（电力系统及其自动化专业论文）基于小波变换的电能质量检测与识别.pdf

a b s t r a c t a sar e s u l to ft h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m y t h ep o w e rq u a l i t yt ow h i c h i sp a i da t t e n t i o nb y m o r ea n dm o r eu s e r sa n de l e c t r i cp o w e r d e p a r t m e n ti sn o to n l yt h ed e v i a t i o no fv o l t a g ea n d f r e q u e n c yf r o mt h er a t i n gv a l u e b u ta l s oi n c l u d et h ep h e n o m e n o no f o s c i l l a t i o na n dp u l s e ， s o ，i ti s n e c e s s a r i l yt o d e t e c ta n di d e n t i f yt h ep o w e rq u a l i t y b a s e do nt h i s ，t h i s p a p e r s t u d i e dt h em e t h o d so ft 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 f p o w e rq u a l i t y f i r s t l y ，i no r d e rt os a v et h es t o r a g es p a c ea n dt h et r a n s m i s s i o nt i m eo f d a t a i ti sn e c e s s a r i l y t o c o m p r e s s t h ed a t ao fp o w e r q u a l i t y a c c o r d i n g t oc h a r a c t e r i s t i co ft h et r a n s i e n t d i s t u r b a n c ed a t ao f p o w e rq u a l i t yw h i c hf r e q u e n c yi sv e r yh i 曲，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h a t t h em e t h o db a s e do no p t i o n a l w a v e l e tp a c k e t a p p l yt o t h e c o m p r e s s i o no ft r a n s i e n t d i s t u r b a n c ed a t ao f p o w e rq u a i i t y ，f i n a l l y , b yc o m p a r i n gw i t ht h em e t h o db a s e do nt h e w a v e l e t ，w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ed i s t o r t i o nr a t eo ff o r m e ri sl o w e rw h e nt h e c o m p r e s s i o n r a t eo ft h eb o t hi sa p p r o x i m a t e l y s a m e s e c o n d l y ，t h i sp a p e ru s e dt h et h e o r yo f w a v e l e tt r a n s t b r mm o d u l u sm a x i m at or e a l i z et h ed e t e c t i o no f p o w e rq u a l i t y f i n a l l y t h e i m p r o v e dm e t h o do f s e l f - o r g a n i z i n gf e a t u r em a p ( s o f m ) w a sp u tf o r w a r dt oi d e n t i f yt h e k i n do fp o w e r q u a l i t y b yt h es i m u l a t i o no fm a t l a b t h e s em e t h o d sa r ev e r i f t e dt ob e f e a s i b l e k e y w o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；o p t i o n a lw a v e l e tp a c k e tb a s e ：a r t i f i c i a n e u r a jn e t w o r k s i 【 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，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。