畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-電能質(zhì)量擾動(dòng)分類(lèi)方法研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)HUNANUNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)論文題目電能質(zhì)量擾動(dòng)分類(lèi)方法研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)專(zhuān)業(yè)班級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化4班學(xué)院名稱電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)老師學(xué)院院長(zhǎng)2015年 6月7日第I頁(yè)第I頁(yè)電能質(zhì)量擾動(dòng)分類(lèi)方法研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也在不斷提高，電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢查和分類(lèi)備受關(guān)注。本文介紹了電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生的背景和中外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了電能質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的原因和分類(lèi)，對(duì)單一的電壓暫升、電壓暫降、電壓中斷、暫態(tài)脈沖、諧波和閃變做了詳細(xì)的介紹，給出了通過(guò)MATLAB軟件獲得這六種擾動(dòng)信號(hào)的計(jì)算公式。在對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)分析時(shí)，對(duì)小波變換進(jìn)行了系統(tǒng)介紹。傅里葉變換是小波變換的基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行了概述。建立了仿真模型對(duì)小波變換和傅里葉變換的優(yōu)缺點(diǎn)選擇利用小波分析變換對(duì)暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行仿真，選擇小波變換的方法利用MATLAB對(duì)暫態(tài)型號(hào)進(jìn)行了仿真。利用傅里葉變換的方便準(zhǔn)確性對(duì)穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)進(jìn)行了仿真。對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)的具體分類(lèi)做了一個(gè)具體的模型，在這個(gè)模型中，輸入具體的信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)快速辨別信號(hào)種類(lèi)。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量；擾動(dòng)信號(hào)；仿真方法；小波變換第II頁(yè)第II頁(yè)P(yáng)owerqualitydisturbance

classificationmethod

researchandsystem

designAbstractWiththedevelopmentofthescaleofindustryandthedevelopmentofscienceandtechnology,therequirementofpowerqualityforpowerusersisalsoincreasing.Theexaminationandclassificationofpowerqualitydisturbancehasreceivedmuchattention.PowerqualitydisturbanceproblemsarisingfromthebackgroundandthestatusofChineseandforeignresearch,focusesontheelectricenergyqualityproblemscausesandclassification,toasinglevoltagesags,voltagesag,voltageinterruption,pulsetransient,harmonicandflickerareintroducedindetail,isgivenbyMATLABsoftwareobtainedthesixkindsofdisturbancesignalcalculationformulaisintroducedinthispaper.Inthepowerqualitydisturbanceanalysis,thewavelettransformisintroducedsystematically.FuLiyetransformisthebasisofwavelettransform..EstablishedthesimulationmodelofwavelettransformandFouriertransformtheadvantagesanddisadvantagesoftheoptionofusingthewavelettransformanalysistotransientdisturbancesignalsimulation,selectionofwavelettransformmethodbyusingMATLABtosimulatethetransientmodel.TheaccuracyoftheFuLiyetransformisusedtosimulatethesteadypowerqualitysignal..Thespecificclassificationofpowerqualitydisturbanceisdone.Inthismodel,thetypeoffastsignalcanberealized.KeyWords：Powerquality;

