（电力系统及其自动化专业论文）基于小波变换的电能质量扰动检测分析.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c ed e t e c t i o na n d a n a l y s i sb a s e do nw a v e l e tt r a n s f o r m c a n d i d a t e ：s u nj i a x i u s t u d e n tn | u m b e r ：0 7 2 0 0 80 0 26 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o l o fe l e c t r o n i c sa n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：e n g i n e e r i n g m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：z h a n gm i n g r u i m a r c h ，2 0 1 0 学吖大哪t i - n胁姗冈鼢 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 嗣佳两 切f 0 年多月f 罗日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：划臣两 冲年弓月7 日 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电力系统中各种敏感设备的快速增加，用户对电能质量的要求越来越 高，电能质量问题己成为电力用户普遍关注的问题。 为了采取有效措施改善电能质量，必须建立电能质量扰动检测分析系统，对 其进行快速精确的检测分析。本文在分析对比快速傅里叶变换及小波变换的基础 上，针对基于小波变换的电能质量扰动检测分析方法进行了研究。主要研究内容 为： ( 1 ) 对最佳小波基函数的选取问题进行了研究。根据小波基函数的一般选 取规则及有关文献的结论，经过大量的仿真验证，确定了适合进行电能质量分析 的小波基函数。 ( 2 ) 对几种主要电能质量扰动信号进行了检测分析研究：采用小波及小波 包变换分别对谐波及间谐波信号进行检测分析，并对分析效果进行对比研究，得 出小波变换更适于分析非稳态信号的结论；制定了小波变换调幅波提取方案，仿 真实例论证了采用小波变换可以有效检测多频率及时变调幅波，有效克服传统方 法的局限性；根据小波变换突变点检测原理，制定了暂态扰动信号检测分析方案， 仿真实例论证了采用小波变换可以精确定位扰动并提取扰动波形，表明了其在暂 态电能质量扰动检测分析领域良好的应用前景。 ( 3 ) 对暂态电能质量扰动信号的噪声抑制问题进行了研究。在分析对比传 统降噪方法的基础上，选用小波阈值法对多种含噪的电能质量扰动信号进行了降 噪处理研究，找到了理想的降噪方法：b i r g e m a s s a r t 策略阈值选择方法。 ( 4 ) 提出小波变换和快速傅里叶变换两种方法相结合的电能质量扰动分类 方法。该方法的主要思想是：利用小波变换进行突变点检测定位和扰动信号提取， 以是否有模极大值来区分暂态和稳态扰动；利用快速傅罩叶变换进行频谱分析， 以扰动信号频谱的不同特点，对暂态和稳态扰动信号分别进行进一步分类。仿真 实例验证了该方法的有效性和准确性。 关键词：电能质量扰动，小波变换，突变点检测，信号降噪，扰动分类 t o n g i iu n i v e r s i t ym a s t e ra b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i di n c r e a s i n go fa l lk i n d so fs e n s i t i v ed e v i c e si np o w e rs y s t e m ， c o n s u m e r sh a v ea ni n c r e a s i n gd e m a n df o rp o w e r q u a l i t y ( p q ) ，a n dp qp r o b l e m sh a v e a l r e a d ya t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n sn o w a d a y s 。 