与我一同工作的同事 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了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：庭越五符专月弓【：) 日 学位论文版权使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和 借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办 殚。 论文作者( 签名) ：丕邀 卯r 年弓月；d 日 塑墨查堂塑! 堂些丝兰 一签二至堕 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 一个理想的电力系统应以恒定的频率( 5 0 h z ) 和正弦的波形，按规定的电压水平对用户供电。 在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互差1 2 0 。的对称状态。 由于系统各元件( 发电机、变压器、线路等等) 参数并不是理想线性和对称的，加之调控手段的 不完善、负荷性质各异且其变化的随机性以及运行操作、各种故障等原因，这种理想状态在实际 当中并不存在，因此就产生了电能质量的概念。人们首先把电力系统运行中电压和频率偏离标称 值的多少作为检验电能质量的主要指标。近年来由于以下原因，电能质量的问题变得复杂起来： 1 负荷设备对电能质量变化更加敏感。许多新型负荷装置都含有基于微处理器的控件和电力 电子器件，这些控件和器件对于多种扰动都很敏感。如大型的集成芯片生产厂，如果其供电中断超 过几个工频周波，就会造成芯片被毁： 2 用电负荷日趋复杂化和多样化，半导体整流和逆变装置以及变频调速装置等电力电子设备 的应用，这些具有非线性、谐波丰富、冲击性和不平衡特征的负荷会影响剑供电电刚，给电能质 量提出了新的问题： 3 为提高整个电力系统的效益而不断地应用一些装置，例如高效可调速电动机和用于功率因 数补偿的并联电容器组等。这就使电力系统的谐波水平有所增长； 4 终端用户越来越了解断电、电压骤降以及开关暂态等电能质量问题，他们将督促电力部门 提高供电质量； 5 电力系统的各个部分都是相互联系的，供用电双方的相互影响越来越紧密。这就意味着任 何一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失，这就迫使供电部门在保 证向用户提供充足和优质屯能的同时，还需要记录避免遭受来自用电设备的电力干扰，维护全电 力系统的安全运行。 综上所述，虽然由于供电电源的电能质量下降而影响电气设备正常工作的问题，早在电力供 应开始就引起了供用电双方的关注，但是随着时代的进步和科学技术的发展，当代电力系统已 经赋予了它新的概念和内容。因此电能质量问题已不仅仅是电力系统中电压和频率等的技术问题， 己被提升为关系到整个电力系统及设备的安全、稳定、经济、可靠运行，关系到电气环境工程保 护关系到整个国民经济的总体效益和发展战略的高度来认识。据国际会议报告介绍，在美国每 年由于电能质量下降引起的经济损失高达数百亿美元。劣质电能引发电网大面积停电，造成用户 生产力下降，其社会影响和经济损失是相当严重的。 因此，如何深入理解现代电能质量问题，如何从技术、经济和运行管理等方面加大力度，保 ! ! 查查堂堕主堂垡堡苎翌二兰i ! 堡一 证优质供电，以最小程度减少对现代工业企业和重要电力用户的影响即是电力用户的要求也是 现代电力系统运行提出的新任务。 1 2 电能质量的定义及其国内外研究现状 i 2 i 电能质量的定义 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电。但迄今为止，对电麓质量的技术含义还存在着不 同的认识，这是由于人们看问题的角度不同所引起的，如电力企业可能把电能质量简单看成是电 压( 偏差) 与频率( 偏差) 的合格率，并且用统计数字来说明电力系统电能9 9 或更高是符合质 量要求的；电力用户则可能把电能质量笼统地看成是否向负荷正常供电；而设备制造厂家则认 为合格的电能质量就是指电源特性完全满足电气设备正常设计工况的需要，但实际上不同厂家和 不同设备对电源特性的要求可能相去甚远。另一方面，对电能质量的认识也受电力系统发展水平 的制约，特别是用电负荷的性能和结构， 1 e e e 标准化协调委员会采用“p o w e rq u a l i t y ”( 电能质量) 这一术语，并且给出了相应的技 术定义【2 1 是：“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”。在此需要提及的是，i e c 并没有采用电能质量这个术语，而是提出“e m c ( 电 磁兼容) ”术语，它主要强调设备与设备之问的相互作用和影响，以及电源与设鲁之间的相互作用 和影响，并在次基础a * u 定出一系列相关的电磁兼容标准 3 1 。在i e c 提出的电磁兼容标准中，有 许多与电能质量相关联的内容。例如，e m c 标准采用发射( e m i s s i o n ) 来表示设备产生的电磁污 染，在电能质量领域它反映出电流质量问题。再如，e m c 标准采用抗扰( i m m u n i t y ) 来表示发备 免除电磁污染的能力，而在电能质量领域中它与电压质量相联系。