（电力系统及其自动化专业论文）电能质量暂态性能和相关性分析及监测系统的开发研究.pdf

l 沁 学位论文版权使用授权书 f i i i t li ii ii i i e ii i ii i i l y 1812 2 9 4 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密回，在上年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位敝作者答名小秒吁 日期：年7 月，7 ：日 指导教师签名：蟊兽三 日期：a 年7 月妇日 。b ，iier 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立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， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 。vm，0； 崎， ，矿 日 出 9 j 吖 ： 月 名 签 l l l 椭 年 作文 l 论 ： 位 期 学 日 上海交通大学博士学位论文 目录 、 a b s t r a c t o i b o0o doo i i i i 。 第一章绪论1 1 1 弓l 言1 1 2 电能质量研究意义及背景l 1 3 电能质量研究现状4 1 4 电能质量监测现状8 1 5 本文主要研究内容1 0 第二章暂态电能质量的频谱估计1 2 2 1 弓i 言1 2 2 2p r o n y 算法分析1 3 2 3 间谐波模型的p r o n y 谱估计1 7 2 4 改进的p r o n y 方法2 0 2 5 电能质量去噪模型的p r o n y 谱估计2 5 2 6 本章小结3 4 第三章电能质量相关性分析研究3 6 3 1 引言3 6 3 2 磁悬浮列车谐波源模型3 6 3 3r b f 神经网络原理3 7 3 4 非线性负荷的谐波潮流计算4 l 3 5 磁悬浮列车的谐波潮流计算4 3 3 6 本章小结4 6 第四章电能质量的数据压缩4 7 4 1 弓l 言4 7 4 2 支持向量机方法4 8 4 3 样条小波5 1 上海交通大学博士学位论文 4 4 综合s m t 和s v m 的数据压缩5 2 4 5 算例分析5 3 4 6 本章小结5 7 第五章电能质量指标的综合评估5 8 5 1 引言5 8 5 2 电能质量的综合评估体系5 8 5 3 基于熵权的模糊电能质量综合评估5 9 5 4 本章小结6 5 第六章电能质量监测与分析系统的开发6 6 6 1 引言o oog o ooooo i 6 6 6 2 电能质量数据格式6 6 6 3 基于w e b 技术的电能质量监测与分析系统7 0 6 4 电能质量监测与分析系统的软件开发7 4 6 5 电能质量监测与分析系统的应用7 8 6 6 本章小结8 3 第七章总结展望8 4 7 1 本文完成的工作8 4 7 2 未来的研究和展望8 5 致谢8 8 参考文献8 9 附录1 办公场所负荷数据9 9 附录2 居民场所负荷数据1 0 0 附录3 娱乐场所负荷数据i 0 1 附录4 负荷扰动相关性分析数据1 0 2 攻读博士学位期间完成的学术论文1 0 3 电能质量暂态性能和相关性分析 及监测系统的开发研究 摘要 本文阐述了电能质量研究中存在的主要问题，针对基于有效值的 电能质量监测和分析方法不能对各种暂态电能质量进行严格描述，着 重研究暂态电能质量扰动特性、传播机理，建立了相关分析模型，对 其扰动的行为进行模拟、仿真。通过对暂态电能质量扰动模型的测试 和模拟及对电能质量监测和分析系统应用结果的分析，充分验证了所 提方法的有效性和实用性。本文的主要内容如下： 提出了研究暂态电能质量的现代谱估计方法。针对以频谱和持续 时间的暂态特征，结合a r ( a u t or e g r e s s i o n ) 模型和l s m ( l e a s ts q u a r e m e t h o d ) 两种常用参数估计算法的优点，建立了基于p r o n y 方法的暂 态电能质量分析模型，提取到详细描述暂态行为特征的各种向量；探 讨了模型参数对建模的影响，提出了应用稀疏向量矩阵技术和盲辨识 技术的改进p r o n y 方法，加快了收敛速度；应用小波软阈值对系统随 机噪声进行去噪，有效抑制了噪声数据的影响，提高了分析方法对实 测数据的适应性。 应用径向基函数( i m f ) 神经网络原理，建立了磁悬浮列车的谐波 源模型。将特征谐波与系统参数相结合，以系统的通路为准则进行谐 波传播的计算分析。得到系统和敏感负荷点的谐波指标，解决干扰源 i 上海交通大学博士学位论文 点对其周围电网影响的问题，从而可评估电网的可靠性。 应用支持向量机和样条小波方法，提出了电能质量数据压缩新模 r j 型，在样条小波域中利用支持向量机对小波系数寻找最优值，保证了 在信号压缩率和重构精度之间找到最佳契合点。 