（电力系统及其自动化专业论文）短时电能质量扰动检测与间谐波参数测量.pdf

在信号包络求取方面，无论在精度还是计算速度上都优于h i l b e r t 变换方法，基 于这样的情况，本文提出三角模态与t e a g e r 能量算子相结合的短时电压扰动检 测方法。采用t e o 代替改进h h t 方法中的h i l b e r t 变换来计算幅值包络，仿真 结果表明，这样的方法是可行的并且获得了更好的效果。 电力系统的间谐波问题随着对电能质量要求的进一步提高也越来越引起更 多的关注，而对间谐波参数的准确测量成为间谐波分析和治理需首要解决的问 题。针对现在插值f f t 算法需在已知信号频率分量的基础上，利用对应f f r 谱 线进行结果修正，而实际信号的间谐波和谐波分布往往无法事先确定的这一问 题，本文提出根据信号的a r 谱估计分布确定信号的频率成分，并以此由双峰 谱线插值修正信号f f f 结果以获得高精度间谐波参数的方法。同时对该方法所 采用的b l a c k m a n - h a r d s 窗插值修正所需最小分析数据长度选取的研究以及采用 多项式逼近方法得出的b l a c k m a n h a r r i s 窗插值修正多项式公式，在减少f f t 计算量的同时保证了结果的高精度。仿真结果表明了该方法的有效性。 关键词：电能质量扰动间谐波h h t 经验模态分解三角模态h i l b e r t 变换能量算子a r 模型插值f f r t h ed e t e c t i o no fs h o r t - t e r mp o w e rq u a f i t ya n d m e a s u r e m e n to fi n t e r h a r m o n i c sp a r a m e t e r s 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 g r a d u a t e ：w a n gb oa d v i s o r ：y a n gh o n g g e n g e l e c t r i cp o w e rs h o w sp o w e r f u ls t r e n g t ha sak i n do fi m p o r t a n te n e r g ys o u r c e s f r o mi t sb i r t l li n c o n t e m p o r a r ys o c i e t y , e l e c t r i cp o w e re v e nb e c o m e sa l l 。i n d i s p e n s a b l ee n e r g ys o u r c e s h o w e v e r , w i t ht h ew i d e l yu s eo fv a r i o u sk i n d so f p o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e sa n dn o n l i n e a rl o a d si np o w e rn e t w o r k , t h ep r o b l e mo f p o w e rq u a l i t yb e c o l n c 瞎o n eo f t h ep r o b l e m sw h i c hi s p a i d a t t e n t i o nf o rb y c u s t o m e r sa n dp o w e rs u p p l yd e p a r t m e n t h i g hq u a j 时e l e c t r i cp o w e rh a saf a t a l s i g n i f i c a n c ef o rg u a r a n t e e i n ge l e c t r i cd e v i c e s s a f e l ya n de c o n o m i c a l l yo p e r a t i o n , i m p r o v i n gp r o d u c t s q u a l i t ya n dg u a r a n t e e i n gn o r m a ll i f eo ft h er e s i d e n t s t oi m p r o v ep o w e r q u a l i t y , w eh a v et od i a g n o s e , l o c a l i z ea n dc l a s s i f yt h ep o w e r q u a l i t yp r o b l e m h o w e v e r , h o wt od e t e c ta n dl o c a l i z ew a v e f o r md i s t o r t i o na n dt h e s t a r ta n de n do fd i s t u r b a n c eo rf a u l tb e c o m 髓t h ep r i m ep r o b l e mo ft h ed e t e c t i o no f p o w e rq u a l i t ya n dt h ea n a l y s i so ff a u l t