开题报告-基于EMD分解的电力系统谐波分析方法研究.doc

中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院：计算机与控制工程学院专 业：电气工程及其自动化设计(论文)题目：基于EMD分解的电力系统谐波分析方法研究指导教师: 2015 年 4 月 2 日毕 业 论 文 开 题 报 告1选题依据：1.选题背景及依据 电能作为现代人们生活和工业生产的主要能源，它的发展程度关系着国家的发展。随着电力系统的发展，各式各样的电子装置如雨后春笋般的出现在电网中，如电力电子变频设备，整流器等。所使用非线性负载的增多会使得电网中出现各种各样的问题，导致电网中出现谐波、闪变、无功问题以及导致电流、电压产生严重畸变等1；由此而来的电能质量问题日益严重2，谐波问题已经成为污染电力系统的严重危害之一，而另一方面，随着电子技术和计算机的发展，越来越多的复杂的、精密的、对电能质量敏感的设备的出现和普及，人们对电能质量的要求日益提高，所以我们必须对电网中出现的各种问题进行治理，提高电能质量，以减少对各种设备的危害3-5。 在这些问题中，谐波是影响电能质量的一个重要因素，并且随着特高压技术的大力发展，电力系统谐波问题就变得愈加严重，特别是近几十年来，电力电子装置大量的使用，使得谐波造成的危害更加明显，各国也开始对谐波问题更加重视了。而“谐波”这一个概念最早出现在声学里，它指的是用一根弦以基波频率的倍数频率不断震动用来表示谐波6。由于电力系统的谐波由于受随机性、分布性、非平稳性等因素影响，使得对其进行准确的检测变得十分困难。 如今人们越来越关注谐波问题，许多国家组织开展了许多这方面的学术会议进行讨论，目的就是更加详细、更加透彻的了解谐波问题。为此，很多的研究人员和专家提出不同电压级别的谐波应有不同标准及限制额度。如何把谐波准确地检测出来，怎样才能把存在电网中的谐波问题解决成为人们现在研究的重点。目前，一些新的方法，例如来源于数学上的傅里叶变换以及很受关注的小波分析等策略的快速发展，使得人们对谐波的关注与探讨不断增多7 。国内很多的知名学术论坛及各种期刊、会议对谐波的研究与探讨也不断升温。例如谐波的产生机理，谐波的危害性，谐波的检测，分析与抑制等等。这些对保证电力系统高质量，高效率运行，确保电能质量稳定，有着非常重要的意义8,9。 谐波在电力系统中产生的因素主要有：负载端的各种变流设备、各种非线性不对称负载、一些有着饱和特点的用电装置以及远距离输送电能时线路会发生放电现象以及电力网络的不对称等10,11。2.国内外文献及发展 在电学里，国际大电网会议以及国际用电标准的文献里是这样定义谐波的：“谐波分量指的是它周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量”。IEEE在它设计的标准标准里把谐波看作是一个周期的波动中的一部分正弦波的小分量，它将各频率和基波相比，是基波的整数倍。上世纪，一位国外的研究人员第一次在变流器使输出波形发生很大畸变的基础上，指出了关于谐波的一些问题。当今对于谐波问题国内外广泛引用的一篇文章是The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics，它是德国学者Read JC于1945年发表的。后来随着特高压技术的大力发展，电力系统谐波问题就变得愈加严重，这时候出现了较多的有关谐波方面的著作12,13。特别是近几十年来，电力电子装置的大量使用，谐波造成的危害更加明显，各国也开始对谐波的问题变得更加重视了。在上世纪80、90年代之间，我国政府有关部门经过仔细研究与探讨，最后印发了电力系统谐波暂行规定及电能质量公用电网谐波标准等文件14。此类出版物明确指出了电力系统中谐波要限定在什么值以及如何测量谐波，而且还对电网里存在的与谐波有联系的各种名词做了相关解释。 早在上世纪20、30年代，德国的学者就对电网存在的谐波进行过研究分析。上世纪50年代以来，随着超高压直流运送电能技术的不断前进，谐波越来越受到人们关注。上世纪70年代，EWKimbark在有关谐波问题的发展领域作了详细的概括。随后几十年，由于电力电子方面的各种成果迅速崛起，电网里非线性负荷日益增多，这大大促使了人们对谐波问题的高度重视。