基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备及方法，该设备包括被测信号经过机箱接线端子转变为模拟信号，首先经过电压传传感器和抗频谱混叠滤波器处理环节后，由数据采集板来进行数据采集，采集到的数据送到工控机，由工控机通过安装在其内的LabVIEW软件程序发送到网络通信、仪器控制及数据输出。该设备的方法，包括步骤有：（1）设计一种滤波器对信号进行去噪处理，利用定义的结构元对信号进行匹配或局部修正，对各种形态分量进行分解、提取或者变形；（2）利用小波变换奇异性检测原理经过多层分解来对暂态电能质量扰动进行定位和检测。本发明利准确对电网电压幅值跌落、相位跳变、三相电压不平衡进行定位和分析。
【专利说明】基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于风力发电电压跌落监测领域，尤其是一种基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备及方法。
【背景技术】
[0002]随着风力发电所占比重的不断增长，风电场的运行对系统稳定性的影响变得愈加重要。而低电压穿越能力正是并网技术要求的关键一项。现在有关国家标准中对这一暂态标准确还没有完整的相关内容。由于传统傅立叶变换分析方法的缺陷，无法完成对暂态电能质量的检测和分析工作。电压跌落检测的难点在于突变和非平稳的信号。而近年来随着小波变换理论的发展和不断完善已使得小波变换在暂态电能质量检测领域的应用愈加广泛，近年来风电的迅速发展使得风电所占供电比重迅速增长，风电场的运行对系统稳定性的影响也变得不容忽视，除了要将风电机组自身的技术水平提高，还对风电机组有了更严格的并网技术要求，而低电压穿越(LVRT)能力正式这其中的关键一项。低电压穿越能力是指风机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至能够给电网提供部分无功功率，支持电网电压恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压过程。因此对额定电压跌落特征量的测量是十分重要的，也是进步一采取治理和控制措施的依据和前提。
[0003]由于设备安装、外界电磁等原因，使得暂态信号中经常夹杂噪声，随机噪声在信号中体现为奇异点。而同时暂态信号中包含大量的高频信息，对有用的和无用的信息要进行相应的保留和删除，因此在传输和存储中压缩数据仍然是不可或缺的一部分，而其去噪和压缩在其思想方法上是基本一致的。而对于这些检测的难点是对突变的、暂态的、非平稳的信号检测和分类，传统的傅里叶变换不能完全的提取信号的暂态特征，在暂态电能质量信号分析方面呈现时频不能局部化的缺陷。而小波变换因其良好的时频局部化特征和处理突变信号的能力已被广泛应用于检测和识别电能质量扰动。但小波变换又存在频带混叠、泄漏效应及对脉冲干扰的抑制不够理想等问题，而在积分几何基础上创立的数学形态学提供了一种滤除白噪声和脉冲噪声非常有效的非线性滤波技术，并且数学形态学对信号的处理速度快，时延小，易于硬件实现，处理后的信号，其相位和幅值特征不会变化。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备及方法。
[0005]本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
[0006]一种基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备，该设备包括机箱接线端子及依次连接的电压传感器、抗频谱混叠滤波器、数据采集板及工控机，被测信号经过机箱接线端子转变为模拟信号，首先经过电压传传感器和抗频谱混叠滤波器处理环节后，由数据采集板来进行数据采集，采集到的数据送到工控机，由工控机通过安装在其内的LabVIEW软件程序发送到网络通信、仪器控制及数据输出。[0007]而且，所述电压传感器采用的型号为WBV411D07，所述数据采集板采用的型号为NIPC1-6133。
[0008]一种基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备的方法，包括步骤如下:
[0009](I)设计一种基于数学形态学的滤波器对信号进行去噪处理，利用预先定义的结构元对信号进行匹配或局部修正，对集中于物体形态中的各种形态分量进行分解、提取或者变形，从而达到提取信号、保持细节和抑制噪声的目的；
[0010](2)利用小波变换奇异性检测原理经过多层分解来对暂态电能质量扰动进行定位和检测。
[0011]而且，所述步骤(I)的具体方法步骤为:
[0012]①预先定义结构单元
[0013]基于数学形态学处理方法的结构元素填充探测，影响滤波性能的关键因素是结构元素形状的选取，结构元素的选择主要包括结构元素的形状，也就是结构元素的直线、矩形、椭圆、余弦、宽度以及高度，为了提高计算速度，选取直线型结构元素；
[0014]②对信号进行匹配，并对匹配后的数据进行修正
[0015]对不同的信号确定结构元素长度的选取，结构元素长度的选择范围:
[0016]L=fs/2/f1
[0017]式中，fs为采样频率，该长度的结构元素可以消除频率大于的信号及噪声，并且为了滤除脉冲噪声，直线型结构元素的宽度要大于采样信号中最大脉冲的宽度，