由此可见，电磁兼容术语与电 能质量术语有很大的兼容性，它们是两种不同性质的概念和不同范畴的标准体系。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与 电压、电流以及频率偏差等相关的问题 综上所述迄今为止关于电能质量的定义概括起来主要有以下三种： 1 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于该设备正 常工作。 2 造成用电设备故障或动作的任何电力问题都是电能质量问题，其表现为电压、电流或频 率的偏差。 3 电能质量就是电压质量，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和 连续供电。 我们应当看到，电能质量问题终究是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。在此原则的基础上，本文引用文献 1 中的有关电能质量的定义：导致用电设备故 2 型塑查兰竺主兰竺笙壅墨二! ! 兰二 障或不能正常工作的电压、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。 i 2 2 国内外研究现状 一、国外研究现状 国外有关电能质量问题的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展，到电能质量评价指 标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义；各种电能质量问题 分析方法的提出，以及用户电力技术等电能质量控制技术的研究和装置的开发正深入进行【4 j 。 各种电气设备之间以电磁传导、感应和辐射这三种方式彼此关联，相互影响，在一定条件卜 会对设备的正常工作和人类造成干扰和危害。为了统一各国有关电气标准和规范，国际电工委员 会( i e c ) 提出并使用了电磁兼容( e m c ) 的概念，给出了干扰允许值、抗扰阔值和兼容值的定 义，并在此基础上，制定出了一系列电磁兼容标准。电磁兼容强调的是垃备与设备相互之间的电 磁作用和影响，以及电源与设备相互之间的电磁作用和影响。从8 0 年代兴起的电磁兼容( e m c ) 学科，就是以研究和解决这方面问题为其宗旨。该学科的着眼点是对干扰的产生、传播、接收、 抑制机理以及其相应的测量、计量技术进行深入的研究。在此基础上，根据经济、技术最合理的 原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平以及抑制措施作出明确的规定，使处于同一电磁环境中的 设备都是“兼容”的，也就是说，一个设备( 或装置、系统) 在其电磁环境中，满意地执行其功 能，而又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。 显然电能质量问题基本上属于e m c 中传导现象。e m c 的基本任务是协调干扰发射者和承受 者之间的关系，使其“兼容”。协调的办法就是制定出合理且配套的规定值。协调中所涉及的几个 参数关系如图1 - 1 所示。图中横坐标为独立变量，如频率、电压偏差值、谐波含量、电压波动和 闪变值、三相不平衡度等等。实际上某一种设备的发射水平和抗干扰水平随制造工艺和运行状况 而有所不同，从整体上表现出统计特性，可以用概率密度的方式描述，如图1 - 2 所示。i e c 以电 磁现象及相互干扰的途径和频率特性为基础，引出广义的电磁干扰的基本现象分类f 5 】，见附录【。 扰 动 水 五 独立变量 图卜l 电磁兼容中独立变量各参数的协调关系 图l 一2 干扰允许值和兼容值示意 3 塑查查兰堕主兰垡堡主 塑二重羔堡 由美国标准化委员会a n s i 和i e e e 制定的电能质量标准不同于上述盼i e c 标准给出一个综 合性标准的框架结构，而是推出针对大量电能质量现象的实用化推荐标准或导则，是很有实用价 值的较易操作的参考文件。附录i i 中给出了i e e e 制定的电力系统电磁想象的特性参数及分类。 对表中列出的各种现象，我们可进一步用其属性和特征加以描述。对稳态现象，可用以下属性来 描述：幅值、频率、频谱、调制、电源阻抗，下降深度、下降面积；对于非稳态现象，还可能需 要一些其他特征来描述：上升率、幅值、相位移、持续时间、频谱、频率、发生率、能量强度、 电源阻抗等。 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分析领域得到了 广泛的应用。特别是变换域方法如傅立叶变换法，短时傅立叶变换法成为电能质量分析中最常用 的算法【6 l 。随着小波变换理论的出现，更为电能质量分析开辟了新的研究方向。不少学者己经开 始这方面的研究，主要集中在应用小波方法进行电能质量扰动检测和定位、信号数据压缩、识别 和分类等方面的研究，并开发了基于小波变换和傅立叶方法的自动检测和分析系统1 7 1 “。除了在 基础理论上的研究外国外的学者还在以下几个方面也作出了研究： i 人工智能( a j ) 和高级数学工具在电能质量研究中的应用。所谓人工智能，即伴随人类思维 的一种自动化的行为。将人工智髓应用于电能质量分析也是目前从事电能质量的科研工作者研究 的热点。国外专家学者对此开发和研究了将小波变换与人工神经网络、专家系统、模糊逻辑等相 结合，利用人工智能技术对暂态电能质量波形进行自动辨识的软件系统，并进行实际的应用和验 证【1 1 。