè)備的傳遞函數(shù)，它

72、反映了勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機及電力系統(tǒng)的特性。環(huán)節(jié)具有下述性質(zhì)：</p><p>　　(1)由于系數(shù)是隨著負荷的增加而增大的，而是隨著負荷的增大而減小的，因而的增益是隨負荷的增大而增大的。所以我們說，穩(wěn)定器的作用，即穩(wěn)定器產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩也是隨負荷增加而增大的。這是所希望的，有利于穩(wěn)定器的適應性。</p><p>　　(2)因為、也隨線路阻抗而改變：</p><p><

73、;b>　　(3-47)</b></p><p><b>　　(3-48)</b></p><p>　　數(shù)值較大，數(shù)值較小，當系統(tǒng)結(jié)構(gòu)增強時，即線路阻抗減小時，增大，而減小，的增益增大，也即是穩(wěn)定器的作用增大，增大，并且的相位滯后也要增大(因為)變大。</p><p>　　3.3.2 速度信號穩(wěn)定器</p><

74、;p>　　利用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最強(最小)及滿負荷的運行方式來調(diào)整參數(shù)。因為這時穩(wěn)定器回路具有最大增益，同時它要補償?shù)臏蠼亲畲?。注意，這是從安全的角度，即從避免因穩(wěn)定器作用過強產(chǎn)生振蕩的角度提出來的。</p><p>　　但是，當發(fā)電機與系統(tǒng)聯(lián)系變?nèi)鯐r，也就是更需要穩(wěn)定器的阻尼作用時，它的作用卻減小了，這是以速度為信號的穩(wěn)定器的第一個特點。</p><p>　　它的第二個特點是，為了補償勵

75、磁系統(tǒng)的相位滯后，以速度為信號的穩(wěn)定器必須采用領(lǐng)先網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)高頻段的增益較大，因而對于噪聲干擾要特別加以考慮，尤其是</p><p>　　轉(zhuǎn)軸本身的扭轉(zhuǎn)振蕩(大約在20周期左右)，通過轉(zhuǎn)速信號傳人穩(wěn)定器，使振蕩加劇，這時就需要設(shè)置專門的帶阻濾波器。</p><p>　　第三個特點是，轉(zhuǎn)速的測量是用機械的方法，比起電氣量(如頻率)要困難，精度也不高。而且有時為了避免引入轉(zhuǎn)軸本身扭轉(zhuǎn)振蕩，

76、還需要將測量轉(zhuǎn)速的傳感器裝置在大軸扭轉(zhuǎn)振蕩的波節(jié)處，這也增加測轉(zhuǎn)速的麻煩。</p><p>　　3.3.3 電功率信號穩(wěn)定器</p><p>　　前面已經(jīng)分析過，以電功率負值為信號的穩(wěn)定器，當原動機功率不變時，它相當于過剩功率或加速功率，所以穩(wěn)定器網(wǎng)絡(luò)所需補償?shù)慕嵌葴p小，甚至具有相角滯后特性，也就是說，對高頻端增益將衰減，這對于防止軸扭轉(zhuǎn)振蕩，干擾及噪聲有很大的好處。這是以功率為信號的穩(wěn)定

77、器最大優(yōu)點。但是當快速增加或減小原動機的功率時，它的“反調(diào)作用”是有害的，尤其是當工作到人工穩(wěn)定區(qū)時，這種反調(diào)作用會使靜態(tài)功率極限下降。所以對遠距離送電的發(fā)電機組，使用這種信號仍不夠滿足需求。</p><p>　　由于電功率穩(wěn)定器，要使功率信號通過滯后網(wǎng)絡(luò)或是積分環(huán)節(jié)變成速度信號，所以這種穩(wěn)定器對于負荷的變化及系統(tǒng)強弱的變化，與速度穩(wěn)定器大體相同。</p><p>　　3.4 MATLA

78、B仿真模型</p><p>　　仿真建立的仿真系統(tǒng)包括同步發(fā)電機(1000MW)、升壓變壓器、模擬負載、勵磁調(diào)節(jié)器、電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、電網(wǎng)電源等設(shè)備，采用MATLAB仿真軟件，建立了基于MATLAB/Simulink的單機無窮大系統(tǒng)仿真模型，并在Simulink環(huán)境下進行了仿真。</p><p>　　SimPower System中提供了大量的仿真模型，這使得仿真系統(tǒng)構(gòu)造非常方便，圖3-4