运用基于熵权和级差分析法将权重向量量化的模糊方法，建立了 电能质量评估的综合模糊模型。该模型合理融合客观评价和主观评价， 保证了评估结果的正确性。 开发了基于w e b 技术b s 三层体系结构的电能质量监测和分析 系统，并将部分理论结果应用到此系统中。提供i n t e m e t i n t r a n e t 浏览 功能，可以通过网络中任一终端浏览电能质量监测和分析结果。该系 统除具有监测功能外，还具有初步预测、判断功能，提供电能质量扰 动的分析。 关键词：暂态电能质量，p r o n y 方法，r b f 神经网络，非线性负荷， 综合评估，模糊模型，支持向量机方法，样条小波，数据压 缩，w e b 技术，监测和分析系统。 l i a n a l y s i so ft r a n s i e n tp e r f o r m a n c e a n d c o r r e l a t i o no fp o w e rq u a l i t y a n d d e v e l o p m e n to fi t sm o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t t h em a i np r o b l e m ss u c ha st h ec h a r a c t e r i s t i co fd i s t u r b a n c ea n dp r o p a g a t i o ni n p o w e rq u a l i t ya r ei n t r o d u c e d t h et r a d i t i o n a lm e t h o db a s e do nt h er m s ( r o o t m e a n s q u a r e ) c a nn o tb ec o m p e t e n t f o ri t ，an e wm o d e li su s e dt os i m u l a t et h eb e h a v i o r t h e p o w e rq u a l i t ym o n i t o r i n ga n di t sa n a l y s i ss y s t e mi sd e v e l o p e dt h r o u g hd i s t r i b u t e d t e c h n o l o g ya n dt h ev a l i d i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fm e t h o dp r o p o s e di sp r o v e dt h r o u g h d i s t u r b a n c em o d e ls i m u l a t i o na n dm o n i t o r i n ga n da n a l y s i ss y s t e mo fp o w e rq u a l i t y a p p l i c a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h em o d e ms p e c t r u me v a l u a t i o nm e t h o di sp r o p o s e df o rt r a n s i e n tp o w e rq u a l i t y t h ep r o n ym e t h o dp r e d i c t i o np a r a m e t e r sa r et h e nu s e da sc o e f f i c i e n t st of o r ma p o l y n o m i a l ，i ti st ot h ea d v a n t a g e so fb o t hp a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o da r ( a u t o r e g r e s s i o n ) a n dl s m ( l e a s ts q u a r em e a n ) ，a n dt h em e t h o di sf i n a l l ye m p l o y e dt o e s t i m a t et h ed a m p i n gc o e f f i c i e n t s ，t h ef r e q u e n c i e s ，t h ea m p l i t u d ea n di n i t i a lp h a s eo f e a c ho ft h ee x p o n e n t i a lt e r m s f u r t h e r m o r em u c hm o r ew o r kh a