（计算机应用技术专业论文）暂态电能质量检测与分析的研究.pdf

摘要 摘要 近几年来，由于电力电子器件和非线性装置的广泛应用，使得电网中的电压 和电流波形畸变越来越严重，造成了电能质量的恶化。传统的电能质量常用傅立 叶变换分析方法，是基于有效值理论，已不适合处理非平稳的暂态电能质量信号。 因此采用新的分析方法，对暂态电能质量进行正确的检测、分析和评估就显得十 分必要。 本文从电能质量定义和国内外电能质量研究现状出发，分析了目前暂态电能 质量问题引起广泛关注的原因，着重对暂态电能质量扰动定位、谐波和间谐波的 动态检测、无功功率的测量、暂态扰动信号的分析以及压缩等问题进行了深入研 究。主要研究成果如下： 1 提出种结合h i l b e r t 变换和向后差分的暂态电能质量扰动快速定位方 法。该方法在提取暂态电能质量扰动信号的包络的基础上，利用向后差分方法实 时检测信号的畸变点来进行定位。实验表明，该方法能够准确地定位暂态电能质 量扰动，运算简单，实时性高，从而为扰动信号的分析和进一步采取控制措施提 供依据。 2 提出采用s 变换时频分析方法动态检测电网中的谐波和间谐波。通过分析表 明，s 变换采用了窗口宽度与频率成反比的高斯窗，具有频率相关的分辨率，在性 能上明显优于小波变换。所得实验结果验证了s 变换对谐波和间谐波检测的有效 性。 3 从b u d e a n u 无功定义出发，提出了一种s 变换与h i l b e n 变换相结合的非正弦电 路无功功率测量方法。该方法利用了h i l b e r t 变换的高精确度的9 0 。相移特性和s 变 换的先进时频分析方法来测量无功功率。仿真和实测数据表明，该方法精确度高， 具有工程的实用性。 4 详细分析了暂态电能质量时变性和非平稳性的特征，提出基波畸变率、扰 动畸变率两项暂态电能质量指标以及采用h h t 变换对暂态电能质量扰动信号进行 分析，通过仿真实验和实际数据来验证所提出的指标的科学性。 i 暂态电能质量检测与分析的研究 5 针对大量电能质量扰动数据的存储和传输问题，提出了一种新的压缩方案。 通过对暂态电能质量扰动信号进行实验，从压缩的各项指标综合来看，该方法在 保证信噪比的条件下，可以获得较高的压缩比。 关键词：暂态电能质量；扰动定位；检测与分析；时频分析；数据压缩 l i a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ep e r v a s i o no fd o w e te l e c t r o n i c sa p p a r a t u sa n dn o n l i n e a ri o a d s ，r e c e n t l yt h e p o w e rq u a l i t yp r o b l e m sh a v eb e e nm o r ea n dm o r ed e t e r i o r a t e db yt h ed i s t o r t e d w a v e f o r i l lo fv o l t a g e sa n dc u r r e n t si np o w e rn e t w o r k t m d i t i o n a lp o w e rq u a l i t ya n a l y s i s i sb a s e do nv i r t u a lv a l h et h e o r y a saf r e q u e n t l yu s e da n a l y s i st o o l 。f o u r i e rt r a n s f o r n li s n o ts u i t a b l ef o rt h en o n s t a t i o n a r ys i g n a l sp r o c e s s i n g t h u sn e wa n a l y s i sm e t h o d sa r e r e q u i r e dt od e t e c t ，i d e m i f y a n de v a l u a t ep o w e rq u a l i 锣d i s t u r b a n c e sa c c u r a t e l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h er e c e n ti n t e r e s ti np o w e rq u a l i t yi si n t r o d u c e df 如mt w o a s p e c t s - t h ed e f i n i t i o na n dt h ea r to ft h es t a t eo fs t u d yo n 血ep o w e rq u a l i t y s e v e r a lk e y i s s u e s s u c ha sp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c el o c a l i z a t i o n , d y n a m i cd e t e c t i o no fh a r m o n i c s a n di n t e l h a