signal;

simulationmethod;

wavelettransform第III頁(yè)第III頁(yè)目錄1緒論………..……………..……………..…….…….….11.1課題背景及目的…………………11.2國(guó)內(nèi)外研究狀況……………………….…….…..21.3課題研究方法………..……………..……………..……………..31.4論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容………..…………………..32電能質(zhì)量擾動(dòng)的產(chǎn)生…………………..……………..……….…..…..32.1電能質(zhì)量擾動(dòng)產(chǎn)生的原因…………………..………….…...…..32.2電能質(zhì)量擾動(dòng)的種類(lèi)及特征………………..………….…...…..42.3用MATLAB產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào)的方法..……………….….……….63電能質(zhì)量擾動(dòng)的分類(lèi)方法…………………..……………..……….…83.1電能質(zhì)量分析方法綜述………………..……………..…………83.1.1時(shí)域分析方法………………..……………..……………83.1.2頻域分析方法…………………..……………..…………83.1.2基于變換域的分析方法…………………..……………..93.2特征提取方法理論及其應(yīng)用…………………..……………103.2.1小波變換的基本理論及其在電能質(zhì)量分析的應(yīng)用……103.3電能質(zhì)量擾動(dòng)分類(lèi)的小波分析方法算例…………………..….123.4兩種電能質(zhì)量擾動(dòng)分類(lèi)方法的比較…………………..…….…154仿真結(jié)果及結(jié)論………………….…...164.1電壓暫降擾動(dòng)信號(hào)的仿真……………….….….164.2電壓暫升擾動(dòng)信號(hào)的仿真………………….…..16第IV頁(yè)第IV頁(yè)4.3電壓中斷信號(hào)擾動(dòng)的仿真………………….…...174.4暫態(tài)脈沖擾動(dòng)信號(hào)的仿真………………………174.5諧波的仿真………..……………..………………184.6閃變擾動(dòng)信號(hào)的仿真………..……………..……184.7結(jié)論…………………..……………..……………195電能質(zhì)量擾動(dòng)分析的系統(tǒng)設(shè)計(jì)………..…………….19致謝……………………..…………….…21參考文獻(xiàn)……………..…………….……22第頁(yè)1.緒論1.1課程背景及目的電能既是一種經(jīng)濟(jì)使用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源形式，又是一種由電廠發(fā)電、電力部門(mén)向用戶提供，并由三方共同保證質(zhì)量的產(chǎn)品。電能質(zhì)量目前沒(méi)有完全統(tǒng)一的定義，從電能生產(chǎn)、輸送和使用角度，有著不同的參考框架而對(duì)電能質(zhì)量有著不同的解釋。從普遍意義上來(lái)講，電能質(zhì)量就是優(yōu)質(zhì)供電。隨著工業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門(mén)用電量不斷增加，電氣化程度越來(lái)越高，電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求也在不斷提高。20世紀(jì)90年代以來(lái)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家普遍認(rèn)為，當(dāng)代電力系統(tǒng)除了保證電網(wǎng)安全運(yùn)行的基本要求以外，還應(yīng)把質(zhì)量控制、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和高效能量管理作為評(píng)估電力系統(tǒng)運(yùn)行水平的重要內(nèi)容。影響電能質(zhì)量的因素主要有自然現(xiàn)象和災(zāi)難，如雷擊；電力設(shè)備及裝置故障或保護(hù)誤動(dòng)作；終端用戶非線性、沖擊性污染型負(fù)荷的大量使用；人為事為保證電能安全經(jīng)濟(jì)地輸送、分配和使用。理想供電系統(tǒng)的運(yùn)行應(yīng)具有如下特性：（1）單一恒定的電網(wǎng)標(biāo)稱頻率50HZ，規(guī)定的若干電壓等級(jí)（如配電網(wǎng)系統(tǒng)一般為110KV，35KV,10KV,380/220V）和以正弦函數(shù)波形變化的交流電向用戶供電并且這些運(yùn)行參數(shù)并不受用電負(fù)荷的特性的影響。（2）始終保持三相交流電壓和三相負(fù)荷電流平衡。用電設(shè)備攝取電能應(yīng)當(dāng)最大輸效率，即達(dá)到單位功率因數(shù)，同時(shí)各用電負(fù)荷之間互相不存在干擾。（3）電能供應(yīng)的充足，及向電力用戶不中斷的供電，始終確保電力設(shè)備正常的工作并且使系統(tǒng)中的功率供需時(shí)刻都是平衡的。隨著時(shí)代進(jìn)步與科技發(fā)展，現(xiàn)代電網(wǎng)與負(fù)荷構(gòu)成出現(xiàn)了新的變化趨勢(shì)，由此帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越引起電力部門(mén)和電力用戶的高度重視。電網(wǎng)與負(fù)荷構(gòu)成出現(xiàn)了變化，慢慢形成了電力系統(tǒng)的擴(kuò)張和聯(lián)網(wǎng)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性和可靠性的要求不斷提高。