sb e e nd o n eo nt h e i m p r o v e m e n to ft h ep r o n ym e t h o d ，u s e di ns p a r s ev e c t o ra n db l i n d i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y , t o a c c e l e r a t e c o n v e r g es p e e d t h ea d a p t a b i l i t y i sa l s op r o v e db y d e n o i s i n gs y s t e ms t o c h a s t i cn o i s e t h er b fn e u r a ln e t w o r kt h e o r yi si n t r o d u c e di n t on o n l i n e a r1 0 a da n dt h en e w h a r m o n i cs o u r c em o d e lo ft r a n s r a p i di sd e v e l o p e d i t sh a r m o n i cp r o p a g a t i o ni s c o m p u t e db yt h er u l eo fs y s t e mr o u t e ，w i t hc o m b i n a t i o nc h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i c sa n d s y s t e mp a r a m e t e r s t h eh a r m o n i ci n d e xo fs y s t e ma n ds e n s i t i v ei o a dp o i n t sa r eg o t a n dh e l pt os o l v et h ep r o b l e m so fr o u n dn e t w o r ki n f l u e n c e ，f u r t h e rt oc o m p u t e r e l i a b i l i t y an o v e la l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rt h ea p p l i c a t i o no fs u p p o r tv e c t o rm a c h i n e l e a m i n g ( s v m ) a n dt h es p l i n ew a v e l e tt r a n s f o r m ( s w t ) t ot h ed a t ac o m p r e s s i o no f p o w e rq u a l i t ye v e n t s t h es v ml e a r n i n ga l g o r i t h mp e r f o r m st h ec o m p r e s s i o ni na i i i i v 上海交通大学博士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 作为当前电力工业中一个热点问题，电能质量监测和分析工作受到国内外 的关注。尤其是近几年随着大量电子设备的应用和电力工业市场化营运机制的推 行，改善电能质量已迫在眉睫。本章阐述了电能质量的研究意义和背景以及暂态 电能质量研究的特点、难点；综述了国内外暂态电能质量研究发展的现状、存在 的主要问题，并对一些新兴电能质量理论、方法作了简单的分析和比较；最后扼 要介绍了本文主要研究内容。 1 2 电能质量研究意义及背景 1 2 1 电能质量定义 电能质量可用电网谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度等指标来表示。目 前并没有一个统一的电能质量标准。i e e e 协调委员会对电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的技术定义为：合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的接地系统均 是适合该设备正常工作的n 卫1 。i e c 标准对电能质量的定义为：电能质量是指供 电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性嘲。最严重的电 能质量问题是电压跌落和电压完全中断。 针对这种情况，i e e e 第2 2 标准协调委员会和其它国际委员会最新采用十一 种指标来衡量电能质量，可以分为三大类口吲： ( 1 ) 电压幅值 a 断电( i n t e r r u p t i o n ) 在一定时间内，一相或多相完全失去电压( 低于0 1 p u ) 。