“l 。开发出融合电力系统仿真、电能质量事件的分类和特征化，以及设备敏感度研究的新型 电能质量软件。 2 一电能质量调节器( u p o c ) 或称电能质量调节器( p q c ) 。它可快速补偿供电电压中的骤升或 骤降、波动和闪变、谐波电流和电压、各相电压的不平衡以及故障时短时电压中断等，是一项综 合的电能质量控制器。 3 此外，针对各种电能质量问题，国外己提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置，包 括：有源电力滤波器( ( a p f ) 和无源滤波器( f r f ) 、电池贮能系统( ( b f s s ) 、配电用静态同步补偿器 ( d s t a t c o m ) 、配电用串联电容器( s c ) 、动态电压恢复器( v r ) 、功率因数校正电容器( ( p f c c ) 、 避雷器“s a ) 、超导磁能贮存系统( ( s m e s ) 、静态电子分接开关( s e t c ) 、固态转移开关( s s t s ) 、固 态断路器( ( s s c b ) 、静止无功补偿器( ( s v c ) 、晶闸管开关电容器( f r s c ) 、不间断电源( u p s l 等。这 些装置主要是采用电力电子技术，一些装置己相当成熟，其产品开始进入大量实用化阶段。 二、国内研究现状 我国对电能质量的研究虽处于起步阶段，但也取得了相当的进展。自9 0 年代以来通过借鉴 国外的先进经验，并结合本国实际情况，先后制定了供电电压允许偏差( g b1 2 3 2 3 1 9 9 0 ) 、电 压允许波动和闪变( g b1 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ) 、公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 、三相供电电压允许不 平衡( g b 厂r1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 、电力系统频率允许偏差( g b 厂r1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、暂时过电压和瞬态过电压 4 塑查查兰塑主堂焦丝壅 一羔二兰! ! ! 生 f g b t1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 等电能质量国标口i 。这些国标的摘要见附录。但对于电能质量问题，不论是 理论研究还是装置的开发部还处于尝试应用阶段，特别是对于暂态电能质量现象的描述和定义还 没有统一的标准，有关电能质量的检测、分类与识别的分析方法诸如f f l j 小波变换以及人工智能 的结台应用研究已逐步展开，并成为电能质量领域的新热点问题。特别是基于小波变换的电能质 量问题的应用方面己进行了探讨和试验研究，并取得了一定的理论成果 1 5 - 1 7 1 。而针对电能质量的 改善，国内目前开发了各神装置，如有源电力滤波器( a p d 和无源滤波器f r y ) 、配电用静态同步补 偿器“d s l o m ) 、动态电压恢复器( d v r ) ，统一电能质量控制器( u p q c ) 等，许多已进入实验阶 段【1 8 】。 与国外相比，我国的电能质量标准体系还很不完善，如有些指标已经是工业生产中急需提出 的，但目前仍没有作出必要的规定，缺少相应的检测推荐方法和测量精度等的规定，有些指标的 科学性和可操作性羞等，而且还缺少完整的技术指导和行业规程导则。而且由于国内整体电力系 统自身的限制，在该领域的研究主要以概念性问题为主，缺乏对深层次问题和应用技术方面的深 入研究。在电力生产实际中，国内供电部门和电力用户对暂态电能质量问题还未引起足够的重视。 1 2 3 几种常见类型的电能质量扰动的定义 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办法，因此对电能质量进行分类和给出相应的定义是很重 要的。由于我国国家标准还有不完善的地方，因此本文将以国家标准为基础，以i e e e 的标准为 依据将九种常见电能质量扰动给出相应的定义，本文后面的对于各种电能质量的检测与识别也是 基= f 下面的九种电能质量的定义与描述： 1谐波 国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数 倍”。据此可以认为谐波的特征指标是谐波频谱。图卜3 是典型变速驱动输入电流波形和频谱图。 我国有关谐波的国标是公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 。 波形畸变水平的描述方法，通常用具有各次谐波分量幅值和相位角的频谱表示。此外，在实 际应用中也常用单项数据来表示，即用总谐波畸变率( t h d ) 作为度量标准。根据g b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 电流、电压总畸变率( t h d ，t h d d ) 分别为： 孔日d ，= x 1 0 0 5 厨一 ! ! 