i nt h i sp a p e r , an e wm e t h o db a s e do nt h ei d e a o fe m d ( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o n ) f o rt h ef a s tl o c a l i z a t i o no fp o w e r q u a l i t y d i s t u r b a n c e s t r i a n g l em o d em e t h o di sp r e s e n t e d t h i sm e t h o dr e s a a - v e st h e d i s t u r b a n c ei n f o r m a t i o no fs i g n a l st h r o u g hs u p e r p o s i n gat r i a n g l em o d e0 1 1t h e o r i g i n a ls i g n a lt ol o c a l i z ed i s t u r b a n c e a n da i m i n ga tt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e t r i a n g l em o d e ，a l li m p r o v e da n ds i m p l i f i e dm e t h o do fi ti sa l s op r e s e n t e d , w h i c h m a k e st h ep r o p o s e dm e t h o dl o c a l i z ed i s t u r b a n c em o r es i m p l y , e x a c t l ya n dr a p i d l y s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d 。 s h o r t - t e r mv o l t a g ed i s t u r b a n c e si np o w e rs y s t e ma r ek n o w na st h em o s ts e r i o u s p o w e rq u a l i t yp r o b l e mt h a ti n f l u e n c e st h en o r m a la n ds a f eo p e r a t i o no fe l e c t r i c e q u i p m e n t s s ot h ed e t e c t i o na n di d e n t i f i c a t i o no fi th a sa l li m p o r t a n ta c a d e m i ca n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e b a s e do nt h ep r o p o s e dt r i a n g l em o d em e t h o d ，a ni m p r o v e d h i - i tm e t h o df o rd e t e c d o no fs h o r t - t e r mp o w e rs y s t e md i s t u r b a n c ei sp r o p o s e d t h i s m e t h o de m p l o y sh i - i tp i e c e w i s et oe x t r a c tt h ea m p l i t u d ee n v e l o p eo fb a s i c f r e q u e n c yc o m p o n e n tf o ri d e n t i f y i n gd i s t u r b a n c et y p e so nt h ef o u n d a t i o no fe x a c t d i s t u r b a n c el o c a l i z a t i o nb yt r i a n g l em o d em e t h o d s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a th a sa h i g h e re f f i c i e n c yt h a nh h t m e t h o d i no u rf u r t h e rs t u d yo ft h ei m p r o v eh h t m e t h o d ，w ef i n dt h a tt e a g e re n e r g y o p e r a t o rf r e o ) e x c e e d st h eh i l b e r tt r a n s f o r m a t i o nm e t h o db o t i li np r e c i s i o na n di n s p e e di nt h ef a c e t so fa m p l i t u d ee n v e l o pc a l c u l a t i o n ，s o ，an e wm e t h o db a s e do n t r i a n g l em o d ea n dt e of o rd e t e c t i o no fs h o r t - t e r mp o w e rs y s t e md i s t u r b a n c ei s p r o p o s e d t h i sm e t h o dr e p l a c e sh i l b e r tt r a n s f o r m a t i o ni ni m p r o v e dh h t m e t h o db y t e ot oc a l c u l a t e a m p l i t u d ee n v e l o p ，a n ds i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e nt h e p o s s i b i l i t yo f t h i sm e t h o da n dt h eb e t t e rr e s u l t si tc a nh a v e t h ep r o b l e m so fi n t e r h a m o n i c si np o w e rs y s t e ma r ep a i d “，a n dm o r e a t t e n t i o nt ow i t ht h ef u r t h e rr e q u i r e m e n t so fp o w e r q u a l i t y t h ep r e c i s em e a s u r e m e n t f o ri n t e r h a m o n i c sp a r a m e t e r sb e c o m e st h ep r i m ep r o b l e mf o rt h ea n a l y s i sa n d h a r n e s so fi n t e r h a m o n i e s i n t e r p o l a t e df f ta l g o r i t h m si ne x i s t e n c en e e d st h e f e q u e n c i e s o fs i g n a l st ob ek n o w n , a n dt h e nc o r r e c tt h e i rr e s u l t sb yf f rs p e c t r a ll i n e s h o w e v e r , t h ed i s t r i b u t i o no fi n t e r h a r m o n i c sa n dh a r m o n i c si na c t u a ls i g n a lu s u a l l y c a n tb ca s c e r t a i n e db e f o r e h a n d s oam e t h o df o ri n t e r h a r m o n i cm e a s u r e m e n ti s p r e s e n t e d i tc o n f n m st h ef r e q u e n c i e si ns i g n mb ya rm o d e ls p e c t r a le s t i m a t i o na n d e m p l o y sc o r r e c t i o na l g o r i t h mo fd o u b l es p e c t r a ll i n e st oc o r r e c tf f rr e s u l t sf o r o b t a i n i n gi n t e r h a m o n i c sp a r a m e t e r sw i t hh i g hp r e c i s i o n t h es t u d yo ft h em i n i n m n l l e n g t ho fd a t an e e d e db yb l a c k m a n - h a r r i sw i n d o wi n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n di t s c o r r e s p o n d i n gp o l y n o m i a lf o r m u l a eo b t a i n e df r o mp o l y n o m i a la p p r o x i m a t i o n m e t h o dc a nr e d u c et h ec a l c u l a t i o no ff f fa n dg u a r a n t e et h eh i g ha c e t t r a e yo fr e s u l t s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ev e r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dm e t h o d k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，d