e s t a b l i s hs y s t e m st od e t e c ta n da n a l y z ep qd i s t u r b a n c eq u i c k l ya n da c c u r a t e l yi s a ne s s e n t i a lp r e r e q u i s i t et ot a k ee f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v ei t t h i sp a p e ru s e s w a v e l e tt r a n s f o r m ( w t ) t oc a r r yo u tp qd i s t u r b a n c ed e t e c t i o na n da n a l y s i sa f t e r c o m p a r e df a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) a n dw tt h e s et w os i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s r e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t sa r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： ( 1 ) s t u d i e dh o wt oc h o s et h eb e s tw a v e l e tf u n c t i o n s o nt h eb a s i so fg e n e r a lr u l e t os e l e c tw a v e l e tf u n c t i o n sa n ds o m ed o c u m e n t s c o n c l u s i o n ，t h i sp 印e rh a v es e l e c t e d w a v e l e tf u n c t i o n ss u i t a b l et o a n a l y z ep qd i s t u r b a n c e s a f t e rm a d en u m e r o u s s i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o n s ( 2 ) m a d ea n a l y s i so nm a n yi m p o r t a n tp qd i s t u r b a n c e s ：u t i l i z e 、胛a n dw a v e l e t p a c k e tt r a n s f o r r n ( w p t ) t oa n a l y z es i g n a l sc o n s i s to fh a r m o n i c sa n di n t e r h a m o n i c s r e s p e c t i v e l y , a n dw t h a sb e e np r o v e dt ob em o r es u i t a b l et oa n a l y z et r a n s i e n ts i g n a l s ； m a d em o d u l a t e dw a v ee x t r a c t i o np r o c e d u r e ，s i m u l a t i o na n a l y s i si n d i c a t et h a tu t i l i z e w tc a no v e r c o m et r a d i t i o n a lm e t h o d s d e f e c t s a n dd e t e c tm u l t i f r e q u e n c ya n d t r a n s i e n tm o d u l a t e dw a v ee f f e c t i v e l y ；m a d et r a n s i e n t p qd i s t u r b a n c ed e t e c t i o n p r o c e d u r eb a s e do nw t b r e a kp o i n t sd e t e c t i o np r i n c i p l e ，s i m u l a t i o na n a l y s i si n d i c a t e m a tu s ew tc a na c c u r a t e l yl o c a t eb r e a kp o i n t sa n de x t r a c td i s t u r b a n c ew a v e f o r m s a n dw th a sg r e a ta p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt r a n s i e n