（计算机应用技术专业论文）压缩感知电能质量信号采样与检测方法研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t m 3 9 l 学科分类号 4 7 0 4 0 5 4 论文编号 10 0 10 2 0 1 1 0 7 4 2 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名苗桂君学号 2 0 0 8 0 0 0 7 4 2 获学位专业名称 计算机应用技术获学位专业代码 0 8 1 2 0 3 课题来源其他项目研究方向电能质量分析 论文题目 压缩感知电能质量信号采样与检测方法研究 关键词压缩感知，数据压缩，匹配追踪，冗余原子库 论文答辩日期 2 0 1 1 0 5 2 6 论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况， 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师王学伟教授北京化工大学 电能质量分析理论 评阅人1谢晓明副教授北京化工大学 现代通信技术 评阅人2何苏勤教授北京化工大学嵌入式系统、d s p 技术 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员糊何苏勤教授北京化工大学 嵌入式系统、d s p 技术 答辩委员1易军凯教授北京化工大学计算机科学 答辩委员2李学斌副教授北京化工大学图像处理、数字水印 答辩委员3高敬阳副教授北京化工大学模式识别、图像处理 答辩委员4 谢晓明副教授 北京化工大学现代通信技术 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中 查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 压缩感知电能质量信号采样与检测方法研究 摘要 随着工业规模的持续扩大和科学技术的迅猛发展，现代电力系统中增 加了大量非线性、冲击性、波动性负载，导致电力系统遭受日益严重的电 能质量危害。如何对电能质量进行有效分析与研究成为当前一项紧迫而重 要的工作，受到国内外电工领域的广泛关注。为提高和改善电能质量，主 要面临以下两方面难题：一方面需要解决海量电能质量数据的采集、压缩、 存储与传输问题，另一方面需解决电能质量扰动的检测定位与识别问题。 本文首先介绍了电力系统电能质量问题的定义、标准、分类及电能质 量压缩与检测的研究现状与发展趋势，构建了电能质量各种单一扰动和多 重扰动的信号模型。 其次，深入探讨了压缩感知这一新理论的产生、研究现状、基本理论 及其实现方法。在对比分析了以传统n y q u i s t 理论为支撑的先采样后压缩 方法的不足和国内外所采用特征提取方法的优缺点的基础上，首次将压缩 感知理论应用于电能质量扰动信号采样与压缩中，设计了两种基于压缩感 知理论的电能质量扰动一维压缩采样与重构方法，并给出了不同压缩采样 比条件下该方案所能达到的性能指标，仿真实验结果表明该方法在采样的 同时实现信号压缩，并能以高信噪比实现短时电能质量扰动信号的重构。 再次，本文将电能质量信号映射到二维空间，根据图像可稀疏表示的 原理，研究了非稳态和稳态电能质量扰动信号的二维压缩采样与重构方 北京化工大学硕士学位论文 法。针对含有多重扰动的校准源实测信号进行了算法的实验验证，其重构 获得的电能质量信号能完全满足电能质量分析要求。在此基础上，通过仿 真实验对比分析了二维傅立叶基和二维小波基的重构效果。 最后，利用目前文献中广泛研究的时频分析方法小波变换进行仿真实 验，并分析了小波变换在进行电能质量扰动检测定位问题中的优缺点和性 能。针对传统电能质量采样、压缩、检测定位各步骤互相孤立、分离进行 的缺点，深入研究并设计了将压缩感知理论和原子分解相结合的电能质量 扰动压缩采样及参数估计融为一体的方法。针对短时和稳态扰动信号进行 压缩采样，直接使用少量的测量数据，在进行信号重构的同时实现检测， 得出全面的参数估计。并在含噪的情况下分析该算法的性能，对比分析了 基于小波变换的检测定位方法的不足及本文所提方法的优点，为后续的扰 动识别和分类提供了坚实的理论与实践基础。 。 关键词：压缩感知，数据压缩，匹配追踪，冗余原子库 u a b s t r a c t r e s e a r c ho ns a m p l i n ga n dd e t e c t i o n a l g o r i t h mo fc o m p r e s s e ds e n s i n gp o w e r q u a l i t ys i g n a l s a b s t r a c t w i t hm ec o n t i n u e e x p a n d i n go ft h ei n d u s t l y s c a l ea n dt h e m p i d d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c l l i l o l o 鼢 av 撕e t yo fn o n - l i n e a r s h o c l ( v o l a t i l i t yl o a ds u b s t a n t i a li n c r e a s ei nm o d e ms y s t e m ，w h i c hm a k e st h ep o w e r s y s t e ms u f r e r e di n c r e a s i n g l ys e r i o u sp o w e rq u a l i t yd a m a g e n o w a d a y s ，h o w t oe x e c u t ee f r e c t i v ep o w e r q u a l i t ya n a l y s i sa n dr e s e a r c hh a sb