i s t u r b a n c e ，i n t e r h a r m o n i c ，h h t ，e m p i r i c a lm o d e d e c o m p o s i t i o n ，t r i a n g l em o d e ，h i l b e r tt r a n s f o r m a t i o n , e n e r g yo p e r a t o r , a r m o d e l , i n t e r p o l a t e df f r 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 绪论 1 1 课题研究意义与背景 在现代社会中，电能成为了一种必不可少的重要能源。随着科学技术和国 民经济的发展，人们对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来 越高。高质量的电能对于保证电网和电气设备安全、经济运行，提高产品质量 和保障居民正常生活有着重要的意义。而随着我国现在工业技术的发展和电力 市场的逐步形成，电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 问题现在已经成为电力系统发、 供、用电部门十分关注和努力完善的重要指标”1 。一方面，伴随信息技术的发 展，基于计算机、微处理器的用电设备更加敏感，对供电质量的要求也更为苛 刻，相对低劣的电能质量严重影响了灵敏设备的安全运行，这将给用户带来难 以估计的损失；另一方面，在电力市场机制下，电能作为走进市场的商品，无 疑也应讲求质量。随着电力市场的不断完善，电力部门不仅要满足用户对电力 数量不断增长的需求，还必须满足较高电能质量的要求，为用户提供安全、可 靠的电力能源成为电力部门获利经营的先决条件f 4 习。因此，电能质量的好坏直 接关系到包括电力工业在内的工商业系统，乃至整个国民经济的发展前景，对 于像我国这样的发展中国家更具有不可忽视的现实意义和战略意义。 近年来，基于计算机、微处理器的用电设备和各种电力电子设备得到广泛 应用，一些新的电能质量问题也随之而来。人们对传统的长时间停电、长时间 电压偏高( 过电压) 或偏低( 欠电压) 和谐波等电能质量问题的关注逐渐转移到新 的动态电能质量问题上，如电压暂降、电压暂升、瞬时电压中断和各种暂态扰 动等。这些电能质量扰动所带来的问题日益突出，对电力系统设备的损坏、对 用户的影响以及所造成的经济和社会损失也越来越不能忽视，因此，对电网电 能质量扰动进行检测就具有非常重要的意义，而如何准确快速的检测与定位电 力系统波形畸变、扰动的发生和恢复时刻成为电能质量扰动检测以及故障分析 的首要问题 6 , 7 1 。 同时随着各种敏感电力电子设备在工业中的广泛应用，诸如短时低电压、 短时过电压以及短时停电等电能质量扰动问题已成为近年来各方面关注的焦点 之一哺9 1 。为提高电能质量，减少电力系统事故，对电能扰动实行正确监测、识 别是十分必要的。因为一旦识别出扰动的类型就可以确定引起扰动的负荷并可 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 分析其产生原因，所以扰动类新识别是其中非常重要的环节。电压骤降、短时 停电已被公认是影响许多用电设备正常、安全运行的最严重的电能质量问题。 诸如短时的供电中断或3 0 的电压跌落幅度将会造成整条装配线的可编程控制 器重新复位，会给用户带来严重的损失。类似电压凹陷、电压膨胀等短时电压 扰动还可能会引起居民区时钟混乱、敏感负荷的误操作，甚至某个工业特处理 过程的瘫痪。对短时电能质量扰动进行分类是采取适当措施降低扰动带来影响 的前提。因此对电力系统扰动现象进行特征分析和识别具有重要的理论意义和 现实意义。 电网波形的畸变是现在电能质量问题中一个越来越严重的问题，谐波对电 网的污染越来越明显，由此带来的许多问题也已引起广泛关注。谐波一般指频 率为工频( 基波频率) 整数倍的成分，而非整数倍基波频率的成分则称之为间谐 波。对于间谐波的研究，相关的文献资料很少现行国家标准电能质量公用 电网谐波( g b 1 4 5 4 9 - - 9 3 ) 也只是对谐波规定了限值和测量方法。然而实际上 间谐波及其影响却广泛存在于电力系统中，而又缺乏相关的分析和治理手段。 电力系统中的问谐波电压会引起灯光闪烁，对音频脉冲控制的接受机、电视机、 无线电收音机或其它音频设备造成干扰，还可能引起感应电动机噪声和振动； 引起低频继电器的异常运行以及无源电力滤波器过电流跳闸等问题【1 0 i 。因此， 现在迫切需要对电力系统间谐波进行更加深入研究，而对其参数的准确测量将 有助于更好地对间谐波的相关问题进行分析和治理。 1 2 国内外发展动态 由于电能质量问题的日益突出，对电能质量相关问题的研究也得到越来越 多人的关注。目前电能质量中的某些问题已成为电工领域的前沿性课题。国内 外许多专家、学者对电能质量扰动的检测、识别、分类、建模和危害等问题进 行了大量的研究，并在许多国际知名学术期刊上发表了大量的相关论文。 现在在理论研究的基础上，基于时域、频域和变换域的各种分析方法在电 能质量扰动检测和定位、识别和分类，以及间谐波参数测量分析等方面得到了 广泛的应用。 