r m o n i c s ，m e a s u r er e a c t i v ep o w e r , t r a n s i e n td i s t u r b a n c e sa n a l y s i sa n dp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c es i g n a lc o m p r e s s i o na r ec o m p r e h e n s i v e l ya n dt h o r o u g h l ys t u d i e da n d a n a l y z e di nt h i st h e s i s t h em a i nc o n t r i b u t i o ni sg i y e n 舔f o l l o w s ： 1 af a s tt r a n s i e n tp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e sl o c a l i z a t i o na p p r o a c hi sp r e s e n t e db y u s i n gh i l b e r tt r a n s f o r i l lc o m b i n e dw i t hb a c k w a r dd i f f e r e n c e b a s e do nd e t e c t i o no ft h e d i s t u r b a n c es i g n a le n v e l o p e ，t h ea p p r o a c hi si m p l e m e n t e db yu s i n gb a c k w a r dd i f f e r e n c e t od e t e c ts i g n a l sd i s t o r t i o np o i n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i s a p p r o a c hp o s s e s s e st h em e r i to fs i m p l i c i t y , s p e e d i n e s sa n da c c u r a c y a n di tp r o v i d e s s o m es u p p o r tf o rt h ea n a l y s i so f d i s t u r b a n c es i g n a la n df u r t h e ri m p r o v e m e n t 2 f o rt h ep u r p o s eo fd e t e c t i n gh a r m o n i c sa n di n t e r h a r m o n i c s ，am e t h o di sp r o p o s e d b a s e do nt h e t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i sm e t h o d st r a n s f o r m t h e r e a s o nf o rt h e s u p e r i o r i t yo fs - t r a n s f o r ma r ed u et ot h ef a c tt h a tt h ew i d t ho fam o d i f i e dg a u s s i a n w i n d o wi saf u n c t i o no fi n v e r s e 行e q u e n c y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i s m e t h o dc a nd e t e c th a r m o n i ca n di n t e r h a r m o n i c se f f e c t i v e l y 3 a n o v e lm e t h o di sp r o p o s e db yu s i n gs t r a n s f o r n la n dh i l b e r tt r a n s f o r mt om e a s u r e r e a c t i v ep o w e rb a s e do nt h ed e f i n i t i o no fb u d e a n ui nn o n s i n u s o i d a lc o n d i t i o n s i ti s a c h i e y e db ym e a n so fs t r a n s f o r n la n ds h i f t i n g9 0d e g r e eo fh i l b e r t t r a n s f o r m n l e r e s u l t so fs i m u l a t i o na n dm e a s u r e m e n to fr e a lp o w e rs y s t e ms h o wt h a tt