查查兰堡主兰焦堡苎翌二兰! i 旦 t l 弧n = 1 0 0 ( i - 2 ) 厶、为第 次谐波电流、电压的均方根值： h 谐波次数： 卜所考虑的谐波最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确度要求来确定，通常去m j 0 、“为工频电流、电压的均方根值； 2 3 电1 5 流1 d ( a ) 5 o 051 口 1 52 d2 53 口 蛹攀( h z ) ( a l 输入电流波形b ) 输入电流频谱 图卜3 典型变速驱动输入电流波形和频谱 2 电压波动 负荷电流的大小呈现快速变化时，可能引起电压的变动，也常简称为闪变。闪变术语来自电 压波动对照明的视觉影响。从严格的技术角度讲，电压波动是一种电磁现象，而闪变是电压波动 对某些用电负荷造成的有害结果。但是，在技术标准中常把这两个术语合为一体讨论。因此，我 们也将使用电压闪变术语来说明电压波动问题。电压波动的特征指标是波动幅值、出现频率、调 制频率。我国的关于电压波动和闪变的国家标准是g b l 2 3 2 6 - 2 0 0 0 。 电压波动( v o c a g ef l u c t u a t i o n ) 为一系列电压变动或连续的改变。电压波动值为相邻电压 均方根的两个极值嘛。和l _ ，。之差u ，常以其标称电压0 k 的百分数表示其相对百分值，即 d =：二1 0 0 u l ， 电压波动波形为以电压均方根值或峰值的包络线作为时 。 间函数的波形。分析时抽象地将工频电压“( 或u ) 看作 载波，将波动电压v 看作调幅波。如果电压波动频率在 6 8 h z ，波动均方根值为0 3 时就可能感知灯光的闪 烁现象。由电压波动产生闪变现象的例子如图l 一4 所示， 它是因电弧炉运行造成的。 6 f l - 3 j 1f 闹。闹f 矽她 必l 图l 一4 电弧炉引起的电压波动 河海大学硕士学位论文 第一章结论 3 电压暂降与电压短时间中断 电压暂降与中断并不是一个新问题。当配电系统中发生短路故障、感应电机启动、雷击、开 关操作、变压器以及电容器组的投切等事件时，均可引起电压暂降。其中，短路故障、感应电机 启动和雷击是引起电压暂降的最主要原因。短路故障和感应电机启动引起的电压暂降波形如图 卜5 所示。但由于以往的绝大多数用电设备对电压的短时突然变换不敏感，因此该问题并来引起 人们的关注。但是随着用电没备技术的不断更新，大量敏感性用电设备使用，对供电系统的电压 质量提出了更高的要求。据调查，在电能质量的诸多原因中| 由电压暂降引起的用户投诉占整个 电能质量问题投诉数量的8 0 以上。因此虽然我国的国家标准来对之进行阐述，本文还是将之列 为需要分类的电能质量问题之一。 i l a ) 短路故障造成的电压菅降的均方根值u f , m s 波形( b ) 电机启动引起的电压暂降豹均方根值矾蝴s 波形 图i - 5 电压哲降的均方根值仉咖s 渡形 电压暂降与短时间中断通常是相关联的电能质量问题断，采用骤降幅值和骤降持续时间的特 征量来描述。电压暂降是指供宅电压均方根值在短时间突然下降的事件，萁典型持续时间为05 3 0 周波。与电压波动不同的是，它指的是电压均方根值一般在额定值大幅度的快速下降。i e c 将 其定义为电压下降到额定值的9 0 1 ；i e e e 将其定义为下降到额定值的9 0 1 0 。当电压 均方根值降低到接近于零时，称为中断。 4 电压暂升 电压“暂升”的含义是指在工频条件下，电压均方根值上升到1 1 1 8 p “之间、持续时间为 0 5 周波到1 r a i n 的电压变动现象。与暂降的起因一样，暂升现象是同系统故障相联系的。 例如，当单相对地发生故障，非故障相的电压可能会短时上升。但电压暂升不像电压暂降那 样常见a 另外，当太容量负荷甩开或大容量电容器组增能时也会引起电压暂升。我们可以利用电 压暂升的幅度大小和持续时间来表征这一现象。应注意到，由于分类方法不同，在许多资料中也 使用：“瞬态过电压”作为“电压暂升”的同义词。 5 陷波 陷波是电力电子装置在正常工作情况下，交流输入电流从一相切换到另相时产生的周期性 7 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 电压波动。由于陷波连续出现，可以通过受影响电压的波形电压的波形频谱来表征。但由于陷波 的相关频率相当高，很难用谐波分析中习贯采用的测量手段来反映他的特征量，通常把它作为特 殊问题处理。例如，一种评价指标规定，出现的陷波以其下陷深度和宽度来衡量。缺口乎均深度 不能超出0 , 2 u r n ，缺口出现振荡时，振荡幅度最大值不能超过o 2 。图i - 6 给出了连续直流式 三相换流器的电压陷波例子。可姒看到，当电流换相时造成陷波。原因是此时发生了短时的两相 短路，使电压瞬时跌落出现缺口，并可能趋于零值，且随系统等值阻抗不同而变化。 1 口 电 压0 怫 。哪 时问0 ) 图卜6 三相挠流器的电压陷波 6 冲击性瞬变现象 e 一6 电啪 涟 一1 5 一：0 时问 图卜7 雷击引起的电流冲击瞬变现象 对于冲击性瞬变现象并没有国家标准，所以在这里介绍的是i e e e 关于冲击性瞬变现象的定义 和描述。 冲击性瞬变是种在稳态条件下，电压、电流非工频的、单极性( 即主要为正极性或负极性) 的突然变化现象。用以描述脉冲暂态的两个参数是上升时间和衰减时间，也可以通过其频谱成分 表示。例如- 某表示为l 、2 5 0 口s ，2 0 0 0 v 的冲击脉冲是指其电压经过1 i2 口s 后上升到2 0 0 0 v 峰值，然后经5 0 s 衰减为峰值的l 2 。最常见的引发冲击脉冲瞬变现象的原因是雷电。