e c o m ea nu 玛e n t a n di m p o r t a n tw o r k ，w h i c hc a t c h e sw i d ea t t e n t i o nb ye l e c t r i cf i e l da th o m e a n da b r o a d t w oq u e s t i o n sa r em a i n l yf a c e dt oe n h a n c ea n di m p r o v e p o w e r q u a l i t y o nt h eo n eh a n dc o l l e c t i o n ，c o m p r e s s i o n ，s t o r a g ea n dt r a n s m i s s i o n p r o b l e m so fm a s s i v ep o w e rq u a l i t yd a t an e e dt ob es 0 1 v e d ，o nt h eo t h e rh a n d d e t e c t i o n ，l o c a t i o na n di d e n t i 矽p r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ed e f i n i t i o n s ，s t a n d a r d s ，c l a s s i f i c a t i o na u l d r e s e a r c hs t a t l l sa n d d e v e l o p m e n tt r e n d so ft h ep o w e rq u a l i 吼a n dc o n s t l l l c t e da 北京化工大学硕士学位论文 s e n s i n gt h e o 巧w a s 印p l i e do ns a m p l i n ga n dc o m p r e s s i o no fp o w e rq u a l i t y d i s t l l r b a n c es i g n a lf o rt h ef i r s tt i m eo nt h eb a s i so f c o m p a r i n ga d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft m d i t i o n a ls a m p l i n gm e t h o d sb e f o r et h ec o m p r e s s i o n s u p p o r t e db yn y q u i s ta n df e a t u r ee x t r a c t i o nm e t h o du s e dh o m ea n da b r o a d r no 一 o - 1w o幻n d so to n e - d l m e n s l o n a lc o m p r e s s l o ns a i n p l i n ga n dr e c o n s t r u c t i o n m e t h o db a s e do nc o m p r e s s e ds e n s i n gt h e o 巧w a sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h e p e r f o n l l a n c ei n d i c a t o ru n d e rd i f r e r e n tc o m p r e s s i o ns a m p l i n gr a t i ob yt w o m e t h o d sw a sg i v e n s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o wt h a tt h et w om e t h o d s c o u l ds a i n p l ea n dc o m p r e s sa tt h es a m et i m ea n dc o u l dr e c o n s t m c tp o w e r q u a l i t yd i s t u r b a n c ew i t hh i g hs i g n a l t on o i s er a t i o t h i r d l y ，t h i sp 印e rm a p p e dp o w e rq u a l i t ys i g n a lt ot w o d i m e n s i o n a l i m a g e ，a n df i r s tr e s e a r c h e dc o m p r e s s i o ns 锄p l i n ga l g o r i t h mo fu n s t e a d ya n d s t e a d yp o w e rq u a l i t yd i s t u r b a n c e sa c c o r d i n gt ot h ep n n c i p l eo fi m a g es p a r s e r e p r e s e n t a t i o n s i i n u l a t i o n a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h e a l g o r i t h m sw a sp e 墒m l e df o rm e a s u r e ds i g n a lo fc a l i b r a t i o ns o u r c ew i t h m u l t i p l ed i s m r b a n c e s ，w h i c hs h o wt h a tr e c o n s t m