79、就是MATLAB提供的勵磁控制器模型。整個仿真系統(tǒng)絕大多數(shù)的元件都是由MATLAB/Simulink提供，為了保證問題研究具有普遍性，本文以單機無窮大系統(tǒng)作為研究對象，同時依據(jù)問題研究的側(cè)重點，忽略原動機的出力變化，即認為原動機供給同步發(fā)電機恒定的機械功率，這時候的整個機組工作在恒功率運行狀態(tài)。</p><p>　　下圖為MATLAB/Simulink中供勵磁控制器模型：</p><p>

80、　　圖3-4 勵磁控制器模型</p><p>　　勵磁控制器參數(shù)如下：</p><p><b>　　，，，，，，，，。</b></p><p>　　其中為傳感器時間常數(shù)，為放大倍數(shù)，為晶閘管整流時間常數(shù)， 為滯后時間常數(shù)，為超前時間常數(shù)，為負反饋放大倍數(shù)， 阻尼繞組時間常數(shù)，和為勵磁電壓輸出限幅。</p><p>　　電

81、力系統(tǒng)穩(wěn)定器仿真模型如圖3-5所示：</p><p>　　圖3-5 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型</p><p>　　當以轉(zhuǎn)速偏差為PSS輸入信號時，PSS參數(shù)設(shè)置如下：</p><p><b>　　，，，，，，5，5</b></p><p>　　其中為傳感器時間常數(shù)，為隔直時間常數(shù)，、為PSS超前時間常數(shù)，、為PSS滯后時間常數(shù)

82、，和為輸出限幅。</p><p>　　本次仿真選出需要用到如下模塊：</p><p>　　(1)Powerlib電力系統(tǒng)工具箱：</p><p>　?、?Electrical Sources 中的 Three-Phase Source(三相電源)模塊</p><p>　?、?Element中的Three-Phase Parallel RLC

83、Load(三相負載RLC并聯(lián))模塊和Ground(交流接地)模塊 以及 Three-Phase Breaker(三相斷路器)模塊，Three-Phase Fault(三相故障整流器)模塊，Distributed Parameters Line(分布參數(shù)線路)模塊，Three-Phase Transformer(Two Windings)(三相變壓器繞組)模塊</p><p>　?、?Machines里Synchr

84、onous Machine pu Standad(標么標準同步電機) 模塊，Excitation System(勵磁系統(tǒng))模塊，Generic Power System Stabilizer(通用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器)模塊</p><p>　?、?Measurements里Voltage Measurement(電壓測量)模塊</p><p>　　⑤ powergui 模塊</p>

85、<p>　　(2)Simulink常用工具箱：</p><p>　?、?Simulink 模塊集Commonly Used Blocks (常用模塊)下的 Constant(常量)模塊，Demux(多路分配器)模塊，Gain (獲得)模塊，Ground模塊(直流)，Scope (顯示器)模塊，Sum(求和)模塊</p><p>　?、赟ignal Routing(信號路由)模塊

86、庫下的 Manual Switch (手動開關(guān))模塊</p><p>　?、跾imPowerSystem(電力系統(tǒng))模塊庫下的Machines集中Machines Measurement Demux(電機測量復合)模塊，需要雙擊設(shè)置相關(guān)的輸入輸出接口。對各個模塊連線并進行相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置得到單機—無窮大系統(tǒng)仿真模型為：</p><p>　　圖3-6 單機—無窮大系統(tǒng)Simulink仿真模型

87、</p><p>　　3.5 各種提高暫態(tài)穩(wěn)定性措施的運行效果仿真</p><p>　　由于大擾動后發(fā)電機機械功率和電磁功率的差額(即加速功率Pm-Pe)是導致系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因。因此減少大擾動后發(fā)電機的加速功率是首先考慮的措施。因此提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一些有效措施，包括電力系統(tǒng)穩(wěn)定器、快速切除故障、故障限流器、自適應單相自動重合閘等，進行仿真分析。設(shè)置線路L2出口處發(fā)生短路

88、故障(故障發(fā)生時間均定在ls)作為對系統(tǒng)的大擾動。在進行動態(tài)仿真時分別設(shè)置以下的一些情況：</p><p>　　設(shè)置線路L2出口處發(fā)生短路故障(故障時間均發(fā)生在1S)作為對系統(tǒng)最大的擾動。在進行動態(tài)仿真時分別設(shè)置以下的一些情況：</p><p>　　線路L2出口處發(fā)生單相接地短路，1.3S時切除故障，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS的效果進行分析(PSS可通過切換開關(guān)進行投退)，仿真結(jié)果見圖3-7所