图卜7 展示了一种典型的雷击引起的冲击电流变化图形。 7 振荡瞬变现象 振荡瞬变是一种在稳态条件下，电压、电流的非工频、有正负极性的突然变化现象。对于迅 速改变瞬时值极性的电压和电流振荡问题，常用其频谱成分( 主频率) 、持续时间和幅值大小来描 述其特性。其频谱又可分级定义为高频、中频和低频，这种对频谱的划分是同电力系统通常的振 荡类型相一致的。 在瞬变振荡现象中，主频大于5 0 0 k h z ，以数微秒来度量其持续时间的瞬态现象，称为高频振 荡现象a 它往往是由事发当地系统的相应脉冲造成的。主频率在5 5 0 0 k - i z 范围、以数十微秒来 度量其持续时间的瞬态现象称为中频振荡现象。例如，图l - b 所示为背靠背电容器投切引起的几 十千赫电流振荡波形主频低于5 1 d h ，持续时间在0 3 5 0 m s 的瞬态现象，称为低频振荡现象。 这种现象常出现在辅助输配电系统，并且可能由多种时间； 发，最常见的是电容器组的投切。图 l 一9 就是一个典型电容器组投切引起的低频瞬变振荡现象。 8 型查查兰堡! 兰竺堡兰 一一笙二兰! ! 已 龟 流 。 “”“” 时涧 图卜8 背靠背电容器投切引起的瞬变振荡电流 8 直流偏置 卜八八八八八八八 圈卜9 电容器组投切引起的低频瞬变振荡现象 在交流系统中出现直流电压或电流称谓直流偏置。这可能是由于地磁干扰或半波整流产生的。 例如，为延长灯管的寿命在照明系统中采用的半波整流器电流，会使交流变压器偏磁，以至于发 生磁饱和，引起变压器铁心发热。缩短使用寿命。直漉分量还会引起接地极和其他电气连接设备 的电解腐蚀。 9 频率偏移 国家有关的标准为电力系统频率允许偏差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 2 。把电力系统基波频率偏离 规定正常值的现象定义为频率变化。工频频率的值与向系统供应电能的发电机的转子速度直接相 关。当负荷与发电机问出现动态平衡变化时，系统频率就有小的变动。频率偏差及其持续时间取 决于负荷特性和发电控制系统对负荷变化的响应时间。输配电系统的大面积故障，如大面积甩负 荷、大容量发电设备脱机等，可能使正常稳态运行的系统出现频率偏差超出允许的极限范围。 1 3 电能质量的检测和分析方法 近年来，基于数字技术的各种分析方法己在以下的电能质量领域中得到广泛应用【6 】：( 1 1 分析 谐波在网络中的传播；( 2 ) 分析各种扰动源引起的波形畸变：( 3 ) 开发各种电能质量控制装置，分 析它们在解决电能质量问题方面的作用。按所采用的不同分析方法，这种技术主要可分为时域、 频域和变换域三种。 1 3 1 时域仿真方法 在三种方法中，时域仿真法在电能质量分析中的应用最为广泛，其主要用途是利用各种时域 仿真程序对电能质量扰动现象进行研究，目前较通用的时域仿真程序主要有k m t p 、e m t d c 、 n e t o m a c 等仿真程序s p i c e 、p s p l c e 、s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。 利用上述仿真程序可在如下电能质量领域中展开研究：计算系统中出现的过电压，分析其 9 撕佃略o“砌“ 电 压 ! ! 查查兰堡主兰堡堡兰 一。翌二呈! ! 兰l 对备种保护设备的影响；分析电容器投切造成的暂态现象；分析可控硅换漉器造成的电压陷 波：分析电弧炉造成的电压闪变；分析不正常接地引起的电能质量问题等。由于配电系统中 电能质量问题日益严重，而广大电力用户对电能质量的要求不断提高，研究和应用各种改善电能 质量的电力电子控制器已成为当务之急。利用暂态仿真程序对这些控制器及其控制策略进行仿真 分析，将成为这些时域仿真程序在电能质量应用中最有发展前途的方法。此外，由于e l v f f p 等系 统暂态仿真程序的不断发展，其功能日益强大，还可以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。 i 3 2 频域分析方法 频域分析法主要要用于电能质量中谐波问题的分析，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计算方法，即在常规的谐波潮流 计算基础上，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 矢量，从而得到动态谐波潮流解。 i 3 3 基于变换的方法 基于变换的方法主要指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。 作为经典的信号分析方法f o u r i e r 变换具有正交、完备等许多优点，而且有象f f t 这样的快 速算法。因此。已在电能质量分析领域中得到广泛应用。但在运用f f t 时必须满足以f 条件f 1 9 】： a ) 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ib ) 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列条件时，利用f f t 分析会产生 “旁瓣”和“频谱泄漏”现象，给分析带来误差。而且f o u r i e r 变换对信号的动态跟踪也不是很 有效。 为解决上述问题，g a b o r 利用加窗，提出了短时f o u r i e r 变换方法，即将不平稳过程看成是 一系列短时平稳过程的集合，将f o u r i e r 变换用于不平稳信号的分析。