h i sm e t h o di so f k 2 ha c c u r a c ya n dt a i lm e e tt h en e e d so f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n 4 t h r o u g ha n a l y z i n gt h et i m e v a r y i n ga n dn o n - s t a b i l i t yo ft r a n s i e n tp o w e rq u a l i t y , t w oi n d i c e so ft r a n s i e n tp o w e rq u a l i t yn a m e df u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc o m p o n e n t d i s t o r t i o nr a t i oa n dd i s t u r b a n c ec o m p o n e n tr a t i oa r ep r o p e s e d w h i c ha d c p th h t t o a n a l y z et r a n s i e n tp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e s s i m u l a t e da n dr e a le x p e r i m e n t ss h o wo n r a p p r o a c hi sf e a s i b l ei nd e t e c t i n gt r a n s i e n ti n d i c e so f p o w e rq u a l i t y 5 f o ram a s s i v eo fp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c ed a t as t o r e da n dt r a n s m i t t e d ，an e w d a t a c o m p r e s s i o nm e t h o di sp r o p o s e d t h et e s tc a s e si n d i c a t et h ev a l i d i t yo f t h i sn e wm e t h o d , w i t hw h i c hs i g n a l - t o - n o i s er a t i oc a nk e e pw e l la n dt h ec o m p r e s s i o nr a t i oi ss a t i s f i e d k e y w o r d s ：t 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 sl o c a l i z a t i o n ；d e t e c t i o na n da n a l y s i s ； t m a e f r e q u e n c ya n a l y s i s ；d a t ac o m p r e s s i o n i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：槛恕饭 签字日期：加 年斗月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借 阕。本人授权安徽大学可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：音堑是捉 签字日期：嗣年牛月如日 学位论文作者毕业去向： 工作单位：安徽大学电子科学与技术学院 通讯地址：合肥市肥西路3 号安徽大学 导师签名隽杪 签字日期：矿7年争月日 电话：0 55 卜5 16 73 4 8 邮编：23 0 0 3 9 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电能作为一种人们广泛使用的能源，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；电能又是一种由电力部门向电力用户提供、并由双方共同 保证质量的特殊产品【”。因此电能具有其它工业产品相同的基本特征，尤其重要的 是质量问题。电能的质量是伴随着电力系统的产生和发展的 2 1 3 1 。在早期，电力系 统简单地由线性负荷组成，衡量电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 只有频率偏差和电压偏 差两项主要指标，电压的扰动甚至停电对人们的生活、生产的影响不大，造成的 损失也不特别严重【4 j 。但是自上世纪八十年代以来，随着国民经济的高速发展，电 能质量的问题越来越受到人们密切关注。一方面，电弧炉、轧钢机、电力机车及 家用电器等非线性、冲击性、不对称性负荷大量地投入使用，使得电网的非线性、 非对称性和波动性日趋严重，从而可能引起变压器过热、网损增加、计量仪表误 差增大、对通信干扰增大、导致各种保护误动作等。