在確保電力系統(tǒng)一定的自然壟斷特點(diǎn)的條件下，引入了競(jìng)爭(zhēng)的機(jī)制，在當(dāng)代電力系統(tǒng)中，它與計(jì)算機(jī)科學(xué)和通信技術(shù)的結(jié)合更加緊密，采用高新技術(shù)提高電力傳輸能力和實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化的趨勢(shì)方興未艾。保證電能質(zhì)量水平需要多方面的配合，才能取得雙贏或多電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置是電網(wǎng)管理者實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)有效監(jiān)管的必需設(shè)備，只有對(duì)反映電能質(zhì)量指標(biāo)的參量進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的測(cè)量，才能為實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效解決提供可靠的數(shù)依據(jù)。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置是電網(wǎng)管理者實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)有效監(jiān)管的必需設(shè)備，只有對(duì)反映電能質(zhì)量指標(biāo)的參量進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的測(cè)量，才能為實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效解決提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)，按照被檢測(cè)對(duì)象大體可以分為以下三類(lèi)：（1）遠(yuǎn)程檢測(cè)儀，該類(lèi)儀器主要被固定安裝在一些公共節(jié)點(diǎn)，比如發(fā)電站、重點(diǎn)監(jiān)管的工廠等，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的在線檢測(cè)，具備一定的錄波和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)可以組成一個(gè)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。（2）便攜式多功能分析儀器，該類(lèi)儀器功能比較強(qiáng)大，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間或者短時(shí)間數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用可變窗寬的FFT算法和小波變換等先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理算法，擁有完善的軟件功能和比較方便的操作界面，主要適用于現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)，科學(xué)研究和干擾設(shè)備接入電網(wǎng)前后的檢測(cè)，價(jià)格比較昂貴。（3）手持式分析儀，由用戶隨身攜帶，可以定期或者隨機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)，功能較為簡(jiǎn)單。國(guó)外對(duì)于電能質(zhì)量研究起步較早，加之對(duì)電能質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究非常重視，因此在電能質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備方面占有很大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，國(guó)外的電能質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備不但技術(shù)水平高，而且種類(lèi)多樣，典型如日本日置（Hioki）開(kāi)發(fā)的PW3198系列電能質(zhì)量分析儀，美國(guó)福祿克公司的Fluke430系列電能質(zhì)量分析儀、1760系列三相電能質(zhì)量記錄儀，瑞典LEM公司的TOPAS1000系列電能網(wǎng)絡(luò)分析儀和PQFIX電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)裝置，瑞典聯(lián)合電力公司的UP-2210在線式電能質(zhì)量分析儀和U900F便攜式電能質(zhì)量分析儀等，這些產(chǎn)品代表了當(dāng)今世界電能質(zhì)量分析的最高水平，具有檢測(cè)指標(biāo)豐富，測(cè)試精度高等特點(diǎn)，其中美國(guó)福祿克公司Fluke430系列電能質(zhì)量分析儀具有便攜、高精度、高穩(wěn)定性特點(diǎn)，能夠?qū)θ嚯妷弘娏鞲鲄?shù)、電壓和頻率偏差等基本參數(shù)測(cè)量，還涵蓋了閃變分析和間諧波測(cè)量、事件記錄分析的功能，而且配備了專(zhuān)業(yè)的分析軟件能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行圖形化分析和報(bào)表顯示。國(guó)內(nèi)對(duì)于電能質(zhì)量研究起步較晚，上世紀(jì)80年代有科研院所開(kāi)始諧波的研究工作，隨后有一些公司開(kāi)始致力于電能質(zhì)量檢測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)和研究工作，并取得了一定的成果。