文献 2 0 利用统计特性， 提出的短窗算法和短窗自相关算法能在噪声情况下检测和定位电能质量扰动的开始和结束时间， 并记录持续时间，同时能对电能质量扰动的类型进行识别。由于实际多尺度过程的分析要求时一 频窗口具有自适应性，即高频时要求时频窗大、时窗小，低频时要求时频窗小、时窗大，而s t f t 的时一频窗口则固定不变。因此，它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。而且，这种方法的离散形式没有正交展开，难以实现高效算法。 从前面国内外关于电能质量的定义和分类可以看出，电能质量的扰动信号频谱非常广泛( 从 0 数m i q z ) ，因此用传统的f o u r i e r 变换处理存在一定的缺陷。小波变换由于具有时频局部化的 特点，且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，尤其是暂态 1 0 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 过程分析领域将具有f f r 、s t f r 所无法比拟的优点，因此为电能质量分析提供了新的数学工具 和研究方向【”1 。 1 9 9 4 年，s s a n t o s o 首先在文献e 2 2 中将小波变换应用子电能质量的分析，在文中作者用d b 4 和d b l o 小波函数分别对电压跌落，平顶波和谐波即便进行小波变换，实现了对电能质量扰动的检 测与时间定位，但是并未讨论小波母凼数的选择对检测结果的影响。文献【2 3 】则通过分析比较得 出d b 4 小波是d b 小波系中最适用于检测电能质量扰动的小波的结论。另外利用小波变换的极大模 值理论统一可精确地对电压跌落发生、恢复时问进行定位【l “。 文献【7 】利用小波提取信号的高频段( 内含突变信息) ，再利用突变信息在高频段上表现出的 奇异性进哥亍时间定位，最后对扰动进行分类。但是当噪声污染严重或存在谐波影响时，可能无法 检测或误测到信号突变点，使方法失效。文献 2 4 1 基于小波奇异信号检测理论，提出一种实用的 电能质量扰动的分类，检测方法双小波( d b l 小波和d b 2 4 小波) 。该方法先用d b l 小波低频 分解系数将检测时易受噪声影响的电压凹陷、凸起和间断检测出来，然后用d b 2 4 小波分解并提取 高频重构信号，将暂态脉冲、暂态振荡及正常信号鉴别出来，同时能对各种扰动进行各项指标定 位。 电能质量监测装置记录了大量的电能质量扰动数据，要从中人为地判断扰动类型是不切实际 的。一些文献尝试用小波变换的方法对其分类，文献【3 7 】提出了基于小波变换的识别方法，并和 傅里叶重构方法进行比较，结果表明基于小波变换的识别方法是有效的。为了使电能质量监测装 置或其它扰动存储设备能够捕获暂态扰动，文献 3 8 1 对基于小波变换的暂态扰动识别方法进行了 研究。文献门提出一种基于小波变换的多扰动识别方法，提出的方法能够区分时域和频域有重甍 的电能质量扰动。该方法采用多分辨分析技术将扰动信号分解为多个尺度上的小波系数，并以这 些系数的标准偏差构成特征矢量实现电能质量扰动检测、定位和分类。 由于电能质量扰动信号非常复杂( 如不同的扰动具有不同的频谱，不同持续时间，不同的电 压幅值) ，涉及的特征量太多，使得分类判决复杂易错，而且大多数方法最终只是对其中一部分扰 动进行的正确分类所以仅仅用一种方法( 如小波变换) 对其进行的准确分类是不够的。人们首 先是采用f o u r i e r 变换与神经网络相结合的方法来进行电能质量扰动的分类【”1 ，但是由于f o u r i e r 变换自身的缺点，使之对于高频暂态信号的识别效果不好。这样，利用小波变换和人工神经网络 结合的方法就自然出现了。文献0 2 1 3 首先采用小波技术提取扰动信号特征：随后将提取的特征 信息输入l v q 神经网络，每个l v q 神经网络产生一个输出，所有的输出不完全一致，也可能出 现相互矛盾的情况。为了得到确定的分类结果，需要对这些输出结果进行“表决”，即使“表决” 结果不能明确表示扰动信号属于哪一类，也可以提供扰动信号属于每类的概率。测试表明，该 方法的分类正确率为9 3 3 。 文献1 4 0 】采用d 7 小波和自组织特征映射网络a n n ，对电压凹陷、周期性电压波动、噪声、 次谐波、畸变、直流偏移及振荡等多种电能质量扰动信号进行了辨识。结果表明，除直流偏移和 ! ! 塑查堂堡主兰竺堡塞 一苎二皇! i 羔l 周期性电压波动的正确识别率较低( 分别为6 7 和7 2 ) 外，其它多数扰动正确识剐率均较高， 如谐波畸变( 9 6 ) ，慢的电压凹陷( 1 0 0 ) ，突然的电压凹陷( 9 6 ) 和高频振荡暂态( 9 0 ) 。 1 4 本文主要工作 如前面儿节所述，电能质量问题对于电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验 的正常运行以及降低能耗等均有重大影响。因此，我们有必要对电能质量变化进行控制，而有效 的控制的前提就是对电能质量故障进行及时的检测和准确的分类，以便有的放矢地采取相应的应 对措施。 事实上，广泛使用的电能质量监控系统应该具有以f 功能： 1 电能质量扰动检测( 包括扰动的定位及扰动信号的压缩和除噪) ： 2 扰动分类( 提取特征量) ； 3 对测量而得的不同类型的电能质量问题及其相应的指标进行分析。 