89、示：</p><p>　　圖3-7 (1.3S切除 未加PSS)</p><p>　　結(jié)論分析：未投入PSS時，盡管采用了快速切除故障的措施。由于系統(tǒng)本身有延遲，故障斷開之后仍然出現(xiàn)短時間的震蕩，3.05秒后趨于穩(wěn)定。</p><p>　　圖3-8 (1.3S切除 加有PSS)</p><p>　　結(jié)論分析：可知，對于單相接地短路故障，采

90、用PSS可有效地增加系統(tǒng)對振蕩的阻尼效果，使波形更平緩，同時對其它故障諧波有一定的消除作用，1.7秒后趨于穩(wěn)定。</p><p>　　線路L2出口處發(fā)生單相接地短路，在1.6S是切除故障，仿真時附加PSS，仿真結(jié)果見圖2所示；將此仿真效果與(1)中的1.3S時切除故障的仿真結(jié)果進行比較，對快速切除故障的效果進行分析。</p><p>　　圖3-9 (1.6S切除 未加PSS)</p

91、><p>　　結(jié)論分析：未投入PSS時，系統(tǒng)發(fā)生故障時暫時失去穩(wěn)定性，造成的波動較大，穩(wěn)定性較差，震蕩持續(xù)時間較長，2.6秒后趨于穩(wěn)定。</p><p>　　圖3-10 (1.6S切除 加有PSS)</p><p>　　結(jié)論分析：采用PSS可有效地減弱系統(tǒng)的阻尼振蕩效果，1.3秒后使系統(tǒng)迅速地趨向穩(wěn)定。</p><p>　　線路L2出口處發(fā)生三

92、相接地短路，1.3S時切除故障，仿真時不加PSS，對自適應單相重合閘的效果進行分析，3.3S時重合L2故障相(A相)，仿真結(jié)果見圖3-11。</p><p>　　圖3-11 (三相接地短路)</p><p>　　結(jié)論分析：由于三相接地短路，系統(tǒng)脫離暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，隨著時間增加相電流會在短時間內(nèi)迅速增加，此時系統(tǒng)崩潰。</p><p>　　短路故障的類型和發(fā)生及切除時間

93、可由三相短路模塊(Three-Phase Fault)進行設(shè)置。動態(tài)仿真時選擇ode23tb，并采用略去直流分量和其他復雜濾波分量的Phasors法，可顯著地加快仿真速度。</p><p>　　由可知，對于單相接地短路這樣故障形式，采用PSS可有效地增加系統(tǒng)的阻尼振蕩效果，使系統(tǒng)迅速地趨向穩(wěn)定；而未投入PSS時，盡管采用了快速切除故障的措施，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。在系統(tǒng)附加PSS的前提下。對比圖3-10的慢切除故障和圖

94、3-8中快速切除故障的發(fā)電機運行指標的仿真運行結(jié)果．可見快速切除故障對于提高電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性有著決定性的作用。</p><p>　　電力系統(tǒng)穩(wěn)定器PSS模塊的輸入信號即可采用發(fā)電機加速功率的Pa=Pm-Pe(p.u)也可以采用轉(zhuǎn)子角速度變化量dω(p.u)，本仿真采用后一種。而未投入PSS時，盡管采用了快速切除故障的措施，系統(tǒng)仍失去了穩(wěn)定性。同時采用自動重合閘也是提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的一個有效經(jīng)濟地方法，本次穩(wěn)態(tài)

95、故障仿真對自適應單相重合閘的效果進行仿真分析。與傳統(tǒng)的單相重合閘不同，自適應重合閘不是盲目進行，可在重合前判別單相接地短路故障的性質(zhì)，若為永久性故障，則重合閉鎖；若為瞬時性故障，則重合進行閉鎖；若為瞬時性故障，則重合進行。由上可知，若單相接地短路為瞬時性故障，重合成功可有效提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。由于高壓架空線路以發(fā)生瞬時性單相接地短路故障居多(占線路故障的70%-80%)，而一般重合閘的成功率可達90%以上，因此單相重合閘的使用可以提高

96、供電的可靠性和暫態(tài)穩(wěn)定性。</p><p><b>　　3.6 結(jié)論</b></p><p>　　MATLAB SPS集直觀性、技巧性和操作的簡易性于一身，是一款較優(yōu)秀的電力系統(tǒng)仿真軟件，同時SPS提供豐富的Help文檔，有利于使用者進行學習。本次仿真以單機—無窮大系統(tǒng)為對象進行仿真。分析了運行故障對穩(wěn)態(tài)的干擾，對實際電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定具有參考價值，仿真實踐表明，SP

