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摘要 基于s 变换的电能质量扰动分析 摘要 随着国民经济和科学技术的迅猛发展，电力系统中的非线性、冲击性、 非对称性负荷显著增加，电能质量问题带来的经济损失越来越严重，如何 有效的治理电能质量问题已经成为广大科技工作者研究的重点。改善和提 高电能质量的首要前提是对电能质量扰动类型进行检测、分析与识别，只 有快速准确地检测出电能质量问题，并进行有效的分析，识别扰动的类型， 才能对其进行有效的控制和治理。 本文系统地分析了电能质量问题的分类、产生原因及主要分析方法， 并构建了电能质量扰动较完善的信号模型。利用目前电力系统中广泛应用 的时频分析方法小波变换，对暂态电能质量扰动进行了时间定位，并分析 了小波变换在处理电能质量扰动检测上的优点和性能。利用s 变换对常 见电能质量扰动的特征信息进行了检测，并分析了s 变换在处理电能质 量扰动检测上的优点。比较了小波变换和s 变换在处理电能质量扰动问 题时的区别，分析结果表明s 变换l l d , 波变换更适合应用于电能质量扰 动检测与识别领域。 为了实现电能质量扰动信号自动分类和识别，本文提出了一种基于s 变换和最小二乘支持向量机的电能质量扰动分类识别的新方法：s 变换主 要用于提取电能质量扰动的特征向量；最d , - - 乘支持向量机主要用于根据 提取的特征向量对电能质量扰动进行分类识别。仿真结果表明，该方法识 北京化工大学硕士学位论文 别准确率高，抗噪能力强，且训练样本少，训练时间短，适用于电能质量 扰动辨识系统。 最后，本文设计了基于d s p 5 4 1 6 的电能质量分析实验平台的硬件电 路，为进一步分析处理电能质量问题提供了基础。硬件电路主要由5 个部 分组成：数据采集模块、数据处理模块、串行通信模块、电源模块及复位 模块。其中数据采集模块由信号调理电路和模数转换电路构成，数据处理 模块主要由d s p 数字信号处理器及外围存储器件组成。 关键词：电能质量，扰动识别，s 变换，最小二乘支持向量机，d s p i i a b s l l r a c t p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s a n a l y s i s a n d b a s e do ns t r a n s f o r m a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fn a t i o n a l e c o n o m ya n d s c i e n t i f i c t e c h n o l o g y , ag r e a td e a l o fn o n l i n e a r , i m p a c ta n du n s y m m e t r i c a ll o a d i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yi nt h ep o w e rs y s t e m ，p o w e rq u a l i t yp r o b l e m sc a u s e d m o r ea n dm o r es e r i o u se c o n o m i cl o s s e s ，h o wt oe f f e c t i v e l yr e d u c et h ei m p a c t o fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sh a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u so ft h et e c h n o l o g y w o r k e r s t h ef i r s ts t e pt oi m p r o v et h ep o w e r q u a l i t yi st h ed e t e c t i o n ，a n a l y s i s a n di d e n t i f i c a t i o no fp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s o n l yt od e t e c tp o w e rq u a l i t y p r o b l e m sr a p i d l ya n da c c u r a t e l y , c o n d u c te f f e c t i v e l ya n a l y s i s ，a n di d e n t i f yt h e t y p eo fd i s t u r b a n c e s ，p o w e rq u a l i t yp r o b l e m sc a nb ec o n t r o l e da n dg o v e r n e d e f f e c t i v e l y t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y s e dt h ec l a s s