2 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 1 2 1 电能质量扰动检测定位 电能质量扰动检测定位是电能质量扰动问题分析的必要前提，在电能质量 问题的研究中具有重要的现实意义，而目前检测定位方法研究的主要方向是如 何快速准确、简单有效地实现各种扰动的定位，对此国内外相关学者提出了他 们研究的一些方法。 文献 1 1 1 提出一种基于数学形态学的快速计算方法，对电力系统采集数据的 扰动进行定位。然而该方法必须选择适当的结构元素，根据腐蚀和膨胀运算的特 点设置适当的组合形态运算才能得到较好的检测效果。 文献【1 2 】定义了电压的短时网格分形维数来反映电压的变化特征。该方法能 准确有效地检测到电能质量扰动，并能精确地确定电能质量扰动的发生、恢复 时刻，但是文中所述原理不能确定暂态振荡的结束时间。 差变算法是目前扰动定位算法中最简单、最快速、实现上也最为方便的检 测方法。文献 1 3 1 提出了根据差变信号在时域测量扰动开始、结束时刻的方法， 通过监测差变信号中的突变起始点，从而迅速确定是否有扰动出现。但对确定 扰动持续时间大于或小于1 个工频周期的情况，没有给出相应的算法。文献【1 4 】 通过监测信号的差变信号，检测是否有扰动出现并确定扰动起始时刻，然后分 析扰动的持续时间检出其小于、等于或大于1 个工频周期的结束时刻。 然而现有的差变算法不能用于检测周期性的扰动信号，并且在两种扰动相 邻发生时( 小于一个工频周波) 往往也不能准确定位信号的各个扰动 小波变换由于具有时频局部化特性，利用小波模极大值原理可实现对扰动 信号突变点的检测，因此在目前电能质量检测定位研究中得到了广泛应用。文 献【6 】提出一种基于小波变换模极大值的电能质量扰动的检测与定位方法。在小 波变换域，信号的光滑程度能够由不同尺度的小波系数绝对值的衰减估计，其 定量指标就是信号的李氏指数。当信号突变时，李氏指数也会突变。文献【7 】提 出在小波变换方案中采用m o r l e t t j 、波能够精确地检测出扰动并对扰动进行时间 定位。文献 1 5 】利用d a u b e c h i e s 小波检测电能质量扰动，其中提出用3 种 d a u b e e h i e s t j 、波：d a u b 4 ，d a u b l 2 和d a u b 2 0 ，并通过比较，指出d a u b 4 j 、波能得到 最好的检测结果。文献 1 8 。1 9 采用多分辨率分析对暂态扰动进行检测与定位， 结果表明基于小波变换的扰动检测方法非常适合暂态扰动检测。文献 1 8 l 根据信 号在不同尺度的分解特性，也选用d a u b 4 d 、波对信号进行了4 个尺度的信号分解 3 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 检测扰动。两个运用此方法进行电能质量扰动检测的实例说明了这种方法的有 效性。 然而小波变换性能在很大程度上依赖于小波基的选取。不同小波基对电能 质量扰动检测定位结果的影响很大1 6 3 ”，因此如何选择小波基是小波在电能质 量扰动检测定位研究中要解决的关键问题之一。同时，目前小波分析还缺乏有 效的快速算法，很难满足实时性的要求。 1 2 2 短时电能质量扰动识别 由于短时电能质量己成为影响许多用电设备正常、安全运行的最严重的电 能质量问题，因此，为了提高电能质量，减少由它引起的电力系统事故，那么 对短时电能质量实行正确监测、识别是十分必要的。 文献 2 0 1 介绍了一种基于时频分布的电能质量扰动检测方法。利用瞬时无功 功率提取电能质量扰动信号中的基频分量，得到加载在其上的各种扰动并在时 频域上展开成对应时频特性图。不足之处在于时频分布的计算量非常大，无法 实现电能质量扰动的实时检测。 文献【2 l 】应用专家系统对电压暂降和短时断电扰动进行识别和分类，采用分 段方法将扰动信号分为多段，随后按照一定的规则对其进行分类。 文献【8 】使用连续小波变换对电压骤降和暂态进行检测和特征分析。通过对 电压骤降和暂态时频图的分析可大致确定扰动发生时间：高频峰值代表扰动信 号突变点，即扰动发生时刻。这种检测方法对小波基和频率间隔要求很严格， 对一些低频振荡，时频图显得较为模糊。 文献 2 2 1 使用傅立叶变换和小波变换对电能质量扰动进行特征分析。文中 主要对变压器充电扰动、换流器操作、电容器充电暂态进行分析由小波变换 高频系数地模平方极大值能确定扰动时间，通过傅立叶分析可得到振荡频率。 通过仿真得到了预期的效果。文献 2 3 2 5 1 提出用小波变换标准差曲线来区分电 压骤降、电压骤升和短时停电。当电压降到基准电压的3 0 以下时，电压骤降 和短时停电的标准差曲线发生了交叉，使二者不易区分。 文献 2 6 1 提出用一个模糊专家系统和傅立叶线性组合器进行电力系统扰动 识别，识别过程较复杂。 随着拓扑学的引入和训练算法的发展，人工神经网络( 触呵n ) 在电力系统 4 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 中的应用目益显示其有效性。为了更好地进行电能质量扰动分析，常将小波变 换与a n n 相结合，如文献 2 7 2 9 。一般先进行小波变换判别扰动是否发生，之 后提取电能质量扰动信号的特征信息，作为a n n 的输入数据，a n n 进行训练后 可识别出扰动类型。然而一种特定的a n n 只能用于检测一种扰动类型，要检测 其他扰动，a n n 结构需要重构，并重新训练，大大增加了工作量。 