c t i o nm e e t st h er e q u i r e m e n t s o fp o w e rq u a l i t ya n a l y s i s o nt h i sb a s i s ，as e r i e so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s w a sc a r r i e do u tf o rt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fr e c o n s t l l l c t i o nr e s u l t so ft h e a b s t r a c t p e o m a n c ei s s u e si np r o c e s s i n gp o w e rq u a l i t yd i s t l l r b a n c e s t h i sp 印e r s t u d i e da n dd e s i g n e dt h ei n t e 9 1 a t e da p p r o a c ho fc o m p r e s s i o ns a m p l i n ga n d p a r a m e t e r e s t i m a t i o no f p o w e rq u a l i t yd i s t l l r b a n c e w i m c o m b i n i n g c o i n p r e s s e ds e n s i n gt h e o ua n da t o m sd e c o m p o s i t i o n u s i n gas m a ua m o u n t o fm e a s u r e m e n td a t aa c h i e v e d 丘o mc o m p r e s s i o na 1 1 ds a m p l i n go fs h o r t t e r m a n ds t e a d y s t a t ed i s t l l r b a n c e ss i g n a ld i r e c t l y ，w ec o u l da c h i e v ed e t e c t i o na n d r e c o n s t m c t i o na tt h es a m et i m ea n dd r a wa c o m p r e h e n s i v ep a r a m e t e r e s t i m a t i o n t h i sp a p e ra l s oa n a l y z e da l g o r i t h mp e r f o 如 1 a n c ew i t ht h en o i s y a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i st h el a c ko ft h ed e t e c t i o nu s i n gw a v e l e tt r a n s f o m a n dt h e a d v a n t a g e sb yt h ep i o p o s e dm e t h o d ， w h i c 湘 p i o v i d e d as 0 1 i d 。 f o u n d a t i o no f t h e o 拶 a n dp r a c t i c ef o r s u b s e q u e n t i d e n t i f i c a t i o na n d c l a s s i f i c a t i o no ft h ed i s t l l r l ) a n c e k e y w o l 王d s ：c o n l p r e s s e ds e n s i n g ，d a t ac o m p r e s s i o n ，m a t c h i n gp u r s u i t ， r e d u n d a n ta t o m s l i b r a r y v 北京化工大学硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 1 2 电能质量问题的概述 1 2 1 电能质量问题的定义 1 2 2 电能质量标准 1 2 3 电能质量问题的分类3 1 3 电能质量分析相关技术及国内外研究现状与趋势4 1 3 1 电能质量信号的采样方法及存在的问题4 1 3 2 电能质量信号数据压缩5 1 3 2 1 压缩方法分类5 1 3 2 2 压缩方法性能评价标准5 1 3 2 3 国内外研究现状6 1 3 2 4 存在的问题及发展趋势8 1 3 3 电能质量检测和定位9 1 3 3 1 国内外研究现状9 1 3 3 2 存在的问题及发展趋势1 2 1 4 压缩感知理论的产生及研究现状1 2 1 4 1 压缩感知理论的产生1 2 1 4 2 压缩感知理论的研究现状1 4 1 4 3 压缩感知理论的发展趋势1 5 1 5 本文的主要研究内容1 6 1 6 本文的创新点1 6 第二章小波变换和压缩感知的理论与算法实现1 7 2 1 小波变换的基本理论1 7 2 1 1 多分辨率分析与m a l l a t 分解算法1 7 2 1 2 小波模极大值原理1 8 2 2 压缩感知理论1 9 2 2 1 压缩感知理论的基本原理1 9 2 2 2 压缩感知理论的主要内容2 0 v i i 北京化工大学硕士学位论文 第三章电能质量信号一维压缩采样方法研究2 5 3 1 电能质量扰动信号模型的建立2 5 3 1 1 非稳态电能质量扰动信号模型2 5 3 1 2 稳态电能质量扰动信号模型2 8 3 1 3 多重电能质量扰动信号模型3 0 3 2 短时电能质量信号压缩采样方法3 0 3 2 1 算法实现3 0 3 2 2 