i f i c a t i o n ，c a u s e sa n da n a l y s i s m e t h o do fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sa n de s t a b l i s h e dt h es i g n a lm o d e l so fp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c e s ，i d e n t i f i e dt h et i m eo ft h et r a n s i e n tp o w e rq u a l i t y d i s t u r b a n c e sb yu s i n gt h ew a v e l e tt r a n s f o r ma n da n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h ew a l v e l e tt r a n s f o r mi np r o c e s s i n gp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s ，a n d d e t e c t e dt h ef e a t u r eo fc o m m o np o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e sb yu s i n gt h e s - t r a n s f o r ma n da n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es - t r a n s f o r mi nd e t e c t i n g 北京化工大学硕一f 二学位论文 p o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s t h ec o m p a r i s o no ft h ew a v e l e tt r a n s f o r ma n d s - t r a n s f o r mi n d e a l i n g w i t h p o w e rq u a l i t y d i s t u r b a n c e ss h o w e dt h e s - t r a n s f o r mw a sm o r es u i t a b l ef o rt h ea r e ao fp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s d e t e c t i o na n di d e n t i f i c a t i o n i no r d e rt oa c h i e v ea u t o m a t i cc l a s s f i c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o no fp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c e s ，an e wm e t h o db a s e do ns - t r a n s f o r ma n dl e a s ts q u a r e s u p p o r tv e c t o rm a c h i n ew a sp r o p o s e d s - t r a n s f o r mw a su s e df o re x t r a c t i n gt h e f e a t u r ev e c t o ro fp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e sa n dt h el e a s ts q u a r es u p p o r t v e c t o rw a su s e df o rc l a s s i f i c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o no fp o w e rq u a l i t y d i s t u r b a n c e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dh a da n g o o dp e r f o r m a n c eo nc o r r e c tr a t i oa n dt r a i n i n gs p e e d ，a n ds t r o n gr e s i s t a n c e s t o n o s i e s ，s o i ti ss u i t a b l et oc l a s s i f i c a t i o n s y s t e m f o rp o w e rq u a l i t y d i s t u r b a n c e s f i n a l l y , t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ep o w e rq u a l i t ya n a l y s i se x p e r i m e n t a l p l a t f o r mb a s e do nd s p 5 416w a sd e s i g n e d t h eh a r d w a r ec i r c u i tp r o v i d e da b a s i sf o rf u t u r ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go fp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s t h e h a r d w a r ec i r c u i tw a sm a d eu po ft h ef o l l o w i n gf i v ep a a s ：d a t aa c q u i s i t i o n c i r c u i t ，d a t ap r o c e s s i n gc i r c u i t ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，p o w e rc i r c u i ta n d r e s e tc i r c u i t t h ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i tc o n s i s t e do fs i g n a lc o n d i t i o n i n g c i r c u i ta n da n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t t h ed a t ap r o c e s s i n gc i r c u i tw a s m a i n l yc o m p o s e do ft h ed s p 5 4 16a n de x t e r n a ls t o r a g ed e c i v e s i v a b s t r a c t k e yw 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 si d e n t i f i c a t i o n ，s - t r a n s f o r m ， l e a s ts q u a r es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ，d s p v 北京化工大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，本论文不含 任何其他个人或集体己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，均己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。 作者签名：鍪当殖日期： 2 q 碰：上，2 笸 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 愁! 荛缢 日期： 包丝。2 笸 导师签名： 日期： 卫匣：曼12 ( 第一章绪论 1 1 选题的背景与意义 第一章绪论 随着科学技术和国民经济的发展，电能作为一种最为广泛使用的能源，其应用程 度已经成为一个国家经济发展水平的重要标志。电能既是一种经济、实用、清洁且易 控制和转换的能源形态，又是电力部门向电力用户提供由发、供、用三方共同保证质 量的一种特殊产品【l 】。如今，随着电能在工农业生产和人民日常生活中的广泛使用， 电能作为走进市场的商品，与其它商品一样，无疑也应讲求质量。 如今，电能质量问题已成为电工领域的前沿性课题，吸引了众多电力科技工作者 的广泛关注。主要原因如下： ( 1 ) 现代电力系统中用电负荷结构发生了重大变化，诸如半导体整流器、晶闸管 调压及变频调速装置、炼钢电弧炉、电气化铁路和家用电器等负荷大量应用，由于其 非线性、冲击性以及不平衡的用电特性，使电网的电压波形发生畸变，或引起电压波 动、闪变和三相不平衡，甚至导致系统频率波动等，对供电电能质量造成严重的干扰 或污染 2 1 。 ( 2 ) 随着计算机和半导体技术的迅猛发展，以计算机和微处理器为核心的电子设 备和精密仪器对电能质量提出了越来越高的要求。一个计算中心失去电压2 秒就可能 破坏几十个小时的处理结果或者损失几十万美元的产值。当今自动化设备的连续精密 加工生产，不论是变速拖动还是机器人，工作母机还是自动化生产线，例如柔性制造 系统或计算机综合制造系统，他们对配电系统中的干扰非常敏感，甚至几分之一秒的 不j 下常就可能对整个生产线造成严重的影响【2 】。 ( 3 ) 电能作为一种清洁、高效的能源正以特殊商品的形式在人们生活中扮演着越 来越重要的角色。在这样一个开放的市场机制下，千百万用户对电能这种特殊的商品 的质量提出了越来越高的要求。 近几十年来，电能质量问题给世界众多的国家带来过严重的经济损失。