`[0018]③对信号进行去噪处理
[0019]数学形态学的运算以腐蚀和膨胀这两种基本运算为基础，并引出开、闭及开闭的级联组合，形态变换分为二值形态变换和多值形态变换，电力米样信号为一维信号，对于一维离散情况下的多值形态变换为:
[0020]设f (n)是采样得到的一维多值信号，g(x)为一维结构元素序列，A、B分别为f(n)和 g(x)的定义域，A={0，1,2,..., N-1}，B={0，1,2,..., M-1}，且有 M〈N，则离散信号 f(n)(n G A)关于g(x)的形态腐蚀和膨胀运算分别定义为:
[0021 ] (f 0 g) (n) =min [f (n+m) -g (m)]
[0022]((n+m) G A, m G B)
[0023](f ffi g) (n) =max [f (n-m) +g (m)]
[0024]((n-m) G A, m G B)
[0025]式中，0为腐蚀运算；?为膨胀运算；n=l，2，...，N。
[0026]先腐蚀后膨胀就构成了开运算，而先膨胀后腐蚀就构成了闭运算，开运算和闭运算分别定义为:
[0027](f O g) (n) = (f ? g ? g) (n)
[0028](f ? g) (n) = (f ? g ? g) (n)
[0029]这里我们构造一类广义开-闭和闭-开滤波器，定义为:
[0030]Goc (f (n) ) = (f O gj ? g2) (n)
[0031 ] Gco (f (n) ) = (f ? gj o g2) (n)
[0032]对于开-闭滤波器，先利用开运算滤除正脉冲噪声，同时增强了负脉冲噪声，再利用长度大于前级的结构元素进行闭运算，消除增强了的负脉冲噪声，而对于闭-开滤波器也是同样；
[0033]在电力信号检测时，先应确定最佳权系数，但为了提高计算速度，依据广义形态滤波中存在的统计偏移现象，广义开-闭滤波器的输出幅值小而广义闭-开滤波器的输出幅值大，可直接取:
【权利要求】
1.一种基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备，其特征在于:该设备包括机箱接线端子及依次连接的电压传感器、抗频谱混叠滤波器、数据采集板及工控机，被测信号经过机箱接线端子转变为模拟信号，首先经过电压传传感器和抗频谱混叠滤波器处理环节后，由数据采集板来进行数据采集，采集到的数据送到工控机，由工控机通过安装在其内的LabVIEff软件程序发送到网络通信、仪器控制及数据输出。
2.根据权利要求1所述的基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备，其特征在于:所述电压传感器采用的型号为WBV411D07，所述数据采集板采用的型号为NIPC1-6133。
3.一种基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备的方法，其特征在于包括步骤如下: (1)设计一种基于数学形态学的滤波器对信号进行去噪处理，利用预先定义的结构元对信号进行匹配或局部修正，对集中于物体形态中的各种形态分量进行分解、提取或者变形，从而达到提取信号、保持细节和抑制噪声的目的； (2)利用小波变换奇异性检测原理经过多层分解来对暂态电能质量扰动进行定位和检测。
4.根据权利要求3所述的基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备的方法，其特征在于:所述步骤(I)的具体方法步骤为: ①预先定义结构单元 基于数学形态学处理方法的结构元素填充探测，影响滤波性能的关键因素是结构元素形状的选取，结构元素的选择主要包括结构元素的形状，也就是结构元素的直线、矩形、椭圆、余弦、宽度以及高度，为了提高计算速度，选取直线型结构元素； ②对信号进行匹配，并对匹配后的数据进行修正 对不同的信号确定结构元素长度的选取，结构元素长度的选择范围:
L=fs/2/f1 式中，fs为采样频率，该长度的结构元素可以消除频率大于的信号及噪声，并且为了滤除脉冲噪声，直线型结构元素的宽度要大于采样信号中最大脉冲的宽度， ③对信号进行去噪处理 数学形态学的运算以腐蚀和膨胀这两种基本运算为基础，并引出开、闭及开闭的级联组合，形态变换分为二值形态变换和多值形态变换，电力采样信号为一维信号，对于一维离散情况下的多值形态变换为: 设f (n)是采样得到的一维多值信号，g(x)为一维结构元素序列，A、B分别为f (n)和g(x)的定义域，A={0，1，2，…，N-1}，8={0，1，2，...M-1}，且有狀化则离散信号€(11)(n G A)关于g(x)的形态腐蚀和膨胀运算分别定义为:
5.根据权利要求3所述的基于小波分析的风力发电低电压穿越检测设备的方法，其特征在于:所述步骤(I)的具体方法步骤为: ①确定小波变换基小波 设e (t)是一个起平滑作用的低通平滑函数，并且满足以下条件
【文档编号】G01R31/34GK103454537SQ201310421623
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月16日 优先权日:2013年9月16日
【发明者】刘云, 李晓辉, 李国栋, 王旭东, 刘亚丽, 胡晓辉 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司