仿真实验及其效果分析3 5 3 3 基于g a b o r 原子库和匹配追踪的压缩采样方法3 7 3 3 1 算法实现3 7 3 3 1 1g a b o r 原子库的建立及离散表示3 7 3 3 1 2 匹配追踪算法的重构3 8 3 3 2 算法仿真及性能分析4 0 3 4 本章小结4 0 第四章电能质量信号二维压缩采样方法研究4 3 4 1 一维信号的二维映射4 3 4 1 1 二维映射的方法4 3 4 1 2 电能质量扰动信号的二维映射4 4 4 2 算法实现4 6 4 2 1 二维电能质量信号的压缩采样4 6 4 2 2 压缩采样的稀疏基选取4 7 4 2 3 最小全变分共轭法的重构算法4 7 4 3 算法仿真及性能分析4 9 4 3 1 单一扰动信号算法仿真及性能分析4 9 4 3 2 多重扰动信号算法仿真及性能分析5 6 4 3 3 傅立叶基与小波基重构效果的对比分析5 7 4 4 本章小结5 9 v i i l 计示 一 一 设表 一 一 的疏 一 一 阵稀法 矩的方 一 量号构砉舱鹪鲋悄 1 2 3 章乙互z 本 第五章电能质量扰 5 1 基于小波变换的电 5 1 1 小波基的选取 5 1 2 小波模极大值突 5 1 3 非稳态和稳态电 5 1 4 算法分析 5 2 基于压缩感知理论 5 2 1 短时正弦量原子 5 2 2 基于匹配追踪的 5 2 3 仿真实验与性能 5 3 对于含噪声扰动信 5 4 小波变换和基于压 5 5 本章小结 第六章结论与展望 6 1 结论 6 2 展望 参考文献 致谢 研究成果及发表的学术论文8 7 作者与导师简介8 9 北京化工大学硕士学位论文 x c o n t e n t s c0 n t e n t s c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1 p u l p o s e a i l ds i 印i f i c a n c eo f 廿l er e s e a r c h 1 1 2o 删e w o f p o w e rq u a l i t yp m b l e m s 2 1 2 1d e f i l l i t i o no f p o w e rq u a l i t yp r o b l e l n s 2 1 2 2p o w e rq u a l i 够s t a l l d 砌s 2 1 2 3c 1 a s s m c a t i o n o f p o w e r q u a l i t y p r o b l e m s 3 1 3r e l a t e dt e c l l i l o l o g ) ，a n dr e s e a r c hs t a t u s 锄d 骶n d so fp o w e rq u a l 时a i l a l y s i s 4 1 3 1p o w e r q u a l i t ys i g n a ls 锄p l i n gm e i m o d sa n dp r o b l 锄s 4 1 3 2d a t ac o m p r e s s i o no f p o w e rq u a l 时s i 朗a l s 5 1 3 2 1c l a s s i f i c a t i o n o f c o m p r e s s i o n m e m o d 5 1 3 2 2c o m p r e s s i o np e 墒m a n c ee v a l u a t 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响，因此，电能质量已经成为一项不容忽视的系统工程问题。 自1 9 8 0 年以来，电能质量问题已被电力企业、用户和众多电力科技工作者广泛关 注，如何提高和保障电能质量已成为国内外电工领域的前沿性研究课题。改善和提高 电能质量的首要条件是及时而准确地获得各种扰动源信息，方能对电能质量进行有效 分析，确定扰动类型和范围，并对其采用有效的控制和补偿措施。因此，电能质量数 据的采集、压缩、存储、传输、检测和识别是对其进行分析的前提。 随着各科技工作者的大力研究，一系列信号处理理论不断被提出、发展和应用在 电能质量数据压缩和检测分析中，例如：傅立叶变换、小波变换等。传统电能质量分 析方法中存在如下三个方面的问题：1 ) 在电能质量信号采集方面，都是按照n y q u i s t 采样定理对信号进行过采样，获取其采样数据。当电能质量信号中的暂态扰动类型复 杂、变化迅速时，要求设备具有较高采样速率，导致硬件实现成本昂贵；2 ) 在数据压 缩方面，为了存储和传输海量采样数据还需要大量压缩编码等处理计算，硬件实现困 难，在数据压缩时丢弃了采样过程中获得的大量冗余数据，严重浪费采样资源，同时 高计算复杂度的压缩算法导致效率低下；3 ) 在检测方法上，现有的处理方法大多是提 取部分扰动特征量，而没有进行全面的扰动参数估计。在此基础上的很多改进方法， 虽然能提高检测精度，但由于运算量增大导致实时性差。由此可见，目前所建立的以 n y q u i s t 采样理论为支撑的电能质量信号信息获取、存储、融合、处理及传输的各步骤 分离进行的理论体系无法进行最优的信号处理。2 0 0 6 年，一种新颖的理论压缩感 知理论应运而生，该理论将传统的数据获取与数据压缩合并进行。因此，研究以压缩 感知理论为支撑的电能质量信号采集和分析方法，根据电能质量扰动信号的稀疏特 征，构建新的电能质量信号采样与检测算法，实现采样与压缩同时完成，重构与检测 同步进行的综合处理方法，将给电能质量分析领域带来一次新的革命，为未来电能质 北京化工大学硕士学位论文 量信号分析技术奠定新的理论基础，具有非常重要的理论意义和应用价值。 1 2 电能质量问题的概述 1 2 1 电能质量问题的定义 电能质量是指电力系统通过公用电网供给用户端的交流电能的品质【l 】。理想的公 用电网应符合规定的电压幅值和单一恒定的频率对用户供电。但由于电力系统中非线 性和不平衡性