1 9 7 8 年1 2 月1 9 日，法国电网发生电压崩溃事故，造成7 5 的负荷停电，停电时间长达8 个小时。 1 9 8 7 年7 月2 3 日，日本东京电网发生电压崩溃事故，有8 1 6 8 m w 的负荷停电，停电时间 长达3 小时2 1 分。2 0 0 3 年8 月1 4 日下午出现的大停电，波及美国从中西部到东北部的8 个大州和加拿大的局部地区，美国部分地区停电时间长达2 天，纽约市停电2 9 d , 时， 经济损失达7 0 亿美元，是美国历史上最严重的停电事故【3 1 。2 0 0 5 年5 月2 5 日俄罗斯大停 电，波及城市2 5 座，损失1 0 亿美元。由此可见，劣质电能引发电网大面积停电，直接 造成用户生产力的下降，给国民经济带来了严重的创伤。为了保证供电质量和系统的 北京化工大学硕士学位论文 安全、稳定、经济运行，对电能质量问题进行科学地研究进而有效地加以控制就显得 十分必要而且迫切了。 随着电能质量问题的危害日益显著，不仅要对出现的电能质量现象进行快速的检 测和定位，还要进一步分析，提取扰动特征，辨识出各种电能质量扰动类型，为此电 力部门可以确定引起电能质量问题的原因并采取针对性的解决办法，对于确保社会生 产和人民生活的优质供电，以最小程度减少对现代工业、企业和重要电力用户的影响， 具有十分重要的意义。 1 2 电能质量问题的定义与分类 1 2 1 电能质量问题的定义 从普遍意义讲，电能质量是指优质供电。但是由于人们看问题的角度不同，迄今 为止，对电能质量的含义仍然没有一个准确、统一的定义【4 l 。例如，电力部门可能把 电能质量定义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 是安全 可靠运行的【5 】；电力用户则可能把电能质量简单定义为是否符合正常供电。目前，比 较广泛的定义有以下两种； ( 1 ) 美国电子电气工程师协会( i e e e ) 已j - l ：式采用“p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 这一 术语，并且给出了相应的定义：“合格电能质量的概念是指给敏感设备提供的电力和 设置的接地系统是均适合于该设备正常工作的。由于这个定义比较模糊，许多文 献和报告还采用一些并未得到公认的术语和补充定义使该定义更加清晰明了，如文献 【6 】中将电能质量定义为：“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”。 ( 2 ) 国际电工委员会( i e c ) 并没有采用“p o w e rq u a l i t y ( 电能质量) 这一术语，而 是提出使用“e m c ”( 电磁兼容) 术语，指出和强调设备与设备之间的相互作用和影响， 以及电源与设备之间的相互作用和影响，并在此基础上制定了一系列相关的电磁兼容 标准。在i e c 提出的电磁兼容概念中，采用排放来表示由设备产生的电磁污染，它反 映出电流质量问题，采用抗扰来表示设备免除电磁污染的能力，它与电压质量相关1 7 】。 由此可见，虽然电磁兼容与电能质量两种术语属于不同性质的概念和不同范畴的标准 体系，但二者确有很大的兼容性。 由于电能质量术语较电磁兼容术语更具有实用价值，本文就以电能质量的概念来 说明当前电力系统中存在的电压和电流以及频率偏差等相关的问题。 2 第一章绪论 1 2 2 电能质量问题的分类 为了系统地分析研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分析，从而找出 引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决办法，将电能质量问题进行分类并给出 相应的定义是很重要的。近十几年来，在国际电工界影响力比较广泛的分类方式主要 包括i e c 提出的电磁扰动现象分类以及i e e e 制定的电力系统电磁现象特性参数及分 类等。 i e c 提出的电磁扰动现象分类是以电磁现象以及相互干扰的途径和频率特性为 基础。基本现象分类如下【l 】： ( 1 ) 传导型低频现象：谐波、间谐波、电力线载波、电压波动、电压凹陷、电压 中断、电压不对称、工频偏差、感应低频电压、交流电网中的直流分量； ( 2 ) 辐射型低频现象：工频电磁场； ( 3 ) 传导型高频现象：感应连续电压或电流、单方向瞬变、振荡性瞬变； ( 4 ) 辐射型高频现象：磁场、电场、电磁场、连续波、瞬变； ( 5 ) 静电放电现象； ( 6 ) 核电磁脉冲。 i e e e 将电力系统中的电能质量问题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，主要包括谐波、间谐波、缺口、噪声以及电压不平衡等；暂态电 能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，主要包括电压中断、电压凹陷、电 压凸起、脉冲暂态和振荡暂态等。i e e e 关于电能质量领域电磁现象的具体分类如表 1 1 所示f 引。可以说，表1 1 提供了一个清晰描述电能质量现象及电磁干扰现象的实用 工具。 