1982年，国际电工委员会提出了谐波的要求标准IEC55，得到了很多国家的关注和认可。新西兰的知名学者JArrilaga等人于1985年，编写了世界上首本关于谐波治理方面的书籍PowerSystem Harmonics，里面系统介绍了有关谐波研究的大量内容。IEEE自1984年开始，每年都要举行国际谐波会议(ICHPS)，可见谐波危害的严重性和人们对此的重视15,16。 我国在谐波方面的关注和研究是很晚的，落后于别的国家很多，但我国也是非常重视的。1982年，石太铁路发生一些故障，由于不明原因导致了很多电力电容器毁坏等现象，为此我国在石家庄市举行了首次关于谐波的学术会议。因为谐波问题的不断加剧，我国对电工学里面一些最原始的原理概念，包括无功功率、功率因数等需要重新用新的方式进行定义。同时为了引起人们对电力系统谐波问题以及管理运作的足够重视，我国不断进行着有关完善谐波问题的工作17 。例如，1984年我国原水利电力部根据国家经济委员会批准的“供用电准则”制定和颁布了电力系统谐波管理暂行规定(SDl261984)。1988年，出现了我国首本有关谐波的书籍电力系统谐波，随后很多研究机构的研究者们发表了大量的有关谐波方面的论文，进一步推动了谐波问题的研究和发展。在1993年，我国颁布了电能质量公用电网谐波，并在1994年3月1日起开始实施，进一步使谐波问题规范化。2002年，第一届电能质量技术发展国际会议在我国上海成功举行。会上对我国治理电网方面提出了很多宝贵的建议和意见。3.意义 人们广泛地研究谐波，主要是由于谐波具有很大的危害18。它会使电力的发电、输送过程损耗增多以及效率减小，也会令各种装置发热、出现震动及响声，也能令绝缘快速老化，降低服役年限，还会突然使系统不能工作甚至毁坏。谐波的存在有时候还会产生一种谐振的现象，这里的谐振指的是串、并联谐振，放大谐波倍数，加大危害系数，最终会使得电力电容器等设备烧毁19。谐波有时还导致继电保护及自动化装置出现错误动作，电能表不能正常准确地计量。电网里的各种谐波还对人们赖以生存的通讯系统以及其它电子装置造成威胁。 如今，电网里面的谐波源到处都是，点多面广，配电系统里的谐波电流既有来自外部的各种用电器，也有电力系统本身负荷带来的，这些必须加以不同方式对待，否则的话，会给谐波治理带来不必要麻烦。 本课题的EMD分解的电力系统谐波分析方法研究，能够很好的分解电力系统谐波，对其进行分析，对谐波造成的影响有很好的了解，从而对其进行防治与管理。4.参考文献1 吕润如；电力系统高次谐波M；北京；中国电力出版社，19982 肖湘宁；电能质量分析与控制M；北京；中国电力出版社，20043 张方彦；谐波小波在电力系统（间）谐波检测中的应用研究D；东北电力大学；2008 4 胡小林；Hilbert-Huang变换的改进及其在机械故障特征提取中的应用D；重庆大学；20105 曹健，林涛，刘林，张蔓，崔一铂；基于最小二乘法和复连续小波变换的电力系统间谐波测量方法J；电网技术；2009 6 赵凯；电力系统间谐波分析与检测方法研究D；北京；华北电力大学；20067王建赜；基于小波变换的时变谐波检测J；电力系统自动化；19988 徐丙垠，李天友，金文龙；电能质量问题及其管理J；电力自动化设备；20039 Harish Padiyar，U David，S Mahant Shetti；A system level solution for powerquality problems In Power India ConferenceJ；New Delhi；India；200910 蒋剑波，刘贤兴，王德明；FFT和小波变换在电力系统谐波测量中的应用J；高电压技术；200511 宁薇薇，裴源，刘立彦，曾喆昭；基于傅立叶基函数神经网络算法的电力系统间谐波分析方法J；电力系统保护与控制；200812 田慕琴；基于模型的异步电动机早期故障智能诊断D；太原理工大学；2006 13 胡爱军；Hilbert-Huang变换在旋转机械振动信号分析中的应用研究D；华北电力大学；2008 14 周文晖,李青,周兆经；采用小波多分辨率信号分解的电能质量检测J；电工技术学报；200115 Liao H W，Diebur D；Load profile estimation in electric transmission