tp qd i s t u r b a n c ed e t e c t i o na n d a n a l y s i sf i e l d ( 3 ) s t u d i e dd e n o i s i n gp r o b l e m w a v e l e tt h r e s h o l dm e t h o dh a sb e e nc h o s e nt o c a l t yo u td e n o i s i n gf o rt r a n s i e n tp qd i s t u r b a n c es i g n a l sa f t e rc o m p a r e dt r a d i t i o n a l m e t h o d s b i r g e m a s s a r ts t r a t e g ym e t h o dh a sb e e np r o v e dt ob ea ni d e a lm e t h o d ( 4 ) ac o m p o s i t i v ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o du s i n gb o t h 吓a n df f th a sb e e n p r o p o s e d t h em a i nt h e o r yi s ：u t i l i z e sw tt o d e t e c tb r e a kp o i n t sa n de x t r a c t d i s t u r b a n c ew a v e f o r m s ，a n da c c o r d i n gt ow h e t h e rm a x i ，m u mm o d u l u sh a sa p p e a r e dt o d i s t i n g u i s ht r a n s i e n tf r o ms t e a d ys t a t ed i s t u r b a n c e s ；u t i l i z e sf f tt om a k ef r e q u e n c y s p e c t r u ma n a l y s i s ，a n da c c o r d i n gt od i f f e r e n ts p e c t r u mc h a r a c t e r i s t i c st oc a r r yo u t f u r t h e rc l a s s i f i c a t i o nf o rt r a n s i e n ta n d s t e a d ys t a t ed i s t u r b a n c e sr e s p e c t i v e l y s i m u l a t i o na n a l y s i sv e r i f i e st h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c y k e yw o r d s ：p qd i s t u r b a n c e , w t ，b r e a kp o i n t sd e t e c t i o n ，s i g n a l d e - n o i s i n g , d i s t u r b a n c ec l a s s i f i c a t i o n i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章引言1 1 1 选题背景及研究意义1 1 2 电能质量的定义与分类2 1 2 1 电能质量的定义2 1 2 2 电能质量扰动的分类2 1 3 电能质量扰动检测分析5 1 3 1 电能质量扰动主要研究内容5 1 3 2 电能质量扰动主要检测分析方法5 1 4 电能质量的国内外研究现状7 1 4 1 国外研究现状7 1 4 2 国内研究现状8 1 5 本文所做工作9 第2 章小波变换基本理论1 1 ”一 2 1 傅里叶变换及其局限性1 1 2 2 小波变换理论基础1 3 2 2 1 连续小波变换1 3 2 2 2 离散小波变换1 4 2 2 3 二进小波变换1 4 2 2 4 多分辨率分析1 5 嚣 2 2 5 小波变换突变点检测原理1 6 2 3 小波包变换1 7 2 4 频带划分原则及小波基函数的选取1 9 2 4 1 频带划分原则1 9 2 4 2 小波基函数的选取1 9 第3 章小波变换在谐波和间谐波检测分析中的应用2 3 3 1 稳态谐波与问谐波检测分析2 3 3 1 1 稳态模型的小波多分辨率分析2 3 3 1 2 稳态模型的小波包变换检测分析2 6 3 2 非稳态谐波与间谐波检测分析2 8 3 2 1 非稳态模型的小波多分辨率分析2 