1 2 3 电能质量问题的产生原因、危害及常用的分析方法 电能质量问题产生的原因较为复杂，发生的频度也很偶然，它主要是系统遭受外 来干扰、内部故障及正常操作中产生的，而且与电网结构、电网联系强度及敏感设备 的用电特性等因素有关。常见引起电能质量问题的原因有电力系统短路故障、闪络或 线路对地放电、电力系统的开关操作、储能性电器设备的启动及一些冲击性负荷的生 产过程等。 随着现代电力系统中用电负荷结构的调整，及计算机技术和半导体技术的迅猛发 展，电能质量问题带来的危害日益显著。如谐波等稳态电能质量问题会损坏系统设备， 使系统设备过热、继电保护误动及设备绝缘破坏；电压中断、凹陷和凸起会使设备停 运、敏感负载不能正常运行；电压缺口会使计时器计时错误并且造成电力通信干扰； 电压闪变会使伺服电机运行不正常；噪声会造成微处理器控制设备运行出错。据美国 3 北京化- t 大学硕士学位论文 电力科学研究院j a n ec l e i i 瑚即s 锄的粗略估计，认为当今和电能质量相关的问题在美 国每年造成的损失高达2 6 0 亿美元，可见电能质量问题带来的经济损失是巨大的【9 】。 表1 - 1i e e e 电力系统电磁现象的特性及分类 t a b l e1 - 1c l l a r a e t e r sa n d c a t e g o r i e so f e l e c t r o m a g n e t i cp h e n o m e n o n 种类 典型频谱成分典型持续时间典型电压幅值 纳秒级5 n s l m s 态 低频 l m i n 0 8 - 0 9 p u 动 过电压 l m i n 1 1 - 1 2 p u 电胜小平衡稳态o 5 2 直流偏移稳态0 m 1 谐波稳态0 2 0 波形失真 间谐波稳态o 2 陷波稳态 噪声 带宽 稳态0 1 电乐波动 2 5 h z 间歇 o 1 - 7 频率偏差 l o s 随着电能质量问题研究工作的深入，基于数字技术的各种分析方法在电能质量领 域中得到了广泛的应用。如果进行系统地分析，基于数字技术的各种分析方法可以分 为三大类【1 0 l ： ( 1 ) 时域仿真方法：就是利用各种时域计算机仿真程序对影响电网电能质量的各 种暂态现象进行研究的一种方法。 ( 2 ) 频域分析方法：主要是用来对影响电网电能质量的谐波问题进行研究的一种 分析方法。它包括频率扫描和谐波潮流计算等。 ( 3 ) 时频分析方法：主要是指傅立叶变换方法、短时傅立叶变换方法、小波变换 4 第一章绪论 方法及二次变换方法等。目前，基于变换域的分析方法是广大电力研究工作者关注的 重点。 根据i e e es t d1 1 5 9 2 0 0 9 对电能质量类型的定义，表1 2 给出了各种扰动的主要 特征指标【8 1 、产生原因及目前常用的分析方法。 表1 2 电能质量问题一览 类型特性主要特征指标主要产生原因 常用分析方法 上升时间；峰值：持续 脉冲暂态暂态雷击、感性电路开合等小波变换 时间 峰值；振荡频率；持续负载、线路、变压器和电 振荡暂态暂态 小波变换 时间容器投切 短时电压 暂态持续时间、幅值继电器切除，电机启动小波变换 中断 短时电压 发生及结束时间；持续 重负载启动，发电机供给 暂态小波变换 骤降时间；幅值；相移不足 短时电压发生及结束时间；持续重负载切除，提供电力过 暂态 小波变换 骤升时间；幅值；相移多 持续电压 稳态持续时问；方均根值线路切除 小波变换 中断 长时欠电 稳态持续时间；方均根值供用电不平衡小波变换 压 长时过电 稳态持续时间；方均根值提供能量过多 小波变换 压 电压波动波动幅值；出现频率；交、直流电弧炉，电机启 稳态 检波 与闪变调制频率 动 电压不平 稳态不平衡因子 三相不对称负载 d q 变换 衡 谐波频谱：各次谐波幅非线性负载，固态开关负 谐波稳态傅立叶变换 值；电压电流波形载 间谐波频谱；各次间谐 间谐波稳态周波变换器等 傅立叶变换 波幅值 陷波稳态持续时间；幅值电力电子变换器小波变换 噪声稳态持续时间；幅值e m i ，环境震动等小波变换 5 北京化工大学硕士学位论文 1 3 电能质量标准 随着电力市场化的进程不断深入，由于质量问题引起供用电双方的纠纷是不可避 免的，因此作为纠纷仲裁的主要依据，制定详细的电能质量标准是必不可少的。 1 3 1 电能质量国家标准 表l - 3 电能质量国家标准 标准编号 标准名称 g b t 1 5 6 - 2 0 0 7 标准电压 g b 厂r l2 3 2 5 - 2 0 0 8 电能质量供电电压偏差 g b 厂r 1 5 9 4 5 2 0 0 8 电能质量电力系统频率偏差 g b 厂r 15 5 4 3 2 0 0 8 电能质量三相电压不平衡 g b 厂n2 3 2 6 2 0 0 8 电能质量电压波动和闪变 g b t1 4 5 4 9 19 9 3 电能质量公用电网谐波 g b 厂r 2 4 3 3 7 2 0 0 9电能质量公用电网间谐波 g b 厂r 1 9 8 6 2 2 0 0 5 电能质量监测设备通用要求 我国对电能质量的研究仍处于初级阶段，但也取得了相当的进展。到2 0 0 9 年底， 我国国家质量技术监督局相继发布了八项电能质量国家标准，表1 - 3 给出了这八项电 能质量国家标准的概要【l l 1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 ”6 , 1 7 , 1 s 。 