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[摘要]：随着电力工业的快速发展与不断创新，电能质量扰动问题引发的事故越来越多，像计算机工作不正常或系统紊乱、电子设备的误动作或损坏等，甚至可能造成重大人身伤亡和经济财产的损失。而在这一问题中，电压暂降所引发的后果位居榜首，严重的电压暂降将导致用电设备的停止或引起产品质量下降，因此电压暂降也日渐引起企业相关技术人员及学者的关注。便针对电压暂降信号的特征——幅值、持续时间和相位跳变，采用S变换方法进行仿真，检测并分析其幅值、频率等量之间的关系。仿真结果显示，该方法可以准确定位扰动发生的时刻，确定其持续时间。
[关键词]：电压暂降 电能质量扰动 S变换 检测 分析
1引言
随着电子系统的进一步发展，电力电子设备应用面的拓宽，各式各样的负载（尤其是带有非线性、不稳定性性质的负载）也层出不穷，由此带来的电能质量的污染问题愈加严重。生活质量的提高与方便快捷的信息科技产品的不断更新则是对电能质量的又一严峻挑战。为高效地进行电能质量治理，降低甚至消除其造成的恶劣后果与损失，就必须对其进行准确地检测与分析。
近年来，关于电能质量扰动（Power Quality Disturbances，PQD）问题的研究不计其数，其中有不少取得了很大的成就，直到目前依然是研究熱点。本文是以电压暂降（Voltage sag）为例进行分析，因为在所有的电能质量扰动信号类型中，电压暂降是一个重要方面，据可靠数据显示，电压暂降所引起的问题占电能质量问题的80%左右。电子设备尤其是工业设备对电压暂降特别敏感，设备内任何一个元件都可能会因为电源不稳定而出现问题，从而造成整个生产流程停止运行。因此，电压暂降问题已经引起了国内外相关技术人员和学者的关注。不过，电压暂降并不是近期才出现的问题，而是因为以前的大多数设备对短时间的电压突变并不敏感，所以一直没有引起人们太多的关注。但随着计算机等精密仪器的普及，这些问题才逐渐暴漏在人们的视线中引起重视。
为了解决这个难题，国内外学者进行了广泛而深入的研究，提出了许多方法。传统的信号理论是建立在傅里叶分析基础上的，但是傅里叶变换（Fourier transform）是一种全局性的变化，有一定的局限性。于是小波变换（wavelet transform）便在傅里叶变换的基础上改进产生了，它能够提供一个随频率改变的"时间-频率"窗口，与傅里叶变换相比，小波变换是空间（时间）和频率的局部变换，因而能有效地从信号中提取信息，但小波变换不能提取任意频次的信号，而且小波系数受噪声影响较大。目前研究电能质量扰动问题应用最多的方法是基于连续小波变换（CWT）和短时傅里叶变换（STFT）结合发展起来的S变换，它集合了两者的优点，时频特性优良，引入了宽度与频率成反向变化的高斯窗，具有与频率相关的分辨率，因此被应用于诸多领域，特别是适合用于进行电能质量扰动信号特征提取。本文便采用S变换方法进行仿真，提取并分析信号的特征。
2 S变换基本原理
S变换作为时频分析的工具，如其他时频分析工具一样，通过S变换，我们可以同时从时域和频域观察一个信号的能量分布。S变换的特别之处在于它既与傅里叶变换有直接关系，又可在不同频率上有不同的分辨率。
公式定义：
S变换相较于其它方法，虽在清晰度方面有较好的改善，但也有其缺点，就是运算复杂度变高，积分的范围会随着f的增加而增加。因此，这里利用上面推导的频谱表示式来推导离散时间S变换。
3 利用S变换提取PQD扰动特征
根据电气与电子工程师协会（Institute ofand Electronics Engineers，IEEE）的定义，电压暂降，又称电压凹陷或电压跌落，是指在工频条件下电压的有效值减少到额定电压的0.1-0.9倍的现象，其持续时间为0.5周波到1min。它是配电系统中常见的一种电压扰动，通常由电机启动或者远端发生故障所引起，会导致一些敏感性负载误动作或损坏，从而带来一系列的损失。
3.1电能质量扰动信号类型及数学模型3.2 电压暂降信号仿真分析
通过MATLAB产生上述电压暂降信号，采样频率为4.0KHz，电压频率取50Hz，取12个周波波形数据，信噪比（SNR）从40dB到20dB变化。图（a）显示了SNR为20dB白噪声条件下的信号波形，图（b）--图（d）为 S变换结果。
从变换结果可以看出，s变换清晰地表示出了扰动的特征，分析如下：
图（b）中与额定频率垂直的截面可以清晰表明S变换系数沿着采样时间轴方向先下降后回升，这就表明了电压突降的特征，而且还可以通过系数变化发生的时刻和范围求出扰动的发生时刻和持续时间。在采样点约为350时，幅值下降，在采样点约为750时，幅值回升，幅值下降了约50%。图（c）为随时间变化的信号幅值包络线，图中相同颜色的线表示相同频率的幅值成分的分布，也就是说，该图在反映信号幅值分布的同时，也反映了信号不同幅值成分的频率分布情况。频谱图（d）描述了信号的频率结构及频率与该频率信号幅度的关系，由图可以观察出该信号的主要构成频率分布在20-100Hz，基波频率大致为50Hz，可知该变换结果可以准确反映信号构成。
4结论
通过分析国内外对电能质量扰动问题的研究现状，提出了消除电压暂降带来的消极影响的重要性与必要性。通过分析比较傅里叶变换，小波变换和S变换的优缺点，本文采用了S变换对电压暂降类电能质量扰动进行检测、定位，通过分析S变换结果的三维网络图、幅值包络线、频域图确定其特征，从而可以更好的解决问题。结果表明该方法是有效的，能准确地定位扰动发生的时刻与持续时间等特征量。
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