97、S是電力系統(tǒng)機電暫態(tài)穩(wěn)定分析的有力工具。</p><p>　　第4章 信號特征提取</p><p>　　小波分析可以對信號特征進行檢測提取。與Fourier變換相比，小波變換是時間(空間)頻率的局部化分析，它通過伸縮平移運算對信號(函數(shù))逐步進行多尺度細化，最終達到高頻處時間細分，低頻處頻率細分，能自動適應時頻信號分析的要求，從而可聚焦到信號的任意細節(jié)，解決了Fourier變換的困難問題，

98、小波變換對信號特征的提取，成為繼Fourier變換以來在科學方法上的重大突破[10]。</p><p>　　4.1 小波變換的基本理論及應用</p><p>　　小波分析是當前應用數(shù)學中一個迅速發(fā)展的新領(lǐng)域。與Fourier變換、窗口Fourier變換(Gabor變換)相比，小波變換是空間(時間)和頻率的局域變換，通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細化分析，解決了Fourie

99、r變換不能解決的許多困難問題，小波分析在電力系統(tǒng)中的應用雖然起步較晚，但近幾年發(fā)展很迅速，成為研究的熱點，內(nèi)容已涉及許多領(lǐng)域，利用小波分析良好的時頻局部化特性，實現(xiàn)對頻帶信息的提取，為僅利用某頻率(或頻帶)信息而實現(xiàn)目標的算法，提供一種有效的預處理方法；實現(xiàn)時變諧波檢測；對現(xiàn)場信號實現(xiàn)有效的信噪分離；提取和識別電力系統(tǒng)故障特征信息等。小波變換的優(yōu)點在于其分頻特性，可以將信號中不同的頻率成分分解出來，從而能夠更加清晰的提取出各線路零序電流

100、信號中某頻段注入響應信號的時域特征，為故障選線中進行特征信息的提取提供了依據(jù)[11]。</p><p>　　4.2 小波函數(shù)的選擇</p><p>　　小波函數(shù)在理論上有無限多種，由其引出的小波基所具有的性質(zhì)也各不相同，可以滿足各種問題的需要。但對同一個信號利用不同的小波基進行處理，取得的效果并不相同，甚至差異較大。所以為了得到令人滿意的結(jié)果，就必須對小波函數(shù)進行適當?shù)倪x取。通常的做法是

101、把各種小波函數(shù)分類，并總結(jié)出每類小波函數(shù)的性質(zhì)和特點，結(jié)合要解決的問題來確定使用哪一類，并在該類中進行試驗比較來確定使用哪一個小波函數(shù)。</p><p>　　小波母函數(shù)的選取，要根據(jù)實際需要，要求小波母函數(shù)具有某些性質(zhì)，如正交性、對稱性、正則性、消失矩的階數(shù)等等[12]。正交性使小波變換具有快速算法；對稱性則使得小波變換具有線性相位；正則性對于信號或圖像的重構(gòu)獲得較好的平滑效果是非常有用的。小波函數(shù)的消失矩越高，

102、則對于信號的奇異性檢測比較有利。時域支撐區(qū)太長的小波母函數(shù)將不利于計算速度的提高，因此，在需要考慮計算時間消耗的場合，應優(yōu)先用時域支撐區(qū)較短的小波母函數(shù)。</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　(1)f (t)是要進行變換的函數(shù)它必須滿足平方可積條件即 。這個條件保證f(t)是一個有限能量的函數(shù)這是小波變換收斂的必要條件在工程上所處理的信

103、號一般情況下都是有限能量的因此這個條件容易滿足[13]。</p><p>　　(2)y (t) 是母小波或基小波函數(shù)之所以這樣稱呼是因為在變換中由它的伸縮和平移會派生出一系列小波函數(shù)：</p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　為了區(qū)別母小波或基小波函數(shù)y (t) 我們稱伸縮平移而成的一族函數(shù)為子小波或子波。并不是任何

104、函數(shù)都可以作為母小波函數(shù)，它必須滿足容許條件：</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　其中的傅立葉變換容許條件的提出主要保證小波變換的反變換存在因為任何變換都必須存在反變換才有實際意義。</p><p>　　常用的基本小波中 Haar小波是最簡單的小波函數(shù)。它的函數(shù)定義為：</p><p>

105、<b>　　(4-4)</b></p><p>　　Haar小波有很多優(yōu)點，如：</p><p>　　(1)Haar計算簡單，因為小波僅取+1和-1；</p><p>　　(2)Haar小波在時域是緊支撐的，即其非零區(qū)間為(0，1)；</p><p>　　(3)Haar波是對稱的。Haar小波是目前唯一一個既具有對稱型又