目前國(guó)內(nèi)致力于電能質(zhì)量檢測(cè)裝置開(kāi)發(fā)的公司還不多，比較有代表性的為上海寶鋼安大電能質(zhì)量有限公司、安徽振興科技股份有限公司、臺(tái)灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司等，這些產(chǎn)品大多數(shù)以檢測(cè)穩(wěn)態(tài)參數(shù)為主，也具有測(cè)量某些瞬態(tài)參數(shù)的功能，具有一定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和通信功能，但總體而言與國(guó)外的差距比較大，主要體現(xiàn)在：測(cè)量精度距離國(guó)際先進(jìn)水平還有較大差距；檢測(cè)指標(biāo)單一，不能進(jìn)行全面的測(cè)量；配套軟件功能簡(jiǎn)陋，不能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行豐富可靠的分析；欠缺友好的界面和良好的操作體驗(yàn)；產(chǎn)品缺乏相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。1.3課題研究方法近年來(lái),在PQ領(lǐng)域中，各種基于數(shù)字技術(shù)的方法被大量的應(yīng)用:（1）諧波在網(wǎng)絡(luò)中傳播的分析;（2）對(duì)各種干擾信號(hào)引起的波形的畸變的分析;（3）對(duì)各種PQ控制設(shè)備的開(kāi)發(fā),分析它們?cè)诮鉀QPQ問(wèn)題中起到的作用。根據(jù)分析方法的不同，這種技術(shù)包括時(shí)域、頻域和變換域3種。（1）時(shí)域分析法：通過(guò)在時(shí)域?qū)π盘?hào)的指標(biāo)或參數(shù)進(jìn)行定義和計(jì)算，從而提取電能質(zhì)量特性的方法。其中最具代表性的方法是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)。該方法基于形態(tài)譜上的刻度和幅值變化對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)特性進(jìn)行有效提取。（2）頻域分析方法：頻域分析方法主要用于電能質(zhì)量中諧波問(wèn)題的分析,包括頻率掃描、諧波潮流計(jì)算等。（3）基于變換的方法：運(yùn)用數(shù)學(xué)變換方法把信號(hào)從時(shí)域變換到其它域進(jìn)行分析的方法。小波變換采用可根據(jù)信號(hào)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)窗口大小的自適應(yīng)窗口，使得在分析信號(hào)低頻部分時(shí)有較高的頻率分辨率，而在分析信號(hào)高頻部分時(shí)有較高的時(shí)間分辨率。1.4論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容本文首先給出了各種電能質(zhì)量擾動(dòng)產(chǎn)生的原因及其特點(diǎn)，進(jìn)而給出了用MATLAB仿真軟件仿真各種擾動(dòng)信號(hào)的計(jì)算公式。通過(guò)改變公式中的有關(guān)參數(shù)，可以產(chǎn)生各種需要的干擾信號(hào)。同時(shí)，文章給出了產(chǎn)生各種電能質(zhì)量擾動(dòng)的MATLAB程序。在對(duì)電能質(zhì)量擾動(dòng)分類(lèi)和檢測(cè)方面，本文概述了三種分析方法，重點(diǎn)論述了兩種常用的基于變換的分析方法，即小波變換和傅里葉變換。本文還對(duì)這兩種方法的特點(diǎn)做出了比較，最終使用小波變化這種使用廣泛的方法。之后，文章重點(diǎn)介紹了小波變換在分析電能質(zhì)量擾動(dòng)中的應(yīng)用并給出具體算法，并提供了仿真程序和結(jié)果。2.電能質(zhì)量擾動(dòng)產(chǎn)生2.1電能質(zhì)量擾動(dòng)產(chǎn)生的原因引起PQ問(wèn)題的原因比較復(fù)雜，其產(chǎn)生具有偶然性，它一般在系統(tǒng)受到內(nèi)部故障、外部干擾、正常的操作情況下產(chǎn)生。并且，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)聯(lián)系強(qiáng)度、感覺(jué)設(shè)備的用電特性也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響；同一擾動(dòng)在不相同的聯(lián)系強(qiáng)度和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下產(chǎn)生的效果的指標(biāo)參數(shù)是不同的，同一擾動(dòng)在相同的聯(lián)系強(qiáng)度和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下對(duì)不相同的響應(yīng)源的影響也不相同。擾動(dòng)能量從高電壓等級(jí)以較小損失傳向低電壓等級(jí)，根據(jù)聯(lián)系的緊密程度，在同一電壓等級(jí)中也進(jìn)行傳輸。引發(fā)PQ問(wèn)題的重要原因有：（1）電力系統(tǒng)短路故障這是普遍、明顯、直觀的擾動(dòng)因素。電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，會(huì)伴隨瞬態(tài)的電壓跌落和電壓中斷。（2）閃絡(luò)或線路對(duì)地放電雷擊引起絕緣子閃絡(luò)，陰雨季節(jié)和其他情況下的線路對(duì)地放電是造成供電中斷和電壓跌落的重要因素。（3）電力系統(tǒng)正常的開(kāi)關(guān)操作電力系統(tǒng)正常的斷路器投切一般伴隨著瞬間的電壓跌落，但幅度一般不大。但如果合閘較大負(fù)荷，往往產(chǎn)生不可忽視的電壓跌落。（4）儲(chǔ)能性電器設(shè)備的正常操作。（5）一些典型的沖擊性負(fù)荷的生產(chǎn)過(guò)程。2.2電能質(zhì)量擾動(dòng)的種類(lèi)及特征電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題主要涉及穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)和暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)兩方面。