8 3 2 2 非稳态模型的小波包变换检测分析3 0 3 3 小结3 2 第4 章小波变换在电压波动与闪变检测分析中的应用3 3 4 1 电压波动与闪变的相关概念3 3 i i i 同济大学硕士学位论文目录 4 1 1 电压波动3 3 4 1 2 电压闪变3 4 4 2 电压波动与闪变的主要检测分析方法3 5 4 2 1 调幅波检测原理3 5 4 2 2 常用检测分析方法简介3 5 4 2 3 小波变换法调幅波检测原理3 6 4 3 基于小波变换的调幅波提取实例分析3 7 4 3 1 单频率调幅波提取3 7 4 3 2 多频率调幅波提取3 9 4 3 3 含高次谐波的电压波动信号调幅波提取4 l 4 3 4 时变电压波动信号调幅波提取4 3 4 4 本章小结4 5 第5 章小波变换在暂态电能质量扰动检测分析中的应用4 6 5 1 主要暂态电能质量扰动简介4 6 5 1 1 短时电压扰动4 6 5 1 2 电磁暂念4 7 5 1 3 暂态频率偏差4 7 5 2 暂态电能质量扰动检测分析步骤4 8 5 3 暂态电能质量扰动检测分析实例4 8 5 3 1 短时电压扰动信号的检测分析4 8 5 3 2 电磁暂态信号的检测分析5 3 5 3 3 暂态频率偏差的检测分析5 6 5 4 暂态电能质量扰动信号的降噪处理5 7 5 4 1 降噪原理及主要方法对比研究5 7 5 4 2 小波阈值主要选取方法5 8 5 4 3 短时电压扰动及暂态电压频率波动信号的降噪处理5 9 5 4 4 电磁暂态信号的降噪处理6 2 5 5 本章小结6 4 第6 章电能质量扰动分类6 5 6 1 电能质量扰动主要分类方法优缺点分析6 5 6 2 电能质量扰动分类步骤6 6 6 2 1 降噪预处理6 6 6 2 2 基于小波变换的扰动信号初步分类6 6 6 2 3 基于f f t 的扰动信号进一步分类6 6 6 2 4 短时电压扰动信号具体分类6 9 6 3 电能质量扰动分类总流程6 9 6 4 复杂电能质量扰动分类验证7 0 6 5 本章小结7 1 同济大学硕士学位论文目录 第7 章总结与展望7 2 7 1 总结7 2 7 2 展望7 3 致谢7 4 参考文献7 5 个人简历、在读期间发表的学术论文与研究成果7 8 v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 选题背景及研究意义 电能是现代社会中使用最为广泛的能源，其应用程度是一个国家发展水平和 综合国力的主要标志之一。数字化时代的到来，使电能质量问题越来越突出：一 方面由于个人计算机、变频器、炼钢电弧炉、电气化铁路、电力电子装置等具有 非线性、冲击性和不平衡性等用电特性的负荷大量投入电力系统，使电网中的电 压、电流波形发生畸变( 谐波) 、引起电压波动和闪变、三相不平衡以及系统频 率波动等，造成电能质量问题的严重恶化；另一方面，由于存在众多基于计算机、 微处理器、电力电子装置控制或管理的现代化工业与民用用电设备，这些更容易 受到电力系统扰动影响的精细过程控制，对电能质量提出了更严格的要求。例如， 短时电压中断或电压暂降会引起计算机系统死机或数据丢失；程序逻辑控制器 p l c 误动，造成工业生产过程局部或全部停产；调速装置a s d 失灵，导致产品 报废；接触器与铺助继电器跳开；不可预计的低电压跳闸等，由此受电能质量影 响所造成的经济和社会损失问题日益突出【】。 随着对电网电能质量要求的不断提高，深入了解和认识电能质量，高度重视 电能质量下降对供电系统运行的危害和影响，深入研究影响电能质量的各种因 素，及时发现引起电能质量下降的各种问题，并对这些电能质量问题进行有效的 分析，对最终解决电能质量问题具有及其重要的现实意义。而对电能质量扰动进 行准确的检测和分析是有效改善和提高电能质量的必要前提，只有快速、准确的 检测出电力系统中的电能质量问题，并对它进行有效的分析，确定问题的类型和 范围，才能对其进行有效的控制和治理。 对于稳态电能质量扰动的检测问题，国内外算法已较为成熟，而对突变的、 非平稳电能质量扰动的检测分析已成为当前研究的重点及难点。长期以来，傅立 叶变换在信号分析领域占据主导地位，但它只适于分析平稳信号，而无法充分描 述时变非平稳信号的特征，无法反映信号在局部时间范围内和局部频带上的谱信 息。短时傅立叶变换法虽然可以用窗口函数反映信号在局部时间范围内和局部频 带上的谱信息，但其窗口形状固定，对非平稳信号的分析能力有限。小波变换作 为傅立叶变换思想的发展和延拓，很好的克服了传统变换的不足【4 5 】，其窗1 3 大 小固定不变，但时间窗和频率窗都可以改变，可以对不同的频率成分采用逐渐精 细的采样步长，聚焦到信号的任意细节，很好地处理微弱或突变信号，很适合探 测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其变化趋势，因此比较适合分析时变非 同济大学硕士学位论文基于小波变换的电能质量扰动检测分析 平稳信号，在电能质量扰动检测分析领域表现出良好的应用前景。 