networks using independent component analysisJ；IEEE Transactions on Power System；200316 Gursoy E，Niebur D；Harmonic load identification using complex independent component analysisJ；IEEE Transactions on PowerDelivery；200917 程浩忠，艾芊，张志刚，朱子述；电能质量M；北京；清华大学出版社；200618 Arrillaga J，Watson N R；电力系统谐波M；林海雪，范明天，薛蕙译；2版；北京：中国电力出版社；200819 赵凯；电力系统间谐波分析与检测方法的研究D；华北电力大学；2007 毕 业 论 文 开 题 报 告设计方案： 1研究的思路与方法 对电力系统谐波进行分析，充分了解电力系统谐波产生的原因、危害及抑制方法。然后对EMD分解和快速傅里叶变换实现对谐波信号的时频分析进行比较。 目前，电力系统间谐波的测量方法主要分为几类，如：基于DFT/FFT算法的测量方法，但是DFT方法有两个根本缺陷：频率分辨率受限制，对某些间谐波无能为力；频谱泄露问题。在间谐波存在的场合，同步采样难以实现，在非同步采样情况下频谱泄露会导致谐波分析结果失效。因此，本课题将一种分析非线性、非平稳信号的新方法经验经验模态分解法(EmpiricalModeDecomposition,EMD)用于检测电力系统间谐波。该方法具有良好的局部适应性，加上瞬时频率的引入，可以从时频两方面同时对信号进行分析，增加了处理信号的灵活性和有效性。 经验经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition,EMD)理论认为任何复杂的时间信号都是由一些相互不同的、简单的、并非正弦函数的固有模态函数组成。基于此，可从复杂的时间信号直接分离成从高频到低频的若干阶固有模态函数。2. 研究的基本内容在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。 为了更好地进行研究，首先分析谐波的有关数学表达式。通常，电力系统正常稳定工作时，它输出的电压是正弦波，也就是：其中：U一电压有效值；一初相角；，f，T一工频角频率、频率、周期； 如果所研究的电压、电流不是正弦波，则它们的瞬时值，能利用三角级数进行展开：其中：n为谐波次数，n=l，2，3 可得电流有效值为： 同理电压有效值为： 一般用谐波电压含量，电压总畸变率HDu，HD以及n次谐波含有率等量来表示波形的畸变程度。谐波电压含有量可表示成： 对于待测的波形与正弦标准波的不一样时，通常使用谐波畸变率THD进行衡量。这里谐波电压畸变率是： 人们常用一些次谐波的有效值和在它的基波有效值里所占的比例来衡量该谐波分量的多少，例如第n次的谐波电压含有率是： 在掌握电力系统谐波污染产生原因和危害的基础上，将希尔伯特-黄变换引入电力系统的谐波分析中，利用经验模态分解（EMD）获得被分解谐波信号的本征模态函数组，仿真研究其时频特性，并和通过快速傅里叶变换得到的分析结果进行比对，总结该方法的应用优势。 EMD方法假设任何信号都由不同的本征模态函数(IMF)组成，每个IMF可以是线性的，也可以是非线性的，IMF分量必须满足下面两个条件：一是其极值点个数和过零点数相同或最多相差一个，二是其上下包络关于时间轴局部对称。这样任何一个信号就可以分解为有限个IMF之和。 EMD分解过程基于以下假设：(1)信号最少有一个极大值和一个极小值；(2)时域特性由极值间隔决定；(3)如果数据序列完全缺乏极值但是仅包含拐点，那么它也可通过求导一次或多次来表示极值点，而最终结果可以由这些成分求积分来获得。具体方法是由一个“筛选”过程完成的： (1)首先找出信号s(t)所有的极大值点并将其用三次样条函数拟合成原数据序列上的包络线，再找出所有的极小值点并将其用三次样条函数拟合成原数据。 (2)计算上下包络线的均值，记为m1(t)，把原数据序列s(t)减去该均值即可得到一个去掉低频的新数据序列h1: (3)因为h1(t)一般仍不是一个IMF分量序列，为此需要对它重复进行上述处理过程。