本文的_ 作重点是上述的前二点，即电能质量的检测和分类。基丁以上分析，下面本文将就 这两点具体说明一下本文的主要工作： 1 首先对所采用的分折方法一小波变换理论进行了详细的论述，分析了小波变换相对丁 傅立叶分析的优点，并阐述了小波变换的定义、维连续小波变换、二进小波变换、多分辨率分 析和m a l l a t 算法以及小波包变换等基本理论，为小波变换在电能质量信号中的应用作了必要的铺 垫；并且根据电网中电能质量的实际情况，选择最适合电能质量信号分析的小波基，确定小波的 分解层数： 2 在实际_ 亡程应用中，为减少数据传输量，提取反映信号特征的信息而舍弃其他无关因素。 因此，压缩是电能质量检测的必要前提。并且针对电能质量问题中暂态扰动，提出将基于最佳小 波包基的数据压缩方法用下电能质量的数据压缩 3 由干电能质量信号的非平稳、发生随机性强以及持续时间短，确定出电能质量扰动发生 的时间是非常必要的。本文根据信号的奇异性检测原理，结合小波变换的模极大值理论，以m a l l a t 算法为基础，进行多分辨率分解，提取信号奇异点的小波变换模极大值，实现故障时间的准确定 位； 4 利用小波变换技术对电能质量信号识别中的特征向量提取进行了研究。提出利用小波变 换系数提取特征向量的作为s o f m 神经网络的输入量；并针对电能质量本身的特点，对s o f m 人 工神经网络的算法进行改进，对各种电能质量信号进行自动识别。 1 5 本章小结 随着工业规模的扩大和科学技术的发展，一方面电力用户对电能质量的要求在不断提高+ 另 1 2 河海大学砸j 一学位论文 第一章绪论 一方面许多新型的电气设备运行时向电力系统注入各种电磁干扰，引起电能质量问题日盏突出， 引起供电部门和广大电力用户的普遍重视。本章在介绍了电能质量的研究意义的基础上，首先明 确的电能质量的定义，然后介绍了电能质量问题的国内外研究现状，重点介绍了电力系统中常见 的九种电能质量现象以及本文将在以后章节中将要用到的一些研究方法的研究现状等，最后提出 了本文所作的一些工作。 ! ! 塑查兰里：! 兰竺堡苎一 兰三兰! ：鎏垄堡堡生 2 1 引言 第二章小波变换原理 电能质量分析很重要的方面是对引起电能质量问题的信号进行分析与处理。信号分忻是寻找 种简单有效的信号变换方法使信号所包含的重要特征能显现出来。傅立叶变换【f o u r i e r t r a n s f o r m ) 方法作为经典的信号分析方法具有正交、完备等许多优点，而且有像f f t 这样的快 速算法。傅立叶变换的实质就是将时域信号映射成频域中的连续函数，从而将时域研究转化为频 域研究，揭示信号的频谱分析。它既可以分斩周期函数，遣可以对能量有限的菲周期函数进行频 谱分析。 虽然傅立叶变换能较好地刻画信号的频域特性，但几乎不提供信号在时域上的任何信息，这 样我们在信号分析中面临如下一对基本矛盾：时域与频域局部化矛盾，即我们若想在时域上得到 信号足够精确的信息，就得不到信号在频域上的信息，反之亦然。而在不少实际问题中我们所关 心却是信号在局部范围中的特征。因此出现了时频局部化分析的思想，即同时提供时域和频域的 局部化信息。短时傅立叶变换是一种基本的时频域分析方法，它对一个信号开时间窗，在有限时 阁的窗口内对信号进行傅立时变换，从而得到局部化频域信息。但是由于它的窗口大小和形状固 定不变，不能很好的反映信号突变，有必要寻找其他方法得到信号的时频局部化信息。 小波分析是8 0 年代后期发展起来的应用数学的一个新分支，是泛函分析、傅立叶分析、样条 分析、调和分析和数值分析的完美结晶。小波变换发展了g a b o r 的加窗傅立叶变换的时频局部化 思想，是一种信号的时间一尺度分析方法，具有多分辨率分析的特点，而且在时频两域都具有表 征信号局部特征的能力，是一种时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。即在低频部 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 分辨奉，报适合于探测正常信号中夹带的瞬态反常现象并展示其成分，所以被誉为分析信号的显 微镜a 理论和实践证明，小波变换是分析非平稳信号或具有奇异性突变信号的最有效方法。为了 更清楚的说明小波变换的原理，在这里我们有必要首先介绍一下傅立叶变换及加窗傅立叶变换。 2 2 傅立叶变换 2 2 1 傅立叶变换 傅立叶变换是众多科学领域里( 特别是信号处理、图象处理、量子物理等) 重要的应用工具 1 4 塑堂查兰堡一! 兰些堡兰 苎三兰! ：鲨壅壅堕：! ! 一 之一。从实用的观点看，当人们考虑傅立叶分析时，通常是指( 积分) 傅立叶变换和傅立叶级数。 傅立叶变换是在实直线上定义的某个函数，的傅立口 r 积分，其中连续傅立时变换的定义为： f ( ) = r 。e - i ”t f ( t ) d t ，o ) 口( r ) ( 2 - 1 ) 连续傅立叶变换的逆变换为： ，) 。去j = 。“f ( 跏( 2 - 2 ) 傅立叶变换是时域到频域互相转化的工具，从物理意义上讲，傅立叶变换的实质是把，( f ) 这 个波形分解成许多不同频率的正弦波的叠加和。这样我们就可以把对原函数f ( t ) 的研究转化为对 其权系数，即其傅立叶变换，) 的研究，其对周期信号的分析具有良好的效果，对于大多数平 稳信号傅立叶分析十分有效，因为信号的频率成分具有相当重要的作用，作为经典的信号分析方 法傅立叶变换具有正交、完备等许