按持续时间长短 分为： 瞬时断电0 5 周期- 3 s 暂时断电3 s “0 s 上海交通大学博士学位论文 持续断电6 0 s 以上 b 电压下跌( v o l t a g es a g ) 持续时间o 5 周期- l m i n ，幅值0 1 p u - q 2 9 p u 。系统频率为标称值。 c 电压上升( v o l t a g es w e l l ) 电压持续时间为0 5 周期- l m i n ，幅值为1 1 p u 一1 8 p u 。 d 瞬时脉冲( t r a n s i e n ti m p u l s e ) 在两个连续稳态之间的一种在极短时间内发生的电压( 电流) 变化。可以是 任一极性的单方向脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波的第一个尖峰。 e 电压波动与闪变( v o l t a g ef l u c t u a t i o na n df l i c k e r ) 电压波动是在包络线内电压的有规则变动，或是幅值不超出0 9 p u 1 1 p u 范围的一系列随机变化。闪变则是指电压波动对照明灯的视觉影响。 f 电压切痕( n o t c h ) 电压切痕是一种持续时间小于0 5 个周期的周期性电压扰动。 g 过电压( o v e r v o l t a g e ) 电压或电流持续时间大于l m i n ，幅值为1 1 p u 1 2 p u 。 h 欠电压( u n d e r v o l t a g e ) 电压或电流持续时间大于1 m i n ，幅值为o 8 p - u o 9 p u 。 ( 2 ) 电压波形 a 谐波( h a r m o n i c ) 含有基波整数倍频率的正弦电压。 b 问谐波( i n t e r - h a r m o n i c ) 含有基波非整数倍频率的正弦电压，也包括小于基波频率的分数次谐波。 ( 3 ) 频率偏差f f r e q u e n c yd e v i a t i o n ) 各国对此均已做出明确规定。 在我国，电能质量问题主要包括几个方面：频率、供电电压允许偏差、谐 波、电压波动和闪变、电压三相不平衡，对此都有相应的国标吲。 1 2 2 电能质量研究意义 一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦波形，按规定的电压水平对用 2 上海交通大学博士学位论文 户供电瞳m 3 。但在实际情况下，由于电能在输送过程中受到各种因素的影响，到达 用户的电能会偏离正弦波形而发生畸变。特别是当前不对称负荷、冲击性负荷在 容量上、数量上日益增大，使干扰成分不断增加，电能质量日益恶化。 电能质量，不仅取决于发电、输电和供电系统本身，伴随着现代工业化的 迅速发展，接入公用电网的半导体换流器和非线性负荷，也明显干扰或降低配电 网中的电能质量，电能质量的下降给电力系统和用电设备带来严重的危害。由于 谐波是电能质量中一个重要的问题，因此过去电能质量研究主要集中在与谐波相 关的稳态电能质量问题上，主要包括元件建模、谐波潮流分析、谐波抑制等问题 的研究。比如，在电力系统、电力电子、电机、供用电等专业中以及所有涉及电 力电子应用的工业部门中，都把谐波干扰及其分析处理作为重要技术课题叫7 1 。 以前，受各种条件的限制，对诸如电压骤降、电压骤升、暂态扰动等各种 暂态电能质量研究较少，其暂态信号具有突变、非平稳、持续时间短等特性，只 了解它们在时域或频域中的全局特性是不够的。暂态信号中的奇异点和不规则突 变通常与系统的电气参数有着重要联系。奇异点检测的目的就是对故障进行定 位，抓住故障特征，进而采取适当的保护或控制措施。因此，暂态电能质量分析 已成为研究热点。 电能质量引起的事故在国内外屡见不鲜。1 9 8 9 年3 月，加拿大魁北克系统 中地磁感应电流导致系统主变饱和并产生大量谐波，造成s v c 电容器组过载， s v c 保护动作，系统电压失稳，进而导致整个魁北克系统崩溃n 引；1 9 9 1 年，在 意大利阿尔俾斯山地区，发生两次类似电力事故，一次是一个2 m w 直流驱动的 双缆滑雪缆道工程的验收测试时，引起电网瘫痪，原因是当地2 0 k v 电网容量相 对较小，谐波电流引起1 8 的电压畸变；在美国，中西部电网也曾有过负载为谐 波含量较高的调速系统，虽没有超过额定容量，仍引起主变投切失败的报道。 在国内，除神朔电气化铁道引起附近电厂停机外，八十年代湖北黄石的大冶 钢厂在生产过程中引起附近电厂机组剧烈震动；甘肃白银供电局所属11 0 k v 变电 站供电的电气化铁道运行中，由于产生1 1 次谐振，引起1 1 0 k v 母线电压畸变4 左右，1 1 次谐波电压含量达2 2 9 1 。强化电能质量的综合治理，可降低、减少 电力生产的事故率，确保电力生产安全可靠运行。 