1 2 电能质量的定义与分类 1 2 1 电能质量的定义 一个理想的电力系统应该以恒定的频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 、标准的正弦波形 及标准电压对用户供电。在三相交流系统中，还要求各相电压和电流的幅值应大 小相等且相位对称互差1 2 0 0 。但在实际情况下，由于电能在输送到用户的过程中 受到各种因素的影响，这种理想状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备 工作和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。而电力部门、电力用户和设备制 造商对于“优质”有着不同的理解。电力部门可能把电能质量简化为电压和频率 的合格率，并且用统计数字来说明电力系统9 9 9 或更高是符合质量要求的；电 力用户则可能把电能质量笼统的看作是否向负荷正常供电；设备制造厂家则认为 合格的电能质量就是指电源特性应当完全满足电气设备的正常工作需要，实际 上，不同厂家和不同设备对电源特性的要求可能相差甚远。由于以上观念的分歧， 至今，国内外对于电能质量的确切定义尚未形成统一共识【2 ，6 7 j 。 i e e e 标准化协调委员会采用p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 这一术语，给出的 相应技术定义为：合格电能质量的概念是指给敏感设备提供电力和设备的接地系 统均是适合该设备正常工作的【6 】。 i e c ( 1 0 0 0 2 2 4 ) 标准将电能质量定义为：供电装置正常工作情况下不中断 和干扰用户使用电力的物理特性。根据这一定义，现代电能质量除了保证额定电 压和额定频率下的正弦波外，还包括频率偏差、电压偏差、电压波动和闪变、三 相不平衡、波形畸变、所有电压瞬变现象( 包括冲击脉冲、电压下跌以及瞬时间 断等) 以及供电连续性等。这个定义概括了电能质量问题的成因和后果，还包括 了供电可靠性问题【2 , q 。 电能质量问题的研究是由电力用户的生产需求驱动的，用户的衡量标准应占 有主导地位。基于同样的看法和认识，大多数专家认为电能质量的定义应理解为： 导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或 误动作的任何电力问题都是电能质量问题【6 。 1 2 2 电能质量扰动的分类 按照电能质量扰动的时间特性来分，电力系统中各种扰动引起的电能质量问 题主要可分为稳态和暂态两大类。稳态电能质量扰动主要包括频率偏差、电压偏 2 第1 章引言 差、三相不平衡、电压波动与闪变以及其他以波形畸变为特征的谐波、间谐波、 陷波以及噪声等；暂态电能扰动可分为短时电压变动和电磁暂态两大类。其中短 时电压变动是指由于系统中发生故障或较大负载变换引起节点电压均方根值在 短时间内随时间改变的现象，包括暂态过电压、电压骤降、电压骤升以及供电瞬 时中断；电磁暂态包括脉冲暂态和振荡暂态【2 j 。 i e e e 根据电压扰动频谱特征、持续时间、幅值变化等对供电系统典型的电 磁干扰现象进行了特征分类，为准确区分电压暂态现象提供了依据，电能质量分 类如表1 1 所示【2 6 j 。表1 2 对几种主要电能质量扰动的性质、特征指标、产生原 因、危害及解决方法进行了详细的归纳总结【2 , 6 , 8 1 ，为有效治理电能质量扰动提供 了依据。 表1 1i e e e 关于电磁现象和电能质量的分类 种类 典型频谱成分典型持续时间典型电压幅值 纳秒级上升沿5 n s 1 聊s 瞬 低频 5 ：正弦0 3 5 m s o 4 ( p u ) 振 态 中频 5 5 0 0 七眈 2 0 a s0 8 0 u ) 荡 高频0 5 5 慨 5 i t s0 4 q u ) 中断0 5 - - 3 0 周波 0 1 q u ) 瞬 跌落0 5 - - 3 0 周波 0 1 0 9 ( p u ) 时 短 升高0 5 - - 一3 0 周波 1 1 1 8 ( p u ) 时 中断3 0 周波3 s l m i n 0 8 0 9 ( p u ) 过电压 l m i n 1 1 1 2 ( p u ) 3 同济大学硕士学位论文基于小波变换的电能质量扰动检测分析 续表 种类典型频谱成分 典犁持续时间典型电压幅值 电压不平衡稳态 0 5 2 直流偏移稳态 0 o 1 波 谐波o 1 0 0 次稳态 0 2 0 形 问谐波 0 6 k h z 稳态 0 2 畸 陷波 稳态 变 噪声 宽带 稳态0 l 电压波动 2 5 h z问歇 o 1 7 工频变化 l o s 表1 2 主要电能质量扰动产生的原因、危害及解决方法 