1 3 2 电能质量国际标准 各国在制定电能质量标准时，均会权衡供用电双方的投入比重，并受制于电力供 求关系和技术经济发展水平。然而，对于标准某一规定值作出确切的技术经济估算几 乎是不可能的，而且标准只可能具有统计意义的合理性。因此尽管电能质量标准至今 尚未统一，但随着国际贸易的发展和各国技术交流的需要，标准的国际化趋势是不可 避免的。 目前，关于电能质量相关的国际标准主要有i e c6 1 0 0 0 系列标准，欧盟e n 5 0 1 6 0 标准，以及i e e es t d1 1 5 9 标准等。 为了统一各国的有关电气标准和规范，i e c 制定了6 1 0 0 0 系列标准，包括6 个部 分1 2 1 ： ( 1 ) 6 1 0 0 0 1 ：总论，包括总的考虑、定义、术语； ( 2 ) 6 1 0 0 0 2 ：环境，包括环境描述、环境的分类、兼容水平； 6 第一章绪论 ( 3 ) 6 1 0 0 0 3 - 限值，包括发射值、抗扰限值； ( 4 ) 6 1 0 0 0 - 4 ：试验和测量技术，包括测量技术、试验技术； ( 5 ) 6 1 0 0 0 5 ：安装和抑制导则，包括安装导则、抑制的方法和装置； ( 6 ) 6 1 0 0 0 6 ：杂项。 i e e e1 1 5 9 工作组及下属三个分会从1 9 9 5 年开始，致力于电能质量监测标准的制 定，经过这十几年的发展，取得了一定的成就，主要的成果如下： ( 1 ) i e e e l l 5 9 2 0 0 9 ：电能质量检测的推荐标准瞄】； ( 2 ) i e e e l l 5 9 1 ：各种类型电能质量干扰事件的记录和数据采集基本要求【1 9 1 ； ( 3 ) i e e e i1 5 9 2 ：各种类型电能质量干扰事件的特性分析【2 0 j ； ( 4 ) i e e e l l 5 9 3 - 电能质量数据交换格式【2 1 1 。 虽然，以上国际标准还不是十分完善，但这些标准的制定为电能质量问题的研究 指明了方向。本文主要依据i e e es t d1 1 5 9 2 0 0 9 实现电能质量扰动的检测与识别。 1 4 电能质量分析的现状及发展趋势 以往，电能质量分析主要集中在谐波等稳态电能质量问题上。近年来，随着短时 电压中断、电压骤降、电压骤升、暂态振荡和暂态脉冲等暂态电能质量问题，给工业 生产和敏感负荷造成了严重的影响，已经成为电能质量分析的热点问题。 目前，电能质量分析方法主要可以分为2 类，即基于非时频分析的方法和基于时 频分析的方法。其中基于非时频的分析的方法主要包括：差变分析法、数学形态学、 分形、d p 变换和瞬时无功功率理论等方法；基于时频的分析的方法主要包括：小波变 换、短时傅立叶变换、二次变换、s 变换和h i b e r t h u a n g 变换等。大多非时频分析方 法因为其计算速度快，能实时跟踪扰动的变化，在特定电能质量扰动监测方面表现出 很强的优势，但是它们不能对信号进行时间和频率的联合检测。而电能质量扰动信号 般是非平稳信号，其统计特性是随时间变化的。对于非平稳信号局部特性的分析如 果依靠信号的局部变换，并使用时域和频域的二维联合表示，必将得到更加精确的描 述。时频分析的方法已经成为对电能质量分析的主要方法，也是电力工作者研究的热 点问题。 众多的处理方法被广泛应用于电能质量分析领域的研究，就电能质量本身而言主 要方面有：电能质量相关参数的计算、电能质量扰动检测与识别、电能质量信号去噪 及电能质量信号的压缩等。本文研究的重点是电能质量扰动检测与识别。 1 4 1 基于小波变换的电能质量扰动检测与识别 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ) 是8 0 年代后期发展起来的应用数学分支，是一种窗 7 北京化r t 大学硕士学位论文 口面积固定但窗形状可改变的时频局部化分析方法。小波变换最大的特点就是可以根 据待分析信号频率的不同，自动调节窗形状的大小，使得在低频部分具有较高的频率 分辨率和较低的时间分辨率；在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨 率。正是因为这种特性，使得小波变换作为一种调和分析方法引入工程界后，已在图 像处理、数据压缩、地震勘探及电能质量分析等领域得到了广泛的应用。 1 9 9 6 年，s a n t o s os 等人发表的基于小波变换和人工神经网络对电能质量扰动 信号进行识别中【2 2 1 ，利用小波变换对电能质量扰动进行特征提取，再借助人工神经 网络实现了常见电能质量扰动的有效识别。2 0 0 0 年，s a n t o s os 等人，提出了完整的基 于小波变换和神经网络分类器的电能质量扰动波形识别的实现方法【2 3 2 4 。这三篇文章 对小波理论在电能质量分析领域中的应用起到了重要的作用。 2 0 0 2 年，华北电力大学张智远等人发表的基于小波变换和进化神经网络的电能 质量动态扰动自动识别中针对人工神经网络收敛性不足等问题【2 5 1 ，提出了利用小波 变换对电能质量扰动进行特征提取，并借助遗传算法设计的模式特征分类器对电能质 量扰动信号进行了分类识别。 