上海交通大学博士学位论文 1 2 3 电能质量研究特点 电能质量的研究，不仅仅是对数学模型的精确描述，由于电能的特殊性，它 有以下几个特点啪： ( 1 ) 电能质量的动态性：电能从发电生产到用户消耗是一个整体，其流动始终 处于动态平衡中。并且随着电网结构和负荷的改变而不断变换。在整个电力系统 中，不同时刻、不同地点，电能质量指标往往是不同的，电能质量始终处在动态 变换中。 ( 2 ) 电能质量的相关性：电能不易大量存储，其生产、输送、分配和转换过程 直至消耗几乎是同时进行的。当系统处在各种运行状态时，电能质量一旦超标， 相关的设备定会受到不同程度的影响。 ( 3 ) 电能质量的传播性：电力系统是一个复杂的网络，为电能的传播提供了最 好的传输途径。电能传播速度快，电气污染波及面大，会大大降低相连系统的电 能质量。 ( 4 ) 电能质量的潜在性：电能质量扰动复杂多变，事故诱发条件复杂，其质量 的下降造成对系统用电设备的损害有时并不立即显现，为安全运行留下隐患。 ( 5 ) 电能质量的复杂性：电能质量的多指标性作用于同一个系统时，如何综合 给出电能质量的评判标准，是非常困难的。目前尚没有一个准确和普遍认可的定 量评估计算方法。 ( 6 ) 电能质量的整体性：保证电能质量要靠多方努力。因此要求电力供应方、 电力使用方、设备制造商等共同协作。制订统一和可操作的适度质量标准或单独 的供电质量协议，或者按电力用户对电能质量的不同要求实行分级控制和管理。 1 3 电能质量研究现状 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事件和暂态事件 两大类。稳态电能质量以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷及 噪声等；暂态事件主要指短时电压改变以及各种暂态现象。短时电压改变指由于 系统中发生故障或较大负荷变化引起电压方均根值在短时间内随时间改变现象， 包括电压上升、下跌等现象。暂态电能质量通常以频谱和暂态持续时间为特征， 4 上海交通大学博士学位论文 可分为脉冲暂态和振荡暂态两大类乜。电能质量的分析涉及到对各种干扰源和电 力系统的数学描述。 1 3 1 时域仿真法 在电能质量分析中，时域仿真法应用最为广泛，它的主要用途是利用各种时 域仿真程序对电能质量问题的各种暂态现象进行研究但2 删。目前使用比较广泛的 时域仿真程序主要有e m t p 堙8 别、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 等电力电子仿真程序两类。由于电力系统主要由r 、l 、c 等元 件构成，这些程序在求解微分方程时，通常采用简单易行的变阶、变步长的隐式 梯形积分法，利用隐式可保证求解过程的数值稳定，采用变阶、变步长技术可缩 短迭代计算时间。采用时域仿真方法的缺点是仿真步长的选取限定了可分析的最 高频率范围，因此，必须事先知道待分析系统暂态过程的最高频率。另外在仿真 开关的开合过程中，还会引起数值振荡，必须采用相应技术以抑制这种数值振荡 的发生。 1 3 2 频域分析方法 主要用于电能质量中谐波问题的分析m 1 。包括频率扫描、谐波潮流计算。 ( 1 ) 频率扫描 在谐波分析中，线性网络可用式( 1 - 1 ) 表示。 i ，= 艺宰 沏= 1 ，2 ，h ) ( 卜1 ) 式中，为节点导纳矩阵；厶为注入谐波电流源矢量；为节点谐波电压矢 量；m 为谐波次数，其中，对应每个谐波频率的都要单独生成。 通过向所需研究的节点注入幅值为l 的m 次谐波电流，其余节点的注入电流 置为零，求解式( 卜1 ) 所得的电压即为该节点的m 次谐波输入阻抗和相应各节点 间的转移阻抗。当注入电流的频率在一定范围内变动时，可得相应谐波阻抗一频 率的分布，从分布曲线的谷值和峰值可确定该节点发生串、并联谐振的频率。 ( 2 ) 常规谐波潮流计算 利用频域分析法还可进行谐波潮流计算，从而分析谐波在系统中的分布情 况。对应每个谐波频率，从各非线性负载电流中取出相应的分量组成注入电流矢 量，代入式( 卜1 ) 即可求出各节点电压的相应频率分量。将这些分量合成，又可 上海交通大学博士学位论文 得各节点电压的时域波形。这种方法简单，适用于大多数情况，因此在实际谐波 潮流计算中应用较多。 但在某些情况下，上述非线性负载模型的误差较大。因此，又提出了一种改 进方法，即将非线性负载电流表示为如式( 1 - 2 ) 所示的负载节点电压和负载控 制变量的函数。 ，m = f ( u ，c i ，g ) m = l ，2 ，h ( 卜2 ) 式中， ，丘，厶为非线性负载电流各次谐波分量；矾，奶，为负载节 点电压各次谐波分量；c 1 ，c k 为负载控制变量( 逆变器触发角等变量) 。利 用牛顿法联立求解式( 卜1 ) 和( 卜2 ) 即可得各节点谐波电压。 1 3 3 基于变换的方法 主要包括f o u r i e r 变换法、短时f o 谢e r ( s t f t ) 变换法、二次变换法和近年出 现的小波变换法3 u 。 ( 1 ) f o u r i e r 变换法 不仅具有正交性的优点，而且具有f f t 这样的快速算法，它在电能质量分析 领域具有广泛的应用 3 2 o 但是运用f f t 时必须满足两个条件，即最高信号频率 小于采样频率的1 2 ，且被分析信号是稳态的。如果不满足上面两个条件将发生 频谱泄漏、旁瓣现象，导致分析误差。另外，f f t 变换是整个时间段的积分，时 间信息没有得到充分利用，突变信号的频谱将散布整个频带，会产生较大误差， 所以不适合那些不稳定电能质量信号的分析和处理。 ( 2 ) 短时f o u r i e r 变换方法 为解决f f t 变换中存在的上述问题，g a b o r 利用加窗，提出短时f o u r i e r 变 换方法，既将不平稳过程看成一系列短时平稳过程的集合，实现了将f o u r i e r 分 析方法用于不平稳过程灌3 。但是，它要求各个分析特征尺度大致相同，所以它 不适合分析多尺度过程，而且它的离散形式没有正交展开，因此难以实现高效算 法。 ( 3 ) 小波变换方法 具有时一频局部化的特点，克服f f t 和s 1 r i 叮的缺点，实现了频率窗口的自 适应变化，它特别适合于突变信号和不平稳信号的分析。在电能质量分析尤其是 暂态电能质量分析中，小波变换方法具有f f t 、s t f t 无可比拟的优越性。目前 6 上海交通大学博士学位论文 已有很多文献介绍了应用小波变换进行电能质量的分析和检测。主要集中在电能 质量扰动检测和定位、扰动信号数据压缩、扰动识别以及建模与分析等方面的研 究制。常用的小波基函数有：d a u b e c h i e s 小波、样条小波、m o r l e t 小波、m e y e r 小波等；常用算法为m a l l a t 在多分辨分析( m r a ，m u l t i r e s o l u t i o na n da n a l y s i s ) 基 础上提出的塔式快速小波算法一m a l l a t 算法。在文1 4 9 中，提出了用m o r l e t 小 波监视电力系统电能质量扰动的方法。仿真结果表明，该方法能够检测电压骤降、 骤升、瞬时断电和暂态振荡等多种暂态扰动，同时也能对电弧炉产生的谐波分量 进行分析。而文【5 0 】提出采用连续小波变换( c w t ) 进行电能质量分析。另 外，还可利用小波技术实现电力系统扰动的建模啼。小波和神经网络结合也是暂 态电能质量扰动识别的一种常用方法嗽制。利用小波变换进行电能质量分析的难 点主要在于找出最适合于电能质量分析的小波基函数。 ( 4 ) 二次变换法 是一种基于能量角度来考虑的时一频变换方法。一般认为，信号的能量分布 总是时间和频率的双线性函数，它构成了时一频二次变换的基础。文【5 5 1 提出 了一种基于二次变换的信号处理方法，利用平滑假维格纳一维尔分布的能量分布 与可分离的哈明时窗和哈明频窗结合起来进行电能质量分析，仿真结果表明，这 种二次变换方法不仅可以准确地测量到基波和谐波分量的幅值，而且能够准确地 检测到信号发生尖锐变化的时刻。 ( 5 ) 多刻度形态谱分析方法 对于图像厂的多值形态学变换f ，基于f 的多刻度运算 定义为 r11 f a ( f ) “lf 喷厶) l 。( 1 - 3 ) j 以 i 一 一工 式中，五 0 为局( 厂) 的刻度，厶o ) = f ( a x ) 。 多刻度运算是一种多层次描述和多层次处理方法。它采用不同尺寸的结构元 素对图像进行变换，因而不同刻度的运算恰好就是对图像中不同尺寸结构的处理 和分析。然后通过捕捉细节使分析得以越来越精确。多刻度形态谱分析方法的缺 陷就是计算时间太长，目前未能在实时系统中应用，但用来做离线的数据分析确 实是相当好的一个工具。 由于电能质量中非线性负荷及干扰产生的不确定性，传统方法在适用范围和 7 上海交通大学博士学位论文 准确度问题上都有很多缺陷。近年来，随着数学及人工智能领域中一些新学科、 新理论的兴起，如“专家系统 、“模糊数学”、“人工神经网络技术 等，或几种 方法的融合，使得电能质量的研究大大向前迈进了一步。同时，也为电能质量的 监测和改善提供了坚实的基础5 1 。 1 4 电能质量监测现状 电能质量的监测和评估是对电力系统进行治理而改善其电能质量的前提条 件。美国电科院( e p 融) 在1 9 9 3 年6 月至1 9 9 5 年9 月间对电压等级从4 1 6 k v 到3 4 5 k v 的2 7 7 个变电站及馈线进行了一次全面的电能质量调查监测，获得了 5 6 9 1 份监测数据呻。 最早的电能质量监测装置是2 0 世纪2 0 年代由美国通用电气公司开发的雷击 记录仪，它可以定性地提供脉冲幅值和时间。以谐波测量为例，其监测仪器的开 发和研制，大致经历了三个阶段：第一阶段上世纪5 0 年代，谐波成分的分析主 要依靠实测波形的傅立叶计算，即利用信号波形的录波图，人工手动等间隔地量 取数值，然后采用人工计算的方法进行谐波分析计算，计算过程费时费力，精度 很低，分析谐波次数不高。