类型性质特征指标产生原因 危害 解决方法 谐波稳态谐波频谱，信号非线性负载，设备过热，继电保护有源、无源 波形 固态开关负载误动作，设备绝缘破滤波 坏 三相不稳态不平衡度，负序二相不平衡负设备过热，继电保护静止无功补 平衡有效值，零序有 荷 误动，通信干扰 偿 效值 电压波稳态波动幅值，出现电弧炉、电机伺服电机运行不正静止无功补 动与闪频度，调制频率 启动常偿 变 频率偏稳态频率，频率偏差发电机转速变电机转速偏差，通信发电机调速 差化 设备误码率上升 电压偏稳态电压有效值，电过负荷，无功设备运行性能恶化，变压器调 差 压偏差 过剩，电源电生产效率降低，绝缘 压，无功补 压偏高受损偿 噪声稳态幅值，频谱不正常接地，微处理器设备不正正确接地， 暂态固态开关负载常工作，通信干扰，滤波器 损耗增加 短时电暂态幅值，持续时间，远端发生故电机堵转，元器件使 不间断电 压变动瞬时值发生时障，电动机启用寿命降低，设备损源，动态电 间动 坏 压恢复器 振荡暂暂态波形，峰值，频线路、负荷和设备绝缘破坏，电力滤波器，隔 态率，持续时间 电容器组的投 电子设备损坏 离变压器， 切避雷器 脉冲暂暂态上升时间，峰值，闪电电击线设备绝缘破坏，元器避雷器 态持续时间路，感性电路件使用寿命降低 开合 4 第1 章引言 1 3 电能质量扰动检测分析 1 3 1 电能质量扰动主要研究内容 目前，电能质量问题的研究主要集中在三个方面【8 】：一是对电能质量实时监 测，并对其进行在线或离线分析；二是建立相应的电力系统研究模型，对采集到 的电网实际信号进行仿真分析；三是针对不同的电能质量问题，确定改善电能质 量的措施，进而对相应措施进行评估和优化。其中实时监测主要包括电能质量扰 动信号的检测、定位和分类。通过对电能质量的监测，可以为电力部门提供电网 运行的基本状态和性能情况，并为相应解决措施的提出和实施提供基本依据。这 一过程准确及时的完成是解决电能质量问题的重要前提和保证，也是进行电能质 量治理和改善的基础。电能质量扰动检测分析也j 下是本文所要研究的主要内容。 1 3 2 电能质量扰动主要检测分析方法 电能质量的分析和计算涉及到对各种干扰源和电力系统的数学描述，由于干 扰源的性质各异，电力系统中各元件在不同干扰作用下也会呈现不同的性能，因 此很难对各种干扰源和电网元件建立精确的数学模型，而需要开发相应的分析软 件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析，为改善电能质量提供指 导。近年来，基于数字技术的分析方法已在电能质量领域中得到广泛应用，按所 采用分析方法的不同，这些技术主要可以分为时域、频域和变换域方法三种【9 , 1 0 】。 ( 1 ) 时域仿真方法 矗 在电能质量分析中，时域仿真方法是三种方法中应用最为广泛的一种方法， 其最主要的用途就是利用各种时域仿真程序对电能质量问题中的各种暂态现象 进行研究。目前较通用的时域仿真程序主要有e m t p 、e m t d c 、n e t o m a c 等 系统暂态仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、m u l t i s i m 和s a b e r 等电子电路和电力 电子仿真程序两大类。 利用上述暂态仿真程序可开展电能质量研究的领域包括：( 1 ) 计算系统中出 现的过电压，分析其对各种保护装置的影响；( 2 ) 分析电容器投切造成的暂态现 象；( 3 ) 分析电弧炉造成的电压闪变；( 4 ) 分析不正常接地引起的电能质量问题； ( 5 ) 开发改善电能质量的新型电力电子控制器。 对于电能质量的时域仿真方法而言，它主要解决的是建立相应的电力系统模 型，对采集到的电网实际信号进行仿真分析。其主要不足是它们可模仿的最大频 率范围受到仿真步长的限制，需要事先知道暂态过程的频率覆盖范围。此外，在 模拟开关的开合过程时，有可能会引起数值振荡，造成结果不准确或无法得到正 确结果，因此，需要采用相应技术抑制数值振荡。 5 同济大学硕士学位论文基于小波变换的电能质量扰动检测分析 ( 2 ) 频域分析方法 频域分析方法主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描、谐波潮流计算 等。其主要通过求解相应网络中反映节点注入电流矢量与电压矢量之间关系的方 程来获取所需的结果。其中，方程的建立是该方法顺利实施的关键，而从各非线 性负载电流中取出相应的电流分量组成节点注入电流矢量时，这些非线性负载模 型误差的大小对分析结果精度有着较大影响。该方法的主要缺点是计算量大，求 解过程复杂。 ( 3 ) 基于变换的方法 基于变换的方法主要指傅旱叶变换方法、短时傅里叶变换方法、二次变换方 法以及小波变换方法等。 ( 1 ) 傅里叶变换 经典的信号分析方法傅罩叶变换具有正交、完备等许多优点，离散傅里叶变 换( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m - - d f t ) 算法构成了现代频谱分析的基础，而且像 f f t 这样的快速算法，已成为现代频谱分析和谐波分析的基础，并在电能质量仿 真分析中得到了广泛的应用，目的许多谐波分析仪都是基于f f t 的原理做成的。 但是，当采样频率不是最高频率的两倍以上，或者所分析的信号不是稳态信号时， f f t 分析会产生“旁瓣”及“频谱泄露”问题，给分析带来误差。另外，f f t 是 对整个时间段的积分，不能提供任何局部时间段上的频率信息( 即被分析信号的 时间信息得不到充分利用) ，从而导致信号的任何突变，其频谱将散布于整个频 带。因此，f f t 无法充分描述时变非平稳信号的特征，不适合对时变信号进行分 析。 针对以上问题，各种改进算法层出不穷。文献【1 1 提出了f f t 的三点变换算 法用于检测间谐波，有效的改善了频谱泄露问题并提高了分析精度，文献 1 2 】提 出了基于五项黜f e v i n c e n t ( 6 ) 窗插值f f t 算法的谐波参数估计新方法，有效的 改善了频谱泄露问题。但仍然无法解决非平稳信号的分析问题。 ( 2 ) 短时傅里叶变换( s h o r t t i m ef o u r i e rt r a n s f o 彻一s t f t ) 短时傅里叶变换是傅里叶变换的改进算法，是由g a b o r 于1 9 4 6 年提出的。 该方法引入一个滑动的时间局部化“窗口函数，对信号进行分段截取，从而得 到信号在某一固定时窗和频窗上的局部时一频信息，由此可将不平稳过程看成是 一系列平稳过程的集合，从而使傅里叶变换可用于非平稳信号的分析。其主要缺 点是：一旦选定窗口函数，时一频窗的窗口形状就是固定的，因此其只适合分析 特征尺度大致相同的过程，而不适合分析多尺度过程和突变过程，也就不能实现 突变点的准确定位，所以对非稳态信号的分析能力有限。而且，这种方法的离散 形式没有正交展开，难以实现高效算法【9 , 1 0 。 6 第1 章引言 ( 3 ) 二次变换 该方法是一种从能量角度来考虑的时一频变换方法。它是建立在信号能量分 布是时间和频率的双线性函数从而可构成二次变换的基础之上的。最早也最常见 的时一频能量密度就是w i g n e r - v i l l e 分布，其具有时移不变性、频移不变性以及 时频边沿特性等优良特性，但由于二次型的存在而出现严重的交叉干扰现象 【l o ，1 3 】 o ( 4 ) 小波变换 小波变换是调和数学发展的结晶，它很好的克服了以上方法的局限性，并已 作为一种新方法被应用到电能质量分析中。小波是有零均值的有限时间波形，具 有无数的基本函数，由这些函数叠加来对信号进行描述，其最主要的特点是可以 根据所分析信号的特征自动调节窗口的大小，从时一频两域精确的表征信号的特 征。因此，它具有较好的时一频局域化性能，对信号细节具有聚焦功能，尤其适 合分析突变信号和不平稳信掣1 4 , 1 5 ，其正成为电能质量扰动分析领域的有力工 具。 一 目前，已有不少文献介绍应用小波变换进行信号降噪、电磁暂态波形分析和 电力系统扰动建模等电能质量问题的研究。随着小波变换技术的进一步发展和性 能更好的小波基函数的出现，小波变换技术将在电能质量研究领域得到更为广泛 的应用。 1 4 电能质量的国内外研究现状 电能质量问题已成为当前以及今后相当长时间里电力部门和电力用户所面 对的一个严峻问题。国内外众多学者很早就已经开始了电能质量问题的研究，许 多理论、方法及其结合被广泛应用于电能质量扰动的检测和分析领域，并取得了 显著进展。 1 4 1 国外研究现状 国外对电网污染认识较早，在电能质量检测和技术上比较重视，进行了长期 的电网污染治理研究工作。 ( 1 ) 理论方面积极开展电能质量指标的评价体系研究。当波形为非周期信 号、频率为分数次谐波频率时，通常使用的几种评价电能质量的指标如总谐波畸 变率、功率因素等就有不协调的问题，这方面国外已经做了大量研究，并给出了 一些建议，但至今尚未取得一致意见。基于时域、频域和变换域的各种分析方法 在电能质量分析领域得到了广泛的应用。其中，f f t 、s t f t 已成为电能质量分 析中的常用算法，但是它们在暂态电能质量检测分析方面有着固有的缺陷。小波 7 同济大学硕士学位论文基于小波变换的电能质量扰动检测分析 变换由于能够很好地处理微弱或突变信号，为电能质量检测分析提供了新的研究 方法。不少学者己经开始这方面的研究，主要集中在应用小波变换方法进行电能 质量扰动检测和定位、信号数据降噪压缩、识别与分类等方面的研究n 1 8 j 。另外 各种时频分析方法也得到了广泛应用，文献【1 9 】采用包括离散s t f t 、离散模糊 度函数及离散w i g n e r 分布的时频分析方法对电能质量进行评估，并开发了电能 质量扰动检测分析系统。