穩(wěn)態(tài)電能擾動(dòng)主要包括三相不平衡、頻率偏移、電壓偏移以及其他以畸變波形為特征的諧波、間諧波、電壓波動(dòng)與閃變等現(xiàn)象；暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)的問(wèn)題通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為特征的，主要包括各種短時(shí)電壓改變以及間斷、凹陷、凸起、脈沖等各種暫態(tài)現(xiàn)象。其中短時(shí)電壓改變是指在短時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間改變的節(jié)點(diǎn)電壓均根值現(xiàn)象，主要包括電壓暫降、電壓暫升及電壓中斷等現(xiàn)象；暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)由于其持續(xù)時(shí)間短且具有隨機(jī)性、突變性等特點(diǎn)，故其造成的后果不容小覷。因此電能質(zhì)量擾動(dòng)的檢測(cè)、識(shí)別具有著重要的意義，而擾動(dòng)的分類(lèi)識(shí)別則是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的核心工作。根據(jù)上文所說(shuō)，我們將電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題分為兩類(lèi)，即穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)和暫態(tài)擾動(dòng)。其中穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)主要包括以下兩種：（1）諧波交流電網(wǎng)具有有效分量是單一頻率的性質(zhì)，所有和工頻頻率不相同的部分都被稱為諧波。諧波是在非線性負(fù)載上施加正弦電壓，使得基波電流產(chǎn)生畸變而出現(xiàn)的。諧波的MATLAB仿真圖像如圖2.1。圖2.1諧波信號(hào)MATLAB圖像（2）閃變電壓幅值在一定范圍內(nèi)有規(guī)則變動(dòng)時(shí)，電壓最大值與最小值之差電壓幅值不超過(guò)0.9p.u.~1.1p.u.（標(biāo)幺值）的一系列隨即變化，表達(dá)電壓波動(dòng)對(duì)照明燈的視覺(jué)影響。閃變的MATLAB仿真圖像如圖2.2。圖2.2電壓閃變的MATLAB圖像對(duì)于電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)，通常包括以下幾種：（3）電壓暫降由于系統(tǒng)故障或干擾造成用戶持續(xù)時(shí)間0.5周波至1min內(nèi)下降到額定電壓或電流的10％～90％，其MATLAB圖像如圖2.3。圖2.3電壓暫降的MATLAB圖像（4）電壓暫升電壓的有效值升至額定值的110％以上，典型值為額定值的110％～180％稱為電壓上升，其MATLAB仿真圖像如圖2.4。圖2.4電壓暫升MATLAB仿真圖像（5）電壓中斷當(dāng)供電電壓降低到0.1倍額定電壓以下，且持續(xù)時(shí)間不超過(guò)1分鐘，我們認(rèn)為發(fā)生了電壓中斷，電壓中斷是一種短時(shí)間電壓變動(dòng)現(xiàn)象；造成電壓中斷的原因可能是系統(tǒng)故障、用電設(shè)備故障或控制失靈等，其MATLAB仿真圖像如圖2.5。圖2.5電壓中斷的MATLAB仿真圖像（6）暫態(tài)脈沖瞬時(shí)脈沖表示了在兩個(gè)連續(xù)穩(wěn)態(tài)之間的在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的單極性突變現(xiàn)象或數(shù)量變化。它可以是任一極性的單方向脈沖，也可以是發(fā)生在任一極性上阻尼振蕩的第一個(gè)尖峰，其仿真圖像如圖2.6。圖2.6暫態(tài)脈沖的仿真圖像2.3用MATLAB產(chǎn)生擾動(dòng)信號(hào)的方法電源質(zhì)量擾動(dòng)的研究是在正常的正弦信號(hào)中進(jìn)行的。每個(gè)類(lèi)型點(diǎn)電能質(zhì)量擾動(dòng)是用MATLAB所產(chǎn)生的。每個(gè)類(lèi)型的干擾使用不同參數(shù)表達(dá)。1.正常的正弦信號(hào)正常的信號(hào)是用這個(gè)方程產(chǎn)生的：其中ω代表徑向電力系統(tǒng)頻率t代表采樣時(shí)間2.電壓暫升是指工頻情況下電壓或電流的有效值升高至1.1pu-1.8pu之間，且擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間介于0.5個(gè)周期到1分鐘之間，此時(shí)系統(tǒng)頻率仍為標(biāo)稱值。其數(shù)學(xué)模型為：其中A--電壓幅值α--暫升幅度，；--擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間，；3.電壓暫降是指在工頻情況下電壓或電流的有效值降低至0.1pu-0.9pu之間，且擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間介于0.5個(gè)周期到1分鐘之間，此時(shí)系統(tǒng)頻率仍為標(biāo)稱值。其數(shù)學(xué)模型為：其中A--電壓幅值α--暫降幅度，，；--擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間，；4.電壓中斷是指在工頻情況下供電電壓降到0.1pu以下，且持續(xù)的時(shí)間不高于1min的電能質(zhì)量問(wèn)題。其數(shù)學(xué)模型為：其中A--電壓幅值α--暫降幅度，；--擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間，；5.暫態(tài)脈沖表示了在兩個(gè)連續(xù)穩(wěn)態(tài)之間的在極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的單極性突變現(xiàn)象或數(shù)量變化。其數(shù)學(xué)模型為：其中--電壓幅值α--脈沖的幅值，；--擾動(dòng)持續(xù)時(shí)間，；6.