Análisis wavelet aplicado a la medida de armónicos, interarmónicos y subarmónicos en redes de distribución de energía eléctrica

Abstract

El análisis de Fourier es el método fundamental para la medida de armónicos e interarmónicos en señales eléctricas y es el principio de análisis que establece la International Electrotechnical Commission para los instrumentos de medida. Con el objetivo de superar las limitaciones que lo hacen poco efectivo en determinadas condiciones se han propuesto otras técnicas de análisis como las wavelets. En esta tesis doctoral se explora esta alternativa en el campo de la calidad del suministro de energía eléctrica.<br/>Como aportación principal se presenta un nuevo método de medida de armónicos e interarmónicos basado en la Transformada Wavelet Packet compatible con el estándar de medida IEC 61000-4-7 de 2002. El método propuesto utiliza un árbol de descomposición wavelet, que en sus distintos niveles suministra la medida de armónicos e interarmónicos de la señal, así como su contenido subarmónico e información de sus variaciones en el dominio temporal.<br/>Se exponen las características principales del método en cuanto a la elección de la función wavelet madre, el banco de filtros que implementa el árbol de descomposición wavelet y el postprocesado que posibilita la compatibilidad con el estándar de medida. Se analizan las prestaciones del método en la medida de armónicos e interarmónicos, tanto en condiciones estacionarias como en el caso de pérdida de sincronía por variación de la frecuencia fundamental o variación de la ventana de muestreo de la señal, presencia de componentes no síncronas con la frecuencia de la red o presencia de componentes de amplitud variable. Por último, se expone la información que aporta el método para la estimación temporal de las componentes frecuenciales medidas.<br/>El método desarrollado junto con el método de IEC, se ha implementado sobre un equipo electrónico para adquisición y procesado de señal utilizando técnicas de instrumentación virtual. Se expone la estructura y características del hardware utilizado y del software desarrollado así como los resultados obtenidos en la medida del espectro frecuencial de señales de diferente naturaleza.<br/>Por último se resumen las conclusiones obtenidas y se proponen futuras líneas de investigación motivadas por la realización de esta tesis doctoral.

Fourier analysis is the fundamental method for the measurement of harmonics and interharmonics in electrical power systems and is the method proposed by the International Electrotechnical Commission (IEC) for standard measurement instruments. With the objective of overcoming the limitations in certain conditions, other techniques of analysis such as wavelets have been proposed. This doctoral thesis investigates alternatives in the field of the quality of the provision of electrical energy. <br/><br/>The main contribution of this thesis is the proposal of a new method of measurement of harmonics and interharmonics based on the Wavelet Packet Transform compatible with the standard IEC 61000-4-7 of 2002. The method proposed simultaneously uses different levels of the same wavelet decomposition tree for the measurement of harmonic, interharmonic and subharmonic components in the input signal as well as their time evolution.<br/><br/>The basic characteristics of the method in terms of the choice of the mother wavelet function, the bank of filters that implements the wavelet decomposition tree and the postprocessing to make the method compatible with the measurement standard are explained. The benefits of the method in the measurement of harmonics and interharmonics are analyzed, both in stationary conditions and in the case of loss of synchrony due to variation of the base frequency or variation of the sampling window of the signal, presence of nonsynchronous components with the frequency of the network or presence of components of variable amplitude. Finally, the information that the method provides about the temporal estimation of the measured frequencial components is described.<br/>The method developed and the IEC method have been implemented on a virtual instrument. The hardware used and the software developed are explained studying the performance of the instrument under different measurement conditions.<br/>Finally the conclusions obtained are summarized and future lines of investigation motivated by this doctoral thesis are proposed.