同时在现代工业中为了实行 节能和能量转换，各行各业广泛采用了各种电力电子装置，给电力系统造成了严 重“污染”，成为电力系统新的主要谐波源。另一方面，供电质量的恶化，严重影 响人们的生活，造成了巨大经济损失。家用电器因电能质量的恶化不能正常工作， 甚至会造成损坏。工业和制造业影响尤为严重。例如，马钢曾因谐波问题造成设 备损坏和大面积停电，经济损失近千万元；宝钢也曾因电能质量问题使电炉停产 近一年，经济损失在5 亿元人民币以上；陕西安康地区由于电网中持续的5 次谐波 谐振，致使年损失电能量达1 6 6 万k w h ；山西省晋东南电网的太焦线电气铁道的谐 波和负序干扰，引起1 0 个变电站全部停产，甩负荷1 0 0 椰以上，造成数亿元的经济 损失：我国西南地区的电气化铁路引起电能质量下降，对某卫星基地的设备正常 运转造成严重的威胁，在卫星发射期间，电力部门不得不暂时改变电气化铁路供 电系统的运行方式。另外，据美国官方统计：近2 0 年来，全球范围内每年因电能 质量扰动和电气环境污染引起的国民经济损失高达3 0 0 亿美元。现代科学技术的高 速发展促使工业生产过程高度自动化和智能化，这些高新技术工业对供电质量要 求很高。低质量的供电将恶化产品质量，特别对于一些特殊的企业，供电的突然 暂态电能质量检测与分析的研究 中断将会带来巨大的经济损失，甚至灾难性的后果。如柔性制造系统( f m s ) 和 计算机综合制造系统( c i m s ) 对各种电能扰动尤为敏感，几分之一秒的不正常供 电就可能引起制造系统的混乱【5 】【6 】。 为了保证电网和电气设备的安全、可靠、经济运行，必须采取一定的控制、 补偿技术，来提高和改善电力系统电能质量。这些控制和改善措施得以充分发挥 其作用的首要条件是及时获得各种扰动源的准确信息。而暂态电能质量扰动的种 类繁多、特征复杂，扰动的特征边缘可能重叠，现有的电能质量监测、分析仪器 对门槛阈值的设定依赖性极强，造成门槛阈值难以设置恰当，加上监测设备的数 据容量有限，使得记录到的数据是局部和片面的，真正有用的信息往往难以捕捉 到。针对随着信息技术的飞速发展而暴露的日益严重的暂态电能质量问题，需要 寻求新的定位、检测、分析、压缩、识别等方法，制定新的适应暂态电能质量评 估的各项指标，因此对暂态电能质量问题的研究，在理论和应用方面具有重要的 意义。 1 2 电能质量概论 为保证电能安全经济地输送、分配和使用，理想供电系统的运行应具有如下 基本特性：以单一恒定的标称频率( 5 0 h z 或6 0 h z ，我国采用5 0 h z ) 、若干电压等 级( 如配电系统一般为l l o k v ，3 5 k v ，1 0 k v ，3 8 0 v 2 2 0 v ) 和按正弦波形的交流电 向用户供电，并且这些运行参数不受用电负载特性的影响。同时电力系统中始终 保持三相交流电压和负载电流的平衡，用电设备汲取电能应当保证最大传输效率， 各用电负载之间互不干扰。但由于调控手段不完善、负荷随机变化、系统规划不 合理以及一些不可预见的各种故障等原因，理想运行的电力系统在实际中并不存 在。因此为了评估电力系统中电能的优劣，提出了电能质量的概念【4 】。 1 2 1 电能质量定义 造成电能质量的原因是多种多样的，不同机构对电能质量的技术含义仍存在 不同的认识。不同的文献也分别采用了“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 tq 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 2 第一章绪论 s u p p l y ) 等术语1 7 】1 8 】。直至u 1 9 6 8 年一篇关于美国海军电子设备电源规范要求的研究 论文中最先使用了“电能质量”这一专业术语【9 1 。此后越来越多的研究者表现出对 电能质量的关心，关于电能质量应采用的规范技术名词也逐渐趋向一致。 i e e e 标准化协调委员会已正式采用“p o w e rq u a l i t y ”这一术语，并给出相应的 技术定义：合格的电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设置的接地系统 均适合设备正常工作。但i e c 在其制定的任何标准中并没采用该术语，而提出使用 电磁兼容( e m c ) 术语，强调设备与设备及电源与设备之间的相互影响。 电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，所以用户的衡量标准应 占有优先的位置。因此电能质量可以定义为造成用电设备故障或不正常工作的电 压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三 相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续 性等。合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电， 提供给敏感设备的电力和其设置的接地系统均适合于该设备正常工作【1 0 1 。 