諧波信號(hào)其中--3,5,7次諧波的幅值；7.閃變其中α--波動(dòng)的幅值；β--頻率變化系數(shù)。3.電能質(zhì)量擾動(dòng)的分類(lèi)方法3.1電能質(zhì)量分析方法綜述3.1.1時(shí)域分析方法時(shí)域仿真方法在PQ分析中使用的最廣泛,其主要的用途就是使用各種時(shí)域得仿真程序?qū)Q問(wèn)題中的各種暫態(tài)的現(xiàn)象進(jìn)行研究。目前比較常用的時(shí)域仿真的程序主要包括EMTP、EMTDC、NETOMAC等系統(tǒng)暫態(tài)仿真程序以及SPICE、PSPICE、SABER等電力電子仿真程序兩種類(lèi)型。由于電力設(shè)備主要是由電容、電阻和電感等元件組成的,這些程序在計(jì)算使用微分方程描述的電力元件的方程的時(shí)候,通常都是使用簡(jiǎn)單的改變階、改變步長(zhǎng)以及隱式梯形積分的方法。利用隱式可保證計(jì)算的過(guò)程中數(shù)值的穩(wěn)定,采用改變階、改變步長(zhǎng)的技術(shù)可以減少迭代計(jì)算的時(shí)間。采用時(shí)域仿真計(jì)算存在的缺點(diǎn)是仿真步長(zhǎng)的選擇決定了可仿真的最大頻率的范圍,因此事先必須明確暫態(tài)過(guò)程頻率的覆蓋范圍。另外,在模擬開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)的過(guò)程時(shí),也會(huì)引發(fā)數(shù)值的振蕩。因此,要采用相應(yīng)的技術(shù)來(lái)抑制數(shù)值振蕩的發(fā)生。3.1.2頻域分析方法頻域分析的方法是用來(lái)分析PQ問(wèn)題中的諧波問(wèn)題的,包含頻率的掃描和對(duì)諧波的潮流計(jì)算。1.頻率掃描分析諧波時(shí),式(1)可以用來(lái)表征線性網(wǎng)絡(luò)表示。Im=YmUmm=1,2,?,h(1)式中Um代表節(jié)點(diǎn)電壓矢量;Im代表流入電流源矢量;m代表諧波的次數(shù);Ym代表節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣其中,每個(gè)矩陣都是要單獨(dú)生成的[1]。注入幅值大小為1的電流于將要分析的節(jié)點(diǎn),把進(jìn)入剩下節(jié)點(diǎn)的電流設(shè)置為零,求解式(1)所得的電壓就是該節(jié)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的轉(zhuǎn)移阻抗和諧波的輸入阻抗。當(dāng)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的電流的頻率在特定的范圍內(nèi)改變時(shí),可得到相應(yīng)的諧波頻率-阻抗的圖,從圖中的曲線的峰值和谷值可計(jì)算出此節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生串聯(lián)并聯(lián)諧振頻率的大小[2]。2.常規(guī)的諧波潮流的計(jì)算常規(guī)諧波潮流計(jì)算通過(guò)頻域分析的方法也可以進(jìn)行諧波的潮流計(jì)算,進(jìn)而研究系統(tǒng)中諧波的分布情況。對(duì)應(yīng)于每個(gè)諧波頻率,從各個(gè)非線性的負(fù)載的電流中提取出對(duì)應(yīng)的分量成分注入電流矢量[3],代入式(1)就可以求出各節(jié)點(diǎn)電壓的相應(yīng)頻率分量。合成這些分量,又可以得到各節(jié)點(diǎn)電壓的時(shí)域波形。這種方法既簡(jiǎn)單又能適用于大多數(shù)的情況,因此在實(shí)際的諧波潮流求解中使用的較多。但是，在某一些情況下,上述非線性負(fù)載模型的誤差比較大。因此,又提出了一種改進(jìn)的方法,即把非線性負(fù)載電流表達(dá)成為式(2)所示的負(fù)載控制變量和負(fù)載節(jié)點(diǎn)電壓的函數(shù)。Im=F(U1,U2,?,Uh,C1,?,Ck)m=1,2,?,h(2)式中I1,I2,?,Ih代表非線性負(fù)載的電流各次諧波分量;U1,U2,?,Uh代表負(fù)載節(jié)點(diǎn)電壓的各次諧波分量;C1,?,Ck代表負(fù)載控制的變量(逆變器的觸發(fā)角等變量)。使用牛頓法聯(lián)立計(jì)算式(1)(2)就可以得到各節(jié)點(diǎn)的諧波電壓。3.1.3基于變換的方法基于變換的方法主要指Fourier變換方法、短時(shí)Fourier變換方法以及近年來(lái)出現(xiàn)的小波變換方法。傅里葉變換方法是一種經(jīng)典的信號(hào)分析方法，傅里葉變換的優(yōu)點(diǎn)有正交、完備等，并且擁有像FFT這樣的快速算法。因此，它已經(jīng)在PQ分析領(lǐng)域中得到了廣泛的使用。但在使用傅里葉變換時(shí),需要滿足下面的條件:（1）采樣得到的頻率應(yīng)為最高的信號(hào)頻率的二倍或以上；（2）被分析的信號(hào)必須是隨時(shí)間的周期變化并且是處于穩(wěn)態(tài)情況下的。因此,若采集的信號(hào)的頻率不能夠確保上述的條件,使用傅里葉變換分析就可能造成“頻譜泄漏”和“旁瓣”這兩種現(xiàn)象,使分析產(chǎn)生誤差[4]。另外，由于傅里葉變換是的積分是整個(gè)時(shí)間段,時(shí)間信息不能被充分利用;任意突變信號(hào)的頻譜將分散在整個(gè)頻帶中。為了解決以上問(wèn)題,Gabor使用加窗的方法,提出了短時(shí)傅里葉變換的方法,即把不平穩(wěn)的過(guò)程看作一類(lèi)時(shí)間短且穩(wěn)定的過(guò)程的集合,將FFT用在了不穩(wěn)定波的分析。實(shí)際上，對(duì)于多尺度的過(guò)程的計(jì)算需要時(shí)-頻窗口擁有自適應(yīng)的能力,即低頻時(shí)頻窗小、時(shí)窗大,高頻時(shí)頻窗大、時(shí)窗小,而短時(shí)傅里葉變換的時(shí)-頻窗口是要固定不變的。因此,它只適用于對(duì)特征的尺度類(lèi)似的過(guò)程的分析,不適用于對(duì)突變過(guò)程與多尺度過(guò)程的分析。并且,該方法的離散形式?jīng)]被有正交展開(kāi),高效算法就難以實(shí)現(xiàn)。