1 9 9 8 年，美籍华) d 、l o r d e ne h u a n g 等人提出一种新的非线性，非平稳信号 的时频分析方法r - - - - h i l b e r t - h u a n g 变换( h i - i t ) 。它以瞬时频率为基本量，以 固有模态为基本信号。与傅立叶分解和小波分解不同，该方法是一种无需任何 先验知识的自适应的时频分析方法。它的分解基依赖于信号本身，数据的分解 有真实的物理意义，且有更高的时频分辨率，与以往的时频分析方法相比有明 显的区别，在应用中已表现出了独特的优点。文献 3 1 - 3 3 在旋转机械振动信号 分析中分别将h i - i t 方法与w i n g e r 分布，小波变换，短时傅立叶变换相比较，研 究结果表明f r 方法在此类非平稳信号分析上更加有效。 由于r r 方法在非平稳，非线性信号应用分析上的显著效果，它已成功地 应用于海洋科学 3 4 - 3 6 】，故障诊断m - 3 9 1 ，地震，语音1 ，金融蚓和生物医学 ”1 等应用领域。然而目前m 玎方法在电力系统方面的应用还较少【4 6 8 】，而在 电能质量检测方面，文献【4 9 】首先将m 玎方法应用于电压凹陷、电压凸起、电压 间断、暂态震荡、暂态脉冲、谐波和电压闪变与波动等电能质量扰动信号的检 测及时频分析中，仿真结果表明该方法是非平稳的电能质量扰动信号分析的一 种有效的新方法。文献 5 0 1 将i - i i l b e r t - h u a n g 变换方法用于检测与时频分析典型的 电能质量扰动信号，如谐波、电压闪变与波动信号从时域和频域两方面同时 对信号进行分析，能够准确检测出突变、非平稳谐波和电压闪变信号的时间、 频率和幅值信息。文献1 5 1 将基于e m d 的h n b e r t 变换引入到电力系统暂态信号分 析中，对故障暂态和扰动信号进行了分析，通过瞬时频率进行故障暂态和扰动 时刻的准确定位，同小波变换方法以及傅立叶幅值谱结果进行了比较，显示了 明显的优越性。 尽管h h t 在电能质量检测中显示了优越的检测效果，然而该方法对具有不 同的频率成分的信号，其检测性能和效率差异较大。同时，信号的扰动突变会 使得e m d 产生模态混叠现象，导致扰动检测性能降低，更可能使得h i - i t 方法 无法正确识别扰动类型。 1 2 3 间谐波测量分析 传统的f f t 算法是分析谐波的主要工具，然而该方法在信号中含有间谐波的 情况下，很难实现信号的同步采样，因而在分析时存在着严重的频谱泄漏，导 致结果具有很大误差。针对f f r 存在的问题，国内外的学者提出了加窗插值修正 算法及其改进算法1 5 2 - j 7 】，有效地抑制了频谱泄漏以及栏栅效应造成的误差，提 高了谐波和问谐波检测精度。文献 5 2 1 首先提出一种插值算法，通过查找准确的 信号频率，进而提高各参数的计算精度，但该种算法在计算某次谐波参数的时 候，对临近谐波缺乏抗干扰能力。文献 5 3 1 在插值算法的基础上，利用汉宁 ( h a n n i n g ) 窗减少泄漏，也即减少谐波间的相互干扰，从而进一步提高了计算精 度。文献【5 6 】提出一种基于两根谱线的加权平均修正幅值的双峰谱线修正算法， 能够进一步抑制泄漏和干扰，提高整数次谐波的计算精度。 然而现有加窗插值f f t 算法通常是在已知仿真信号频率成分分布的情况下， 由所求频率附近谱线进行结果修正。然而，对于实际信号，其各次谐波和间谐 波频率成分往往是不能事先确定的，那么在信号f f t 的频谱中，就不能很好地确 定哪些谱线是信号的实际频率分量，哪些是频谱泄漏所产生的虚假谱线，这将 为采用谱线插值修正带来诸多不便。 文献 5 8 1 结合连续小波变换和傅立叶变换的特点，提出了利用小波变换系 数傅立叶变换幅值来分离非整数次谐波的算法然而现有的小波均无法实现谐 波的精确测量，必须构造分频严格，能量集中的小波函数，以改善测量精度御l 。 文献 6 0 - 6 2 1 讨论了间谐波的估计方法。文献 6 0 l 采用f f t 、d f t 和c z t 算法 相结合的方法分析间谐波参数，分析窗宽度高达9 0 个信号周期。文献 6 1 1 应用 p r o n y 方法和m 矾n o r m 方法估计间谐波，其主要特点是分析窗宽度较小( 3 个信号周期左右) ，但其计算量大，同时估计精度依赖于谐波和间谐波次数的 估计。文献【6 2 l 提出采用a r 谱估计方法检测间谐波，仿真验证了该方法能够在 较短的采样时间内准确检测出频率邻近的间谐波成分和多个间谐波分量，但不 能进行幅值和相位的精确计算。 文献 6 3 1 提出基于支持向量机的谐波和间谐波分析方法，并采用迭代最d - - 乘算法求解以克服指数计算复杂度的困难。然而该方法计算量较大，仅同传统 f f r 分析方法比较，而没有和其它方法进行相关比较。 6 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 文献 6 4 1 1 6 5 1 提出了分两步处理间谐波的方法，但此方法需要预先比较精 确地估计出频率，并且还假设间谐波在第一次d f t j 垂算时对各次谐波分量的影 响可以忽略不计。， 文献1 6 6 1 研究采用时域平均来抑制间谐波对谐波处理的影响，并提出采用一 个差分滤波器来检测间谐波。然而该方法必需选择适当的平均数才能通过时域 平均来抑制间谐波对谐波的影响，进而确保后续的差分滤波器对间谐波的检测 精度。 