2 0 0 4 年，g m i n g 等人发表的基于小波变换和概率神经网络的电能质量扰动分类 识别中针对传统神经网络训练速度慢等问题【2 6 1 ，提出了利用d b 4 小波变换得到扰 动信号各尺度能量特征，输入三层概率神经网络，并借助贝叶斯分类器实现了6 种单 一扰动的分类识别。 2 0 0 5 年，a b d e l g a l i ltk 等人发表的基于隐马尔可夫模型和矢量量化的电能 质量扰动分类中针对传统神经网络结构复杂等问题【2 7 1 ，在利用小波变换进行电能质 量扰动特征提取的基础上，提出了利用隐马尔可夫模型和矢量量化相结合的方法，实 现了电能质量扰动的识别。 2 0 0 7 年，四川大学何为等人发表的基于第二代小波变换和离散隐马尔可夫模型 的电能质量动态扰动分类中针对传统小波计算量大等问题【2 引，提出了利用第二代 小波变换对电能质量扰动信号进行时频分析，经矢量量化后得到特征序列，然后将特 征序列输入到由隐马尔可夫模型构建的分类系统中，实现了电能质量扰动的分类。 2 0 0 9 年，s a m ie k i d 发表的基于支持向量机的电能质量扰动分类中针对传统 智能分类器训练样本量大等问题【2 9 1 ，在利用小波变换进行电能质量扰动特征提取的基 础上，提出了使用支持向量机构建分类器的方法，实现了电能质量扰动的识别。 基于小波变换的扰动识别方法一般是与特定的人工智能分类器相结合来实现的， 选用的人工智能分类器主要有多种人工神经网络( a n n ) 、模糊逻辑、隐马尔科夫模型 及模糊专家系统等。但这些方法有着明显的缺陷就是计算量大，导致在硬件实现上面 缺乏可行性。目前，对于选择合适的识别方法仍然是小波变换能更好的应用在电能质 量扰动检测与识别上的关键。 8 第一章绪论 1 4 2 基于短时傅里叶的电能质量扰动检测与识别 短时傅里叶变换( s t f t ) 是一种经典的线性时频分析方法，其本质思想是对信号进 行滑动加窗处理，并对加窗后得到的所有短时段信号进行f o u r i e r 变换，从而得到信 号的2 维时频分布矩阵，它能够反映信号的局部频谱特征，且易于理解。但是，s t f t 存在时间和频率分辨率的折衷性问题。同时，s t f r 窗口类型和宽度对信号处理结果 有很大的影响。 2 0 0 0 年，y u h u a 与h j b o l l e n 发表的电压扰动的时频与时间尺度分析中【3 0 j ， 尝试了利用不同宽度海明窗的s t f t 变换检测电压暂降信号的各频率分量频谱特征的 方法，并与小波变换结果进行了比较，得出在电能质量干扰检测方面s t f t 优于小波 变换的结论。 2 0 0 4 年，华北电力大学的赵成勇发表的基于特定频带的短时傅里叶分析中针 对s t 兀窗口宽度选择和定位的困难【3 1 1 ，提出了一种将小波变换和s t f t 相结合测量 暂态频率的方法，有效地检测出暂态故障信号的主要高次谐波成分。 2 0 0 7 年，d d e e a r a jj a y a s r e e 3 2 1 ，利用f f r 、s t i 叮及小波变换作为特征提取的手 段，分别结合人工神经网络对常见电能质量扰动进行分类识别，分析比较了这3 种方 法的优势与不足。 2 0 0 8 年，四川理工学院郭辉等人发表的基于短时傅里叶变换的电压间谐波分析 中【3 3 1 ，通过选取适当的窗函数，用s n 叮对含有间谐波的电压信号进行分析，使其时 频分辨率得到较大提高。与传统的f f t 分析方法相比较，该方法能获得更加精确的间 谐波时频特性。 由于s t f t 窗口宽度选择和定位比较困难，限制了s n 叮在电能质量扰动检测与 识别上的应用。但是，s t f t 具有检测信号独立频率分量的能力，在电能质量扰动检 测与识别方面的应用潜力还有待进一步挖掘。 1 4 3 基于s 变换的电能质量扰动检测与识别 s 变换是s t o c k w e l l 等人于1 9 9 6 年提出的一种时频分析方法，它继承和发展了小 波变换和s t f t 变换的局部化思想。利用s 变换可以独立分析信号各频率分量的幅值 变化特征，并且可以得到更高的频率分辨率【3 4 j 。 信号s 变换得到的幅值矩阵与s t f t 变换一样也为一个2 维矩阵，其行、列分别 对应采样点与频率值，矩阵元素对应时频点的幅值。目前，基于s 变换的电能质量扰 动检测与识别的方法一般是从待分析的扰动信号的s 变换幅值矩阵中提取特征，并借 助人工智能分类器实现的。 2 0 0 3 年，d a s h 等人发表的s 变换基于神经网络对电能质量干扰信号进行分类 9 北京化工大学硕上学位论文 中【3 5 】，提出将扰动信号进行s 变换后，分别借助前向神经网络和概率神经网络实现8 种单一扰动和两种复合扰动的识别，也正是d a s h 将s 变换引入到电能质量分析领域。 2 0 0 5 年，上海交通大学电气工程系占勇发表的基于s 变换的电能质量扰动支 持向量机分类识别中利用s 变换提取以下3 组特征向量f 蚓：s 变换幅值矩阵中与额 定频率对应的行向量、各频率对应的行向量的平均值组成的向量以及各频率对应得行 向量标准差组成的向量，并借助由6 个支持向量机分类器组成的分类树，实现了7 种 单一型电能质量干扰的有效识别。 