由于小波變換擁有局部化時(shí)頻的特點(diǎn),解決了傅里葉變換和短時(shí)傅里葉變換的缺點(diǎn)，特別是在對(duì)不平穩(wěn)的波形和突變的波形的計(jì)算中很有效。引入小波變換這種新的數(shù)字變換手段之后,它已在處理圖象、分析信號(hào)和壓縮數(shù)字等方面得到了廣泛的使用。因?yàn)榇祟?lèi)函數(shù)其本身衰減的很快,它也是一種瞬態(tài)信號(hào)波形，將它用于PQ分析的領(lǐng)域，尤其是在對(duì)瞬態(tài)過(guò)程的分析中，它具有FFT、STFT沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)。目前,已經(jīng)有論文使用小波分析的方法進(jìn)行PQ評(píng)估、電力系統(tǒng)擾動(dòng)模型的建立和電磁瞬態(tài)的信號(hào)分析等PQ問(wèn)題的解決。經(jīng)常使用的小波分析的基函數(shù)包括:B樣條小波、Daubechies小波、Meyer小波和Morlet小波等；經(jīng)常使用的計(jì)算方法是Mallat基于MRA提出來(lái)的塔式快速小波算法，即Mallat算法。當(dāng)前，小波分析的方法在PQ研究領(lǐng)域中的應(yīng)用還處于起步階段,隨著小波分析技術(shù)的深層的發(fā)展和性能更好的小波基函數(shù)的產(chǎn)生，小波變換技術(shù)必然會(huì)在PQ研究中獲得更廣泛的應(yīng)用。3.2特征提取方法理論及其應(yīng)用3.2.1小波變換的基本理論及其在電能質(zhì)量分析的應(yīng)用從數(shù)學(xué)的角度講，小波是構(gòu)造函數(shù)空間正交基的基本單元，是在能量有限空間L2(R)上滿足允許條件的函數(shù)，理解小波要用到基本的L2(R)空間知識(shí)。在對(duì)信號(hào)的分析的方面，小波分析是有效的基于頻域時(shí)域的分析手段，是為了解決FFT缺點(diǎn)而發(fā)展的。所以從對(duì)信號(hào)波形分析的視角來(lái)看小波，需要使用FFT、F級(jí)數(shù)和濾波器等基礎(chǔ)的知識(shí)。從數(shù)學(xué)的視角來(lái)處理一個(gè)信號(hào)時(shí)，該信號(hào)是一個(gè)自變量為時(shí)間t的函數(shù)f(t)。由于信號(hào)的能量是有限的，即：滿足上式條件的所有函數(shù)組成的集合就是L2(R)圖像是信號(hào)是二維的，其能量也是有限的。事實(shí)上，任何一幅數(shù)字圖像都是從真實(shí)的場(chǎng)景中經(jīng)過(guò)提取和量化處理后得到的。從數(shù)學(xué)的角度看，圖像是定義在L2(R2)上的函數(shù)。對(duì)f(t)?L2(R)，存在L2(R)的一組標(biāo)準(zhǔn)正交基gi(t)，t?R，i=1,2,…使得其中對(duì)于給定信號(hào)f(t)，關(guān)鍵是選擇合適的基gi(t)，使得f(t)在這組基下的表現(xiàn)呈現(xiàn)出我們需要的特性，但是如果某一個(gè)基不滿足要求，可通過(guò)變換將函數(shù)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)基下表示，才能得到我們需要的函數(shù)表示?？珊?jiǎn)單地將小波理解為滿足以下兩個(gè)條件的特殊信號(hào)：(1)小波必須時(shí)振蕩的；(2)小波的振幅只能在一個(gè)很短的一段區(qū)間上非零，即是局部化的。函數(shù)y(t)?L2(R)稱為基本小波，它滿足以下的條件：（2.1）如果是連續(xù)的，可以得到：（2.2）y(t)又被稱作母小波，因?yàn)槠淦揭坪蜕炜s可構(gòu)成L2(R)中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正交基：（2.3）與FFT一樣，小波分析可以視為小波基與函數(shù)的內(nèi)積：（2.4）將a,b離散化并令（2.5）可得到離散化的小波分析函數(shù)：（2.6）（2.7）小波是一種區(qū)域較小的波，他的平均值為零且長(zhǎng)度有限。它的兩個(gè)特征有兩個(gè)：第一個(gè)是小，即在時(shí)域具有近似緊支集或緊支集；第二個(gè)是正負(fù)交替的“波動(dòng)性”，支流分量的大小為0。FFT是把信號(hào)分解成為一系列不同頻率的正弦信號(hào)的疊加，同樣小波變換也是把信號(hào)分解成為一系列小波信號(hào)的疊加，并且這些小波函數(shù)都是將一個(gè)母小波函數(shù)通過(guò)平移和尺度的伸縮得來(lái)的。小波變換優(yōu)于傅立葉變換的地方是，它在時(shí)域和頻域都擁有良好的局部化性質(zhì)。并且由于對(duì)高頻成分采用了逐漸精細(xì)的時(shí)域或頻域采樣步長(zhǎng)，進(jìn)而聚焦到對(duì)象的任何細(xì)節(jié)，所以它被稱為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。小波分析被廣泛應(yīng)用在信號(hào)處理、圖像處理、語(yǔ)音識(shí)別等方面3.3電能質(zhì)量擾動(dòng)分類(lèi)的小波變換方法算例小波變換的基本步驟如下：1.選擇小波函數(shù)，然后將要分析的波形和該小波的起點(diǎn)和始點(diǎn)對(duì)齊；2.求解要分析的信號(hào)與小波函數(shù)相接近的程度，計(jì)算出變換系數(shù)C，C的值越大，就表明此時(shí)的信號(hào)與被選小波信號(hào)越相接近，如圖3.2所示。圖3.23.向右沿著時(shí)間軸將小波函數(shù)平移一個(gè)時(shí)間單位，然后重復(fù)步驟1和步驟2，計(jì)算出此時(shí)的小波分析系數(shù)C，將整個(gè)信號(hào)的長(zhǎng)度覆蓋，如圖所示：圖3.34.把被選的尺度變?yōu)樵瓉?lái)的二倍，重復(fù)進(jìn)行步驟1、步驟2和步驟3，如圖所示：圖3.45.進(jìn)行尺度的伸縮，然后重復(fù)步驟1、2、3、4。圖3.5目前提出的正交小波大致可分為四種，即Daubechies小波，對(duì)稱小波，Coiflets小波和Meyer小波。