第二阶段5 0 年代到8 0 年代，这一时期选频测量技术 获得了广泛应用和普及，相应研制了一系列选频式谐波测量仪器，测量方式是利 用失真度式的仪器测量谐波总畸变率，外差选频式逐项测量各次谐波分量，带通 滤波式逐次选取各次谐波分量。这类谐波分析仪器仪表虽然较早期的人工分析方 法有了很大的提高，但测试结果只能给出谐波幅值，不能测出相位，测试调节也 较麻烦。第三阶段是8 0 年代至今，由于集成电路和微处理器及计算机迅速发展， 已生成了一系列基于快速傅立叶变换的谐波分析频谱分析仪，被测信号经采样 保持、a d 转换、计算机傅立叶输出结果，测试操作简单方便，计算结果快速准 确，可同时进行多路信号的测量2 哪! 。现在采用微处理器构成的数字式仪器已被 广泛使用旧删，核心由d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 所构成。一般都可以和计算 机相连，构成p c + d s p 主从式结构。具有显示、存储、通讯、人机对话等功能， 然后根据测量数据进行汇总、统计分析，对电网的电能质量水平进行评估。但是 国内这种电能质量监测手段和产品模式存在明显的局限性： ( 1 ) 实时性差：监测周期长、监测点分散，无法及时了解电网电能质量水平； 8 上海交通大学博士学位论文 ( 2 ) 监测指标少：由于装置局限性，同一仪器无法同时监测多项电能质量指标： ( 3 ) 工作量大：需要花费大量的人力物力进行测量、统计分析； ( 4 ) 测量误差大：在实际测量中往往不能达到理想的测量环境，数据误差的偶 然性很大： ( 5 ) 缺乏判断依据：由于数据量不足，且无法对监测点进行长期的跟踪测试， 难以深入分析造成电能质量的根源，也难以进一步提出改善电能质量的措施。 当前，对电能质量关注的焦点已经不仅仅是电压、频率和谐波等各种稳态 指标，人们想得到关于电能质量更为准确的实时信息，比如瞬时扰动和暂态变 量等，同时也要求电能质量监测系统提供更为直观的分析结果，以利于对电能 质量问题做出决策，比如要求系统能够进行故障辨识、干扰源识别、故障预测 和信息共享等功能。电能质量监测系统正在朝着在线监测、实时分析、网络化 和智能化的方向发展。 随着网络技术和嵌入式实时系统技术日益成熟和完善，已经被引入到电能质 量监测领域，传统的设计方法也逐渐被摒弃。文【7 1 】提出了一种基于w e b 的 电能质量监测系统的设计实例，并且采用小波变换技术作为分析手段，整个系统 的设计基本上顺应了目前的发展方向，但文中主要介绍了系统的体系结构和小波 变换技术的应用，未对现场的实时监测设备做具体介绍。文【7 2 1 提出了一种基 于d s p 的实时系统解决方案，该方案采用p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机的双处理 器结构，d s p 处理实时任务，p c 机用于和用户交互，系统解决了电能质量监测 的实时性问题，但还没有达到智能化和网络化的程度，而且p c 机的采用加大了 设备的成本，不适于作为永久性在线监测设备大量安装在现场。 从设备的角度，目前电能质量监测的发展趋势倾向于采用永久性的固定设备 对现场数据进行在线监测。对设备的具体要求可以概括为： ( 1 ) 设备要能满足实时性要求，具备对电网问题的快速捕获能力： ( 2 ) 在分析手段上要能够对采样数据预处理，比如小波去噪，能对数据实时分 析，对瞬时和稳态干扰性事件进行跟踪和预分类，这样可以降低对存储容量的要 求，同时为现场的实时监控提供更快速，更有价值的评估和决策信息； ( 3 ) 要具备强大的通信能力，能方便集成到企业信息管理系统中和互联网上， 以便于为电能质量现象的深入分析、事件统计，长期评估和预测提供可靠数据； 9 上海交通大学博士学位论文 ( 4 ) 在功能上要具备配置的灵活性，以适应电力系统的不同应用场合； ( 5 ) 在成本上也要能适合于大量安装到现场。 从系统的角度，文【7 3 1 提到了智能电能质量监测系统的概念，但对此尚未 有明确定义。文【7 4 】介绍了美国电科院开发的一套电能质量监测仪s i g n a t u r e s y s t e m ，给出了智能系统的基本特征、功能模型和应用领域。这套系统在性能 方面具有思考性的逻辑判断，代表了电能质量监测系统发展的最新方向。可以 归纳出智能系统除了具备传统的监测功能外，在功能和技术上更加强调： ( 1 ) 各种信息的提取，收集、分类和管理； ( 2 ) 分析手段的智能化，比如小波变换技术，神经网络技术、模式识别技术和 专家系统的应用； ( 3 ) 电网运行性能和条件的自动评估； ( 4 ) 为用户提供决策支持； ( 5 ) 对各种电能质量问题能够进行预测。 当前i n t e m e t 技术的发展为信息共享、数据交换提供了便利，也为电能质量 监测的网络化提供了有效手段。