1 2 2 电能质量分类 为了系统地分析和研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分选识别， 从中找出引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决方法，因此将电能质量进 行分类和给出相应的定义是很重要的。 对于电能质量现象可以根据不同基础来分类，其中比较实用的一种分类即按 照电能扰动现象的两个重要表现特征：变化的连续性和事件的突发性为基础分成 两类1 1 0 1 。 所谓变化型是指连续出现的电能质量扰动现象，其重要的特征表现为电压或 电流的幅值、频率、相位差等在时间轴上的任一时刻总是在发生着小的变化。这 类现象包括电压幅值变化、频率变化、电压与电流相位变化、电压不平衡、电压 波动、谐波电压和电流畸变、主网载波、信号干扰等。这一类型往往对应着稳态 电能质量问题，其主要特征是变化的连续性。 事件型是指突然发生的电能质量扰动现象，其重要的特征表现为电压或电流 短时严重偏离其额定值或理想波形。这一类现象包括电压暂降和电压短时间中断、 3 暂态电能质量检测与分析的研究 欠电压、瞬态过电压、梯形电压变化、相位跳变等。在事件型电压和电流评估时， 通常采用其特征量，如用幅值偏离量的多少、事件持续时间长短以及发生的频次 等来描述，并且用概率论和数理统计方法以及可靠性计算来处理。该类型属于暂 态电能质量问题，其主要特征是变化的不连续性或短时性。 1 2 3 电能质量标准 电能质量是一个抽象的概念，内涵丰富，外延广阔，为了便于开展电能质量 工作，国际上制定了各种电能质量标准。i e e e $ 0 定了i e e e5 1 9 电能系统谐波控制 规范和要求【1 l 】、i e e e1 1 5 9 电能质量监测推荐规范叼。i e c 把电能质量归为电磁兼 容范畴，在i e c6 1 0 0 0 ( i - 6 部分) 标准系列中，制定了专门的电能质量标准，主 要有i e c6 1 0 0 0 - 4 - 3 0 电能质量测量方法1 1 3 1 、i e c6 1 0 0 0 - 4 - 7 供电系统及其连接设备 的谐波与间谐波测量与仪器通用指南【1 4 1 、i e c6 1 0 0 0 - 4 - 1 5 闪变仪功能与设计规范 【l5 1 。1 9 9 2 年7 月，欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 也颁布了一个电能质量标准， 称为公用配电系统供电电压特性( c e n e l e cc l c b t - n 话8 6 ( s e s ) 1 5 ) ，作为 欧洲共同市场对中低压电能质量的统一标准。 我国对电能质量问题研究起步较晚，自1 9 9 4 年以来，国家技术监督局相继颁 布了6 个单项电能质量标准，它们是供电电压允许偏差( g b t1 2 3 5 2 1 9 9 0 ) 0 6 、 电力系统允许频率偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 【埘、三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 【1 8 】、公用电网谐波( g b t1 4 5 4 3 1 9 9 3 ) 1 9 1 、电压允许波动和闪变( g b t 1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 1 2 0 、暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 【2 ”，标准规定了 交流电力系统中作用于电气设备稳态电压、频率、三相平衡度、波动和闪变、波 形畸变以及暂时过电压和瞬态过电压要求、电气设备的绝缘水平以及过电压保护 方法。但是电能质量标准体系远没有完善，以i e c 和我国为例，电能质量标准规定 的就过于简单和笼统。基于这种情况，国内外正在加快电能质量标准的制定步伐， 我国已经着手进行电能质量检测设备通用要求和电能质量电压暂态和短时 断电标准制定工作。 4 第一章绪论 1 2 4 国内外电能质量研究现状 为了解决日益下降的电能质量对国民经济各行业经济安全运行的威胁和提高 人民生活质量的需要，世界各国都十分重视电能质量问题。1 9 7 0 年美国为解决电 压中断问题投入的费用为1 0 0 0 万美元，1 9 8 0 年美国为改善电能质量投入的费用为l 亿美元，1 9 9 0 美国为解决电压瞬变投入的费用为l o 亿美元；2 0 0 0 年全球为改善电 能质量投入的费用为1 0 0 亿美元，2 0 0 2 年全球为改善电能质量投入的费用为2 0 0 5 0 0 亿美元。我国电力系统建设长期是重发电、轻供电，更轻视供电质量。在我国 发电和配电的投入比例约为1 ：o 2 ，而国外发达国家一般为1 ：o 7 。目前，我国已 经开始大幅度提高电网建设的投资，国电公司1 9 9 8 年发布的关于加快城市电网 建设改造的若干意见中强调，城网建设的投资应占总电力建设投入的6 0 n , 6 ，提高 电能质量是城网建设改造要实现的四大目标之一。 国外对电能质量的研究工作开展比较早，取得了一些比较成熟的研究成果。 美国电力科学研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p ) f 1 2 0 世纪9 0 年代就 将“d i s t r i b u t i o na n dp o w e rq u a l i t y ”列入其1 2 个主要研究领域之中。