1 3 本文所做的工作 本文首先概述了电能质量的相关概念，并对本文研究的各类电能质量扰动 信号进行了介绍，然后对本文所提方法基于的相关理论原理( h i l b e r t - h u a n g 变 换方法、快速傅立叶变换和a r 谱估计) 作了相应的叙述。而本文的重点内容 则是详细的研究和探讨了在电能质量扰动信号的检测和定位，短时电压扰动检 测与识别以及电力系统问谐波参数测量这三个方面所提出的一些新方法和新思 路，其主要集中在以下几点： 1 通过对电能质量扰动信号的h i l b e r t - h u a n g 变换方法检测的性能、效率及 其相应原因的分析，基于经验模态分解方法的思想，提出电能质量扰动检测定 位的三角模态方法啡1 。并且通过对该方法所作的进一步简化和改进使得它更具 实用性。通过仿真可以看到：该方法可用于多种电能质量扰动信号的检测定位， 与小波检测，差变算法等方法相比较，该方法具有明显的优势。 ， 2 提出将三角模态检测与分段h i l b e r t - h u a n g 变换相结合的改进i - i h t 方法 嗍，用于短时电压扰动类型识别。通过三角模态检测定位电能质量扰动的起止 时刻，然后以扰动起止时刻点为界信号分三段进行h i l b e r t - h u a n g 变换，求取各 段对应基波模态的瞬时幅值包络，最后综合三部分基波幅值包络的情况，判定 扰动类型。该方法能够克服i - i h t 方法在检测应用中的不足。 3 提出将三角模态检测与分段t e a g e r 能量算子( t e o ) 解调方法相结合的 方法蜘，用于短时电压扰动类型识别。利用能量算子解调方法在计算信号幅值 包络精度和速度方面的优势，采用能量算予解调方法代替2 中的h i l b e r t 变换来 求取三段对应基波模态的瞬时幅值包络，识别扰动类型。进一步减少了运算量， 提高了运算速度和精度。 7 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 4 提出基于a r 模型谱估计与双峰谱线修正算法相结合的间谐波参数测量 分析方法 9 4 1 。对实际测量信号，根据信号的a r 谱估计确定其频率分布进行f f t 的双谱线插值修正。同时。提出由谱估计确定b l a c k m a n - h a r d s 窗插值修正所需 最小数据长度的方法，并采用多项式逼近的方法导出b l a c k m a n - h a r r i s 窗插值算 法的简单修正公式。在减少f f t 计算量的同时保证了结果的高精度。仿真结果 表明了该方法的有效性。 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 电能质量扰动概述 2 1 电能质量的概念 由于人们看待问题的角度不同，对电能质量定义的理解也不尽相同。电力 部门可能将电能质量定义为可靠性；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；而电力设备厂家可能将电能质量定义为供电特性能够保证 设备正常运行，对于不同的设备及制造厂家差别也很大。最初人们谈到电压和 电流干扰电气设备正常供电和供应的电力质量问题时，使用的技术术语很不规 范。不同文献中分别采用了“电压质量”( v o l t a g eq u a l i t y ) ，“电流质量”( c u r r e n t q u a l i t y ) ，“用电质量”( q u a l i t yo f c o n s u m p t i o n ) ，“供电质量”( q u a l i t yo f s u p p l y ) 等术语。据报道，在1 9 6 8 年发表的一篇关于电子设备电源规范的论文中最先使 用了“电能质量( p o w e rq u a l i t y ) ”，此后越来越多的研究者表现出对电能质量的 关心。 对于电能质量这一概念，i e e e 技术协调委员会正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这 一术语，并且给出了相应的定义蜘：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是均适合该设备正常工作的。这个定义的缺点是不够直接 和简明。文献 2 】采用的电能质量定义为：导致用户设备故障或不能正常工作的 电压、电流或频率偏差。这个定义较简洁，也概括了电能质量问题的成因和后 果。当然这里的偏差应广义理解，甚至应包括供电可靠性。 实际上，供电系统只能控制电压的高低，不能控制某一负载汲取的电流的 大小。因而大多数情况是在讨论电压质量问题。本文中的电能质量主要指电压 质量。 2 2 电能质量的常见扰动信号 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。 稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括长期电压变化，三相电压不平 衡，电压波动与闪变，谐波与问谐波等持久性电压或频率变化。暂态电能质量 问题通常是以频率和暂态持续时间为特征。主要包括短时电压变化和各种暂态 现象，其中短时电压变化包括电压骤降，电压骤升，短时停电，这些都是近年 来暴露出来的电能质量新问题，电能质量问题的详细划分可见相关标准。 