文【7 5 】涉及了在电能质量监测中如何利用 i n t e r n e t 的问题。文【7 6 1 介绍了基于i n t e m e t 技术的电能质量监测的设计思路。 此系统主要有数据采集、数据传输、数据分析三部分组成，使用g p s 技术保证 采样数据的同步性和准确性口钉。 综上所述，电能质量监测的发展趋势对监测系统在功能上提出了更高的要 求，同时也表明这一应用研究需要各个领域多种技术的相互融合和密切合作m 1 。 1 5 本文主要研究内容 本文围绕如何提高电能质量暂态性能和相关性分析方法的准确性和适应性， 对电能质量暂态扰动中信号处理方法、非线性负荷的谐波源建模以及由此引起的 谐波传播、电能质量数据压缩、多种指标下电能质量的综合评估建模等多方面进 行深入研究，主要工作内容和研究成果如下： - 第一章讨论了电能质量监测的意义及研究现状；阐述了存在的主要问题： 第二章采用了p r o n y 谱估计方法对电能质量暂态信号和间谐波信号进行分 析。p r o n y 方法同其它分析方法相比具有以下几个优点：无需估计样本自相关矩 l o 上海交通大学博士学位论文 阵；频率与振幅估计值的方差较小；无需在整个频域上搜索；计算量小并且在给 出频率值的同时可得到振幅、相位、衰减因子，能实现对原信号的重构。并在此 基础上，详细讨论了参数对模型的影响，首次提出了应用稀疏矩阵技术和盲辨识 技术的改进p r o n y 方法，弱化了随机信号的干扰作用，提高了计算速度和收敛特 性，适合于在线使用。利用噪声信号和扰动信号的小波局部模极大值在小波尺度 上不同的变换特性，首次应用小波软阈值的通用去噪方法对电能质量暂态信号进 行预处理，实现了在强背景噪声情况下对扰动信号的准确分析。 第三章从径向基函数( r b f ) 神经网络理论分析出发，首次探讨了一种用神 经网络建模的磁悬浮列车谐波源模型，对于学习训练中模型参数难以确定的缺 陷，采用了两层迭代聚类算法，能够自动寻找合适的参数。并用于磁悬浮列车的 谐波潮流计算中，分析了磁悬浮列车注入电网的谐波传播状况。此方法同样适用 于其它非线性负荷的谐波源建模。 第四章结合样条小波和支持向量机方法的特点，首次将样条小波和支持向量 机方法综合应用在暂态电能质量扰动数据的压缩中。对于经小波变换后的数据， 利用支持向量机方法具有, j , i ) l l 练样本条件下寻找最优解的特性，进行数据的高精 度压缩，适用于有扰动突变的暂态数据。 第五章针对电能质量评估中存在单项指标种类繁多，关系不易确定的特点， 在介绍熵权模糊综合评价法基本流程的基础上，首次建立了基于熵权的模糊电能 质量综合评估模型。运用熵权和级差分析法将电能质量单项指标等因素数量化， 得到相应的权重影响因子，合理融合了客观评价和主观评价。使得评估结果与客 观实际情况更为相符。 第六章探讨了b s 三层结构的特点，以w e b 技术应用的浏览器服务器( b s ) 三层结构为平台构建了分布式电能质量网络化监测和分析系统。在标准p q d i f ( p o w e rq u a l i t yd a t ai n t e r c h a n g ef o r m a t ) 数据格式基础上，完成了基于w e b 技 术的电能质量监测和分析系统的开发，并已投入稳定运行一年。给出了监测系统 的网络模型，软件设计平台，通讯协议以及相关数据处理方法和监测指标分析的 解决方案，并采用a c t i v e x 技术实现w e b 浏览功能。 第七章总结了本文完成的主要工作并指出未来电能质量研究工作趋势及监 测和分析系统的发展方向。 上海交通大学博士学位论文 2 1 引言 第二章暂态电能质量的频谱估计 电能质量的内容涉及到频率偏移、电压偏移、电磁暂态、波形失真、三相不 平衡等。可分为稳态和暂态两大类：稳态电能质量以波形畸变为特征，主要包 括谐波、三相不平衡等。暂态电能质量通常以频谱和暂态持续时间为特征，主要 指短时电压改变以及各种暂态现象。短时电压改变指由于系统中发生故障或较大 负荷变化引起电压方均根值在短时间内随时间改变现象，包括电压上升( s w e l l ) 、 电压下跌( s a g ) 、脉冲( i m p u l s e ) 、断电( i n t e r r u p t i o n ) 等。由于其突变、暂态、 非平稳的特性，对频谱分析提出了较高要求。 一些常用信号分析方法，如f o u r i e r 方法、小波分析方法等广泛应用在电能 质量扰动分析中。f f t 非常适合对周期性信号进行频谱分析，常用在稳态电能质 量扰动分析的谐波计算中。小波变换可以对非周期分量进行提取，但不能提供描 述非周期分量的特征值。 信号处理的基本任务是利用观测数据做出关于信号与系统的某种统计决策。 主要有参数化方法和非参数化方法。参数化方法假定数据服从一已知的概率模 型，但模型的某些参数未知，参数化估计与系统模型的辨识密切相关。其主要基 础是优化理论，即被估计的参数在某种准则下是最优的，以及如何获得最优的参