截止2 0 0 2 年底， e p r i 与电能质量有关的项目、研究和报告达到一万九千多项。其它许多著名的协 会和机构，如i e c 、i e e e 、a n s i 等都制定了相关标准。一些大的公司和企业如f l u k e 、 g e 、a b b 等也参与到电能质量市场中来。 在国内，国家电力科学研究院成立了“电能质量及电机研究室”，进行电力污 染治理和电能质量多个方面研究。安徽大学于1 9 9 4 年成立了我国高校第一个电能 质量实验室，2 0 0 1 年1 月经教育部批准成立了“教育部电能质量工程研究中心”。 清华大学、四川大学、华北电力大学等许多高校随后也开展了相关方面的研究。 上海宝钢安大电能质量有限公司、安徽振兴工贸公司等一些新兴企业设计了一些 相关产品，并达到了一定市场规模。 1 2 5 传统的电能质量分析方法 1 0 1 1 2 2 对电能质量的计算和分析涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述，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，为改善和 提高电能质量提供指导。目前基于数字技术的各种分析方法主要在谐波在网络中 5 暂态电能质量检测与分析的研究 传播、扰动源引起的波形畸变、电能质量控制装置等领域得到应用。这种技术主 要分为时域、频域和变换域三种分析方法： ( 1 ) 时域仿真方法 在三种分析方法中，时域仿真法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要 的用途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 3 1 t d c 、n e t o m a c 、b p a 等系统暂态仿真程序 和s p i c e 、p s p i c e 、m a t l a b 、s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。由于这些仿真程 序在不断发展中，其功能日益强大，还可利用它们进行电力设备、元件的建模和 电力系统的谐波分析。 ， ( 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。考虑到一些非线性负载的动态特性，近年来又提出一种混合谐波潮流的计算 方法，即在常规的谐波潮流计算方法基础上，利用e m t p 等时域仿真程序对非线性 负载进行仿真计算，可求出各次谐波动态电流失量，从而得到动态谐波潮流解。这 种方法可详细考虑非线性负载控制系统的作用，精确描述其动态特性，但计算量 大，求解过程复杂。 ( 3 ) 基于数学变换的方法 基于数学变换的方法主要指f o u r i e r 变换方法、短时f o u r i e r 变换方法以及近 年来出现的小波变换方法和s 变换方法等，是电能质量分析的主要方法。 作为经典信号分析的f o u r i e r 变换方法具有正交、完备等许多优点，而且有像 f f t 这样的快速f o u r i e r 算法，因此已在电能质量分析领域中得到广泛应用 2 3 讲】。 但在运用傅立叶变换时，必须满足以下条件：满足采样定理的要求，即采样频 率必须是最高信号频率的两倍以上；被分析的波形必须是稳态的、随时间周期 变化的。因此；当采样频率或信号不能满足上述条件时，利用f f t 分析会产生“频 谱混叠”和“频谱泄露”的现象，给分析带来误差。此外，由于f f t 交换是对整个 时间段的积分，时间信息得不到充分利用；信号的任何突变，其频谱将散布于整 个频带中，很难体现局部信息。为了分析暂态电能质量的突变信号和非平稳信号， 需要寻求新的信号分析工具。 6 第一章绪论 为解决上述的时域和频域局部化矛盾问题，1 9 4 6 年g a b o r 提出了短时傅立叶 变换( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m ，s t f t ) ，其基本思想是：傅立叶分析是频域 分析的基本工具，为了达到时域的局部化，在傅立叶变换前乘上一个时间有限的 窗函数，并假定非平稳信号在分析窗的短时间隔内是平稳的，通过分析窗在时间 轴上的移动从而使信号逐段进入分析状态，这样就可以得到信号的一组“局部” 频谱，从不同时刻“局部”频谱的差异上，便可以得到信号的时变特性。短时傅 立叶变换具体定义为【3 3 】： s t f t ( t ，力= f s ( f ) 1 矿( f 一力e - j 2 。f d r ( 1 1 ) - c o， s t f t 的主要缺点就是分析窗是不变的，只适合于分析特征尺度大致相同的过 程，不适合分析多尺度过程和突变过程。并且这种方法的离散形式没有正交展开， 难以实现高效算法。在实际应用中，一旦窗函数确定，则时间分辨率与频率分辨 率就确定了，因此时变信号的不同时间段只能加相同窗，不适应信号频率高低变 化的不同要求。 小波变换由于具有时域和频域局部化的特点，克服了以上f f t 和s t f t 的缺点， 特别适合于突变的非平稳信号的分析。