2 0 0 6 年，中国农业大学赵凤展，杨仁刚发表的基于s 变换和时域分析的电能 质量扰动识别中针对以往识别方法计算量大、系统不稳定等问题【3 7 1 ，提出了利用s 变换幅值矩阵和时域信息直接提取与各类电能质量扰动相应的特征，并借助简单的规 则树实现了不同噪声水平下的多种电能质量扰动的有效识别。 2 0 0 8 年，h u i m i n 蛳等人发表的基于s 变换和决策树的电能质量扰动分类 中【3 8 】，提出了利用s 变换对电能质量扰动进行时频分析并提取其特征信息，再借助决 策树分类规则实现了电能质量扰动的分类。 2 0 0 9 年，中国湖南大学唐求，王耀南发表的基于s 变换和p n n 的电能质量多 扰动检测中【3 9 1 ，提出了利用s 变换对电能质量扰动信号进行特征量的提取，并借 助概率神经网络实现了单一扰动和复合扰动并存的有效识别。 目前，利用s 变换对电能质量扰动进行检测和识别，国内外关于该方面的还比较 少，且仅把s 变换单一地作为信号特征提取地手段。实际上，s 变换的结果为一复时 矩阵，本身包含了信号幅值、相位等重要的特征信息随时间和频率的分布状况，因此 充分利用这些信息对电能质量扰动进行更简便和有效的检测、分类识别，都还需要作 大量的研究，有着很广阔的应用前景。 i 4 4 基于h i b e r t - h u a n g 变换的电能质量扰动检测与识别 h i l b e r t h u a n g 变换( h h t ) h u a n gne 等人j ：1 9 9 8 年提出来的一种时频分析方法 4 0 l 。 基于h h t 的电能质量扰动检测与识别的方法，一般是将待分析的信号，通过经验模态 分解( e m d ) 方法进行平稳化处理，得到有限个本征模函数( i m f ) ，再对i m f 进行h i l b e r t 变换，利用瞬时频率和幅值检测信号的突变时间及各频率分量和幅度大小，并借助人 工智能分类器实现的。 2 0 0 5 年，李天云，赵妍等人发表的基于h h t 变换的电能质量检测新方法中【4 l j ， 利用h h t 变换实现了电压暂降和电压暂升信号的突变点定位，但当扰动发生在信号拐 点处或扰动为暂态振荡时，需要外加一特定的谐波信号才能实现扰动检测，因此该方 法在扰动未知的实际情况当中，不能实现自动特征提取和扰动识别，同时，该方法没 有考虑噪声的影响。 l o 第一章绪论 2 0 0 8 年，苏玉香，刘志刚等人发表的一种改善h h t 端点效应的新方法及其在电 能质量中的应用中针对h h t 变换存在严重端点效应的问题【4 2 】，提出了神经网络和镜 像延拓相结合的新方法，并将其应用到电力系统的谐波分析中，取得了较好的效果。 目前，利用h h t 变换对电能质量扰动进行检测和识别，国内外关于该方面的文 章很少。总的来说，h h t 变换进行电能质量扰动检测与识别的研究仍处于初级阶段， 现有的文章一般只给出了直观的分析图形，并没有给出量化的检测结果。 1 4 5 电能质量扰动检测与识别的发展趋势 由于电能质量问题的重要性，不仅要对电能质量扰动进行检测和识别，还要进一 步对其分析，这就导致了时频分析方法对于电能质量问题是不可缺的研究手段。 现代时频分析方法为电能质量扰动检测与识别提供了有效的工具，各种方法各有 千秋。其中，基于小波变换的方法最受研究者的青睐。虽然小波变换与不同人工智能 方法的组合使电能质量扰动自动识别成为可能，但小波变换不能单独提取任意频次的 信号，而且小波系数受噪声影响较大，这些缺陷使其无法定量检测含噪的、含谐波的 扰动信号的幅值特征，从而基于小波变换的扰动检测与识别方法在实际系统应用时有 较大的局限性。 基于h h t 的方法在无噪环境下也能较好地实现电能质量扰动检测。然而，实际系 统中必然含有噪声，不同噪声水平对电能质量扰动检测与识别方法的影响也是必须考 虑的因素。与此同时，h h t 变换存在端点效应问题，一定程度上也限制了h h t 在电能 质量扰动检测与识别上的应用。 对于基s 变换和s t f t 变换的方法，因为其变换结果与信号的频谱有简单的对应 关系，能够提取信号任意频率分量的特征，提取的这些扰动特征直观、易于理解，而 且抗噪能力强。目f j ，这两种方法逐渐显现出较小波变换和其他方法更强的扰动检测 与识别能力，并且借助f f t 变换可实现s 变换和s t f t 变换的快速计算。因此，进一 步研究利用s 变换、s t f t 变换或其他适宜的时频分析方法进行电能质量扰动检测和 特征提取，并选择适宜的、简单的分类器对电能质量扰动信号进行有效识别，将具有 很大的理论意义和实用前景。 1 5 本文的主要研究内容 本文在详细分析电能质量扰动检测与识别研究现状的基础上，可以明确对电能质 量问题的快速、精确检测，以及简单易行、高准确率的分类识别方法是实际电能监测 系统的主要要求。为此，本文主要研究的内容如下： ( 1 ) 根据电网中电能质量扰动信号的特点，依据i e e e 标准，构建了电能质量扰 = i 匕京化工大学硕十学位论文 动较完善的信号模型，分析能够准确反映电能质量扰动信号的特征信息。 ( 2 ) 利用小波变换对暂态电能质量扰动进行时间定位，通过实验数据分析小波变 换在电能质量扰动检测上的优势与不足。 ( 3 ) 深入研究s 变换理论，利用s 变换对常见电能质量扰动的特征信息进行检测， 通过检测结果分析s 变换在电能质量扰动检测上