106、是有限支撐的正交小波。</p><p>　　但Haar小波是不連續(xù)小波，由于，因此=0處只有一階零點，這就使得Haar小波在實際的信號分析與處理中受到了限制。綜合來說本論文中Haar小波對于這種仿真信號還是非常完美的。 </p><p>　　4.3 Haar小波變換原理</p><p>　　對于數(shù)字信號序列進行Haar小波變換，可由下列公式直接進行離散化，用小波

107、系數(shù)來表征變化結(jié)果，則有下面的形式：</p><p><b>　　(4-5) </b></p><p><b>　　其算法由下圖表示：</b></p><p>　　圖4-1 Haar小波原理</p><p>　　表示高通濾波器，表示低通濾波器，2表示下抽樣。</p><p>

108、　　4.4 小波變換在仿真中的應用</p><p>　　在Matlab中利用小波變換程序?qū)Ψ抡娼Y(jié)果進行信號特征提取，小波變換程序見附錄(2S短路，2.6S恢復)特征提取圖像為：</p><p>　　圖4-2 未處理的原始時域信號</p><p>　　圖4-3 第一次小波變換提取的高頻分量</p><p>　　結(jié)論：故障發(fā)生瞬間，對信號進

109、行小波變換后會產(chǎn)生明顯的突變高頻分量，由于對信號進行第一次小波分解，突變非常明顯，最開始突變?yōu)楣收习l(fā)生時，第二次突變?yōu)楣收锨谐龝r，對故障分析為單相接地短路故障，每個采樣點時間間隔為0.001S。 </p><p>　　圖4-4 第二次小波變換后的高頻分量</p><p>　　結(jié)論：由于對第一次分解后的低頻部分進行第二次小波變換，其中電網(wǎng)系統(tǒng)的延遲和信號故障的噪聲對小波變化的干擾，在第二次

110、的小波變換中，突變的高頻分量包含了許多小的干擾噪聲，顯示了小波變換的多尺度分析，把對系統(tǒng)產(chǎn)生影響的高頻信號進行了更清晰的分解。</p><p>　　對比(2S短路，2.6S恢復)，現(xiàn)在設(shè)定短路故障時間為(3S短路，3.6S恢復)特征提取圖像為：</p><p>　　圖4-5 未處理的原始時域信號</p><p>　　圖4-6 第一次小波變換提取的高頻分量<

111、/p><p>　　圖4-7 第二次小波變換后的高頻分量</p><p>　　結(jié)論：當故障時間由(2S短路，2.6S恢復)改為(3S短路，3.6S恢復)，小波變換后的波形與時頻無關(guān)，同種故障在其它參數(shù)都一致的情況下小波變換后的小波圖像幾乎完全一致。只要系統(tǒng)突變，突變點就會被檢測出來，由此可知，對于任何未知的故障信號，經(jīng)過小波變換后，可以把某個突變點發(fā)生的高頻分量檢測出來，故障開始和結(jié)束都會產(chǎn)

112、生這樣的信號，每個采樣點時間間隔為0.001S[14]。</p><p><b>　　4.5 結(jié)論</b></p><p>　　小波變換具有表征信號突變特征的能力以及對非平穩(wěn)信號的良好的處理效果，本質(zhì)上是一濾波過程，但它優(yōu)于傳統(tǒng)的數(shù)字濾波方法。子波分析方法對弱信號實時處理的結(jié)果表明，小波變換方法可以根據(jù)信號和噪聲的不同特性進行非線性濾波，在改善信噪比的同時，具有很高

113、的時間(位置) 分辨率，而且對信號的形式不敏感，這是傳統(tǒng)的濾波方法所無法比擬的。因此，小波變換方法特別適合于弱信號的檢測和定位，本文通過實例說明，若將該方法應用到電力系統(tǒng)短路故障的診斷中，快速實現(xiàn)故障的自動診斷，對于提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有十分重要的意義。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，復雜的電力控制

114、系統(tǒng)在技術(shù)和安全對電網(wǎng)的要求越來越高，其可能遇到的多種情況正在考驗著電力運行的可持續(xù)性和穩(wěn)定性，期間自動化技術(shù)的進步正在彌補這這種巨大落差，更好的對電網(wǎng)系統(tǒng)各種故障的檢測和分析成為了當前熱門的研究課題，更具有非常實用的現(xiàn)實意義。</p><p>　　本論文通過對電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性研究領(lǐng)域故障判斷分析，以MATLAB/Simulink為電力系統(tǒng)仿真應用平臺，基于MATLAB語言的電力系統(tǒng)工具箱，非常方便地搭建了電力