对于时变信号来说，高频信号一般持续时 间很短，低频信号持续时间较长。因此希望高频信号采用小时间窗，低频信号采 用大时间窗来分析。连续小波变换正是在这种思想下，在2 0 世纪8 0 年代后期发展 起来一种时频分析工具。其定义为：将任意属于r ( r ) 空间的信号j 2 ( r ) 在小波基下 进行展开，称这种展开为信号厅p ) 的连续小波变换( c o n t i n u ew a v e l e tt r a n s f o r m ， c w t ) ，其表达式为【3 3 】： w t ( 吖) ： f = 矗( r ) 妒+ 0 二三) d t ( 1 - 2 ) 、口“ 口 由连续小波变换定义可知，小波变换同傅立叶一样，都是一种积分变换。但 小波基不同傅立叶基，具有尺度口和平移f 两个参数。通过适当地选择尺度因子和 平移因子，可以得到一个伸缩窗，从而使得小波变换在时域和频域都具有表征信 号的局部特征能力。由于小波函数本身衰减很快，也属一种暂态波形，将其用于 电能质量分析领域，尤其在暂态电能质量分析领域具有f f t 、s t f t 所无法比拟的优 7 暂态电能质量检测与分析的研究 点，因而近年来在电能质量的暂态分析、扰动检测、数据压缩等许多领域得到广 泛应用【2 9 。9 j 。 s 变换( s - t r a n s f o r m ) 是在连续小波变换和短时傅立叶变换基础上发展起来的 一种时频分析方法。首先s 变换是连续小波变换的延伸，是对连续小波变换的一种 相位修正，即一个特定小波基的连续小波变换乘上一个相移因子。其次s 变换的高 斯窗口( g a u s s i a nw i n d o w ) 高度和宽度随频率变化，从而克服了短时傅立叶变换 窗口高度和宽度固定不变的缺陷。因此s 变换不仅具有小波变换的良好时域和频域 局部化特性，而且小波基不必满足容许性条件等优越性质。目前，s 变换在电能质 量研究领域的应用还处于起步阶段 4 0 4 3 1 。 1 3 论文主要工作 结合国内外电能质量研究现状，本论文对暂态电能质量的部分指标、扰动的 定位、谐波和间谐波动态检测、瞬时无功功率测量以及暂态扰动的分析和压缩等 问题进行了深入地研究，取得了以下的成果： 1 针对暂态电能质量时变性和非平稳性的特征，提出基波畸变率、扰动畸变 率两项暂态电能质量指标，为暂态电能质量的分析、评估奠定基础。 2 提出了一种快速暂态电能质量扰动定位方法。 针对暂态电能质量扰动信号的特性，从工程应用的实际要求出发，提出一种 结合h i l b e r t 变换和向后差分的暂态电能质量扰动快速检测方法。首先利用h i l b e r t 变换快速提取暂态电能质量扰动信号的包络，然后采用向后差分方法，准确地定 位暂态扰动发生的起始时刻和持续时间。该方法运算简单，计算量小，实时性高， 可以应用于电能质量检测分析仪和动态电压补偿装置中。 3 提出一种基于s 变换的动态间谐波检测方法。 s 变换是在连续小波变换和短时傅立叶变换基础上发展起来的一种时频分析 方法，采用了窗口宽度与频率成反比的高斯窗，具有频率相关的分辨率。采用s 变 换分别对仿真信号、实际信号的谐波和问谐波进行检测。实验结果表明了该方法 的优越性和实用性。 4 提出了一种s 变换与h i l b e r t 变换相结合的非正弦电路无功功率检测方法 8 第一章绪论 首先对采样的电压信号进行希尔伯特变换，使其各频率分量电压分别平移9 0 。， 然后对电流和变换后的电压信号进行s 变换，提取出电压、电流信号中所有幅值不 为零的频率分量的有效值，检测出非正弦电路各频率分量的无功功率以及总无功 功率。仿真和实测数据表明，该方法精确度高，具有工程的实用性。 5 提出了基于h h t 变换和滤波器相结合的暂态电能质量分析方法 该方法首先将暂态电能质量扰动信号通过带通滤波器分离成基波信号和扰动 信号，然后对二者分别采用h h t 求出模值，将模值与标称值或额定值相比得到基波 畸变率和扰动畸变率。检测结果表明了该方法的可行性和实用性，为电能质量评 估提供了又一有力的工具。 6 提出了基于h h t 变换的暂态电能质量数据压缩新方法 该方法首先应用h i - i t 变换对暂态电能质量扰动原始信号进行e m d 分解，通 过设定统一相对阙值可以将能量较小的i m f 略去，保留能量较大的i m f 。然后对 保留下的i m f 分解成奇、偶序列，保留奇序列合成压缩信号。仿真实验表明，所 提出的方法在性能优于小波方法，是一种有效的暂态电能质量数据压缩方法。 1 4 论文的组成 第一章介绍了论文研究的背景，简单阐述了电能质量的定义、分类以及国内 外研究现状，并且回顾了传统电能质量分析方法，最后给出了论文的主要工作。 第二章对几种暂态电能质量进行详细描述，介绍了一些暂态电能分析方法， 提出基波畸变率、扰动畸变率两项暂态电能质量指标。 第三章从工程应用的实际要求出发，提出一种结合h i l b e r t 变换和向后差分 的暂态电能质量扰动快速检测方法。该方法精确度高，具有实际应用前景。 第四章运用s 变换检测谐波和问谐波，并在此基础上结合s 变换和h i l b e r t 变 换检测非正弦电路的无功功率。 第五章结合h h t 变换和滤波器对暂态电能质量进行分析，通过仿真试验和实 际数据对第二章所提出的暂态电能指标进行检测；并在h h t 变换基础上提出一种新 的暂态电能质量数据压缩方法。 