9 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 下面就本文所研究的有关电能质量扰动信号进行简单介绍。 2 2 1 稳态扰动 2 2 1 1 谐波 电网谐波就是电网正弦电压波形畸变后，按傅立叶级数分解得到的除指定 运行频率( 基频) 外的一系列基频整数倍的正弦波。谐波产生的根本原因是由 于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成 线性关系而造成的波形畸变。这些向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产 生谐波电压的设备称为谐波源，而这些谐波源主要可以分为两大类：1 含半导 体非线性元件的谐波源，主要为各种交直流换流装置( 整流器、逆变器) 、双相 晶闸管、可控开关设备等。在系统内部，则如直流输电中的整流阀和逆变阀等， 其非线性呈现交流波形的开关切合和换相特性。2 含电弧和铁磁非线性设备的 谐波源，主要是各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性是非线 性的；各种炼钢电弧炉以及交流电弧焊机，其非线性呈现电弧电压与电弧电流 之间不规则的、随机变化的伏安特性。图2 1 是一谐波电压波形。 图2 1 谐波电压信号 谐波对电力网的污染日益严重，其产生的主要危害有： 1 谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电 设备的效率。 2 大量的三次谐波电流流过中性线时将使线路过热甚至发生火灾。 3 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电 压。谐波使变压器局部过热，使电容器、电缆等设备产生过热和绝缘老化，寿 命缩短，加速损坏。 1 0 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 4 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 引发严重事故。 5 使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量。 6 谐波会导致继电保护和自动装置误动作。 7 谐波对临近通信系统产生干扰，降低通信质量，甚至使通信系统无法正 常工作。 2 2 1 2 间谐波 问谐波是出现在谐波之间的，它的频率是基波频率的非整数倍【l o l ，例如2 6 ， 5 4 等。产生间谐波的装置有直流联接类型的大型调速设备、变频器、k r a m e r 驱动设备、牵引驱动设备，尤其是那些使用三相交流电动机的牵引驱动设备以 及高压直流输电系统等。图2 2 是一间谐波电压波形。 由于调频器以及类似用电装置的发展，电网中间谐波在日益增加。在有些 情况下，即使间谐波水平很低，也会引起闪变或干扰音频控制系统。研究证明， 间谐波电压必须限制到足够低的水平： ( 1 ) 2 5 h z 以下间谐波应限制到0 2 以下，以免引起灯光闪烁( 闪变) ； ( 2 ) 2 5 k h z 以下的间谐波电压应不超过0 5 ，否则会干扰电视机，引起感 应式电动机噪声和振动以及低频继电器的异常； ( 3 ) 2 5 5 k h z 的间谐波电压如超过0 3 ，则会引起无线电收音机或其它音频 设备的噪音； 鉴于以上的研究结果，i e c 6 1 0 0 0 - 3 - 6 中建议将间谐波电压水平限制n o 2 以下。 另外，在工程中如出现间谐波严重放大情况时，同样会危及设备的安全运 行。这在使用无源滤波器的场合经常会发生。 ，5 1 0 5 0 m 5 1 ，5 ( n 搴一培磐 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 图2 2 问谐波电压信号 2 2 1 3 电压波动与闪变 电压波动与闪变是指电压幅值在一定范围内有规则变动，电压最大与最小 值之差相对额定电压的百分比，或指定电压幅值不超过o 9 p p 1 1 p u ( 标幺值) 的一系列随机变化。 电压波动与闪变波形，在分析时可抽象地将工频电压看作载波，将波动电 压看作调幅波。波动电压可能是具有单一频率的正弦波，也可能是具有任意波 形的调幅波。电压波动引起人眼对灯闪的主观感觉叫做闪变，即人的视觉所觉 察到的由电压波动引起的光线变化。图2 3 为一电压闪变信号波形。 图2 3 电压闪变信号 电压波动与闪变形成的主要原因为： 1 用电设备具有冲击负荷或波动负荷，如电弧炉、炼钢炉、轧钢炉、电焊 机轨道交通、电气化铁路以及短路试验负荷等； 2 系统发生短路故障，引起电网电压波动和闪变； 3 系统设备自动投切时产生操作波的影响，如自动重合闸动作等； 4 系统遭受雷击引起电压波动与闪变； 电压波动与闪变的危害包括： 1 电照明灯光的闪烁，引起人的视觉疲劳甚至难以忍受； 2 电视机屏幕图像失真、摆动及亮度变化； 3 电机转速不均匀，影响产品质量甚至损坏电机； 4 电子计算机、监测和控制设备等工作不正常； 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 6 ) 2 2 2 暂态扰动 2 2 2 1 电压骤降 电压骤降，也称电压凹陷、电压跌落、电压下跌。i e e e 标准中电压骤降定 义为：供电系统中某点电压均方根值的跌落至额定值的1 0 9