文献 2 0 提出了以g a b o r - w i g n e r 变换为基础的时频分析 方法进行电能质量扰动检测分析。 ( 2 ) 人工智能和其它高级数学工具也在电能质量扰动分析中得到了应用。 人工智能作为一门发展迅速的交叉学科，受到了电力部f - j 禾 4 研工作者和工程技术 人员的关注，已经在电力系统的各个领域得到了广泛的应用。国外专家将小波变 换与人工神经网络( a n n ) 相结合，以小波变换后各层的能量作为特征矢量， 利用人工智能技术对电能质量扰动进行自动检测和辨识，并开发出了软件系统进 行实际的应用和验证【2 1 1 。其它高级数学工具如数学形态学和s 变换也被应用到 电能质量扰动检测识别中，取得了较好的检测识别效果【2 2 捌。小波变换、人工智 能技术和其它高级数学工具的引入，为电能质量检测分析提供了新的研究方法， 为有效的改善电能质量做出了贡献。 ( 3 ) 针对电能质量问题，国外已提出用户电力技术的概念，并开发了相应 的装置。用户电力技术是将电力电子技术、微处理机技术、自动控制技术等高新 技术运用于中、低压配电系统和用电系统中，以减少谐波畸变，消除电压波动与 闪变、各相电压的不对称和供电短时中断，从而提高供电系统的可靠性和电能质 量的新型综合技术。用户电力技术控制器包括动态电压恢复器( d v r ) 、固态断 路器( s s c b ) 、电能质量调节器( p q c ) 等，一些装置已相当成熟，其产品开始 进入大量实用化阶段，如西门子公司已系列生产出p q c 装置【z 川。 1 4 2 国内研究现状 与国外相比，我国的电能质量研究还很不完善，主要集中在谐波、噪声等稳 态电能质量问题上【2 6 捌，并处在对原有算法不断改进并寻求更优谐波分析及降噪 方法的进程中。但对暂态电能质量问题的认识则起步较晚，不论是理论研究还是 装置的开发都还处于尝试应用阶段。对于暂态电能质量现象的描述和定义也没有 统一的标准，有关暂态电能质量的检测、分类与识别的方法研究已逐步展开。在 电能质量扰动检测分析领域，小波变换得到了广泛的应用和发展，其中，文献 2 8 】 介绍了二进小波变换在电能质量扰动检测分析中的应用，文献 2 9 1 介绍了二维离 散平稳小波在电能质量扰动分类中的应用。高级数学工具如p r o n y 辨识、数学形 态学及s 变换等也得到了广泛应用，并取得了不错进展【3 0 - 3 2 1 。随着人工智能技术 8 第1 章引言 的兴起，小波变换与人工智能结合进行电能质量扰动检测及识别的研究已逐步展 开i 玎弓引。目前，有关电能质量分类方法的研究正处于起步阶段，小波变换在这方 面的应用研究还不成熟，目前还没有一种比较系统的、对各种扰动信号都普遍适 用的分类方法，探索和构造新的、更为快速和简便的分类方法仍然十分必要。 针对电能质量的改善，目前国内开发了各种装置，如有源电力滤波器、无源 滤波器、配电用静态同步补偿器、动态电压恢复器和统一电能质量控制器等，许 多已进入实验阶段，但由于国内整体电力系统自身的限制，在该领域的研究主要 以概念性问题为主，缺乏对深层次问题和应用技术方面的深入研究。 1 5 本文所做工作 本文对电能质量扰动检测分析方法进行了总结，通过分析各种算法的优缺 点，重点研究了基于小波变换的分析方法。对电能质量谐波与间谐波检测、电压 波动与闪变检测、暂态扰动定位及信号降噪进行了详细研究，并提出了小波变换 与f f t 相结合的电能质量扰动分类方法，以仿真实例验证了算法的有效性，最 后对文章进行了总结与展望。具体内容为： ( 1 ) 第1 章阐明了本课题的选题背景及研究意义，在论述电能质量的定义、 分类及其主要检测分析方法的基础上，讨论了电能质量的国内外研究现状，并对 电能质量检测分析方法进行了全面的总结，指出小波变换方法是电能质量分析的 一种行之有效的方法，已经成为电能质量检测分析领域的主导方法。 ，。 ( 2 ) 第2 章在介绍傅里叶变换及其局限性的基础上，对小波变换理论进行 了论述。针对小波变换应用的关键问题：小波基函数的选择以及频带划分原则， 进行了详细的探讨，找到了合适的小波基函数并给出了小波分解层数计算公式。 ( 3 ) 第3 章分别利用小波变换和小波包变换对电网谐波及间谐波信号进行 检测分析研究，仿真论证两种方法在稳态及非稳态谐波检测中的优缺点，为后续 分析暂态电能质量扰动信号提供依据。 ( 4 ) 第4 章在介绍电压波动与闪变相关概念及研究对比几种常用调幅波检 测算法的基础上，制定了小波变换调幅波提取方案，并以仿真实例验证小波变换 调幅波提取算法的有效性。 ( 5 ) 第5 章介绍了几种主要暂态电能质量扰动的定义及特性，利用小波变 换对电压骤升、电压骤降、电压短时中断、电压频率波动、脉冲暂态以及振荡暂 态信号进行了检测分析研究，并对含噪的暂态电能质量扰动信号进行了降噪处理 研究。 ( 6 ) 第6 章在深入研究f f t 和小波变换