9 暂态电能质量检测与分析的研究 第六章对本文的工作进行总结，并对今后的工作进行了展望。 参考文献 【1 】吴竞昌主编中国电力百科全书：电力系统卷 m 】中国电力出版社，1 9 9 5 2 1 m a t hh j b o l l e n , u n d e r s t a n d i n gp o w e rq u a l n yp r o b l e m s ：v o l t a g es a g sa n d i n t e r r u p t i o n s r ，i e e e ，i n c , n e wy o r k , 2 0 0 0 ：1 3 9 2 5 3 3 】林海雪现代电能质量的基本问题阴电网技术2 0 0 l ，2 5 ( 1 0 ) ：5 1 2 【4 r c d u g a n ，e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m sq u a l i t y m n e w y o r k , m c g r a w - h i l l ，1 9 9 6 【5 j o sa r f i l l a g a , h j m a t h , n e v i l l er w a t s o n p o w e rq t i a l i t yf o l l o w i n gd e r e g u l a t i o n j p r o c e e d i n g so f t h ei e e e ，2 0 0 0 ，8 8 ( 2 ) ：2 4 6 2 6 1 6 d p o v h , k p r e g i z e r , m w e i n h o l d ，e t a l i m p r o v e m e n to fs u p p l yq u a l i t yi nd i s t r i b u t i o n s y s t e m s j ，i e e ec o n f e r e n c ep u b l i c a t i o nc o n t r i b u t i o n sp r o c e e d i n g so f t h e1 9 9 71 4 血 i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c ea n de x h i b i t i o no ne l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o n , i c e d p a r t l 2 ( o f 7 1j u n2 51 9 9 7n4 3 8p t1 2 7 g t h e y d t ，p o w e rq u a l i t ye n g i n e e r i n g j ，i e e ep o w e re n g r e v ，s e p 2 0 0 1 ：p p 5 7 【8 c e u l e c6 1 0 0 0 - 2 - 1 ：1 9 9 0 ， e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，p a r t2 ：e n v i r o n m e n t , s e c t 1 ：d e s c r i p t i o n o ft h ee n v i r o n m e n t e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n tf o r l o w - f r e q u e n c yc o n d u c t e dd i s t u r b a n c e sa n ds i g n a l i n gi np u b l i cp o w e rs u p p l ys y s t e m s f i r s te d i t i o n s 】1 9 9 0 5 9 h ，h k a j i h a r a , q u a l i t yp o w e rf o re l e c t r i c s j ，e l e c t r o t e c h n o l o g y , v 0 1 8 2 ，n o 5 ， n o v e m b e r1 9 6 8 1 0 】肖湘宁，韩民晓，徐永海，等电能质量分析与控制 嗍北京：中国电力出版社， 2 0 0 4 1 1 i e e e 5 1 9i e e er e c o m m e n d e d p r a c t i c e sa n dr e q u i r e m e n t sf o rh a r m o n i cc o n t r o li n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m s s ，n e wy o r k , i e e ep e s ，1 9 9 9 1 9 9 2 1 2 i e e e1 1 5 9 1 9 9 5i e e er e c o m m e n d e dp r a c t i c e so nm o n i t o r i n ge l e c t r i cp