此類(lèi)正交的小波和前面所討論的“經(jīng)典小波”不同，它們?cè)谝话闱闆r無(wú)法下使用簡(jiǎn)單的公式給出ψ(t)，而是通過(guò)被稱為“Scallingfunction”的φ(t)加權(quán)后的組合而得到的。Scallingfunction是小波分析的另外一個(gè)重要的概念。小波函數(shù)ψ(t)，尺度函數(shù)φ(t)同時(shí)與和相關(guān)連，他們分別代表低高通濾波器，和可以組成兩通道分析濾波器組。以上組成了小波分析中的多分辨率分析理論的基礎(chǔ)。這就是為什么在研究正交小波的時(shí)候，會(huì)同時(shí)涉及到分析濾波器組，尺度函數(shù)φ(t)，以及綜合濾波器組。在MATLAB軟件中，通過(guò)小波工具箱中的相關(guān)程序可以生成類(lèi)型的正交小波及對(duì)應(yīng)于此類(lèi)小波的濾波器。Daubechies小波被簡(jiǎn)稱為db小波。它是法國(guó)學(xué)者因格瑞德于90年代初提出并構(gòu)造的。因格瑞德對(duì)小波分析理論做出了巨大的貢獻(xiàn)。他的波形如圖所示：圖3.6因格瑞德小波3.4兩種電能質(zhì)量擾動(dòng)分類(lèi)方法的比較與Fourier變換相比，小波變換是對(duì)空間（時(shí)間）和頻率部分的變換，因而從信號(hào)中提取信息的能力更強(qiáng)。使用平移和伸縮的運(yùn)算功能，可以對(duì)函數(shù)或波形進(jìn)行各種程度細(xì)化的分析，使傅里葉變換難以解決的很多問(wèn)題得到解決。小波分析是基于數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、物理學(xué)、圖像處理技術(shù)、信號(hào)與信息處理技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的。數(shù)學(xué)家們認(rèn)為，小波分析是數(shù)學(xué)的一個(gè)新的分枝。信息和信號(hào)處理的專(zhuān)家們都認(rèn)為，小波分析是時(shí)間—尺度分析和多分辨分析的一種新技術(shù)，它在信號(hào)分析、語(yǔ)音合成、圖像識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)據(jù)壓縮、地震勘探、大氣與海洋波分析等方面的研究中都獲得了具有科學(xué)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值的成果。信號(hào)分析主要的目的是找到一種簡(jiǎn)單而且有效的信號(hào)變換的方法，使得信號(hào)所包含的重要信息能夠顯示出來(lái)。信號(hào)時(shí)頻分析是包括小波分析，在小波分析出現(xiàn)前，傅立葉變換是信號(hào)處理的領(lǐng)域中使用最廣泛、最有效的一種方法。從物理意義上講，傅立葉變換的本質(zhì)是把一個(gè)波形分解成為不同頻率的正弦波的疊加之和。正是由于傅立葉變換的這個(gè)重要的物理意義，決定了傅立葉變換在信號(hào)的分析和處理中重要的地位。傅立葉變換是時(shí)域和頻域互相轉(zhuǎn)化的工具，傅立葉變換利用在兩個(gè)方向上都無(wú)限的伸展的正弦波為正交基函數(shù)，將周期函數(shù)展開(kāi)成為傅立葉級(jí)數(shù)，把非周期函數(shù)展開(kāi)成為傅立葉積分，使用傅立葉變換對(duì)函數(shù)進(jìn)行頻譜分析，整個(gè)信號(hào)的時(shí)間頻譜特性就被反映了出來(lái)，很好地表現(xiàn)出了平穩(wěn)信號(hào)的特點(diǎn)。小波變換是新出現(xiàn)的基于變換的分析方法，它不但發(fā)展了短時(shí)傅立葉變換局部化的特點(diǎn)，而且也克服了窗口大小不能隨頻率變化的缺點(diǎn)，可以提供一個(gè)能夠隨頻率改變的“時(shí)間-頻率”窗口，是對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析與處理的理想工具。它的主要的特點(diǎn)是利用變換能夠充分地突顯問(wèn)題在某些方面的特性，因此，小波分析在很多領(lǐng)域都得以成功應(yīng)用，尤其是小波分析的離散數(shù)字算法已被廣泛用于很多問(wèn)題的變換研究里。因此，小波變換引起了人們?cè)絹?lái)越多的重視，他的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)也越來(lái)越廣泛了。小波也是有缺點(diǎn)的，在對(duì)信號(hào)頻域分析的時(shí)候，由于小波使用了下采樣，違反了柰圭斯特準(zhǔn)則，造成了頻譜的混疊。另外由于小波是多分辨率分析中的一種，能夠檢測(cè)出信號(hào)中的奇異點(diǎn)。仿真結(jié)果及結(jié)論4.1電壓暫降擾動(dòng)信號(hào)的仿真這里電壓暫降的擾動(dòng)時(shí)間為0.06-0.12，原來(lái)正弦電壓幅度為5，這里幅值下降2.5，仿真中采樣頻率為3200。圖4.1為使用高頻系數(shù)d1得到的暫降信號(hào)原始圖和小波變換圖像。從仿真的結(jié)果可以看出，在電壓暫降擾動(dòng)發(fā)生時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，其高頻系數(shù)d1值有突變，根據(jù)此突變點(diǎn)可以確定該擾動(dòng)的發(fā)生和結(jié)束時(shí)間。4.2電壓暫升擾動(dòng)信號(hào)的仿真壓暫升的擾動(dòng)時(shí)間為0.06-0.12，原來(lái)正弦電壓幅度為5，這里幅值上升2.5，仿真中采樣頻率為3200hz,用db1進(jìn)行變換得到的結(jié)果如圖4.2。從仿真的結(jié)果可以看出，在電壓暫升擾動(dòng)發(fā)生時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，其高頻系數(shù)d1值有突變，根據(jù)此突變點(diǎn)可以確定該擾動(dòng)的發(fā)生和結(jié)束時(shí)間。圖4.1電壓暫降原始圖和小波變換圖像圖4.2電壓暫升原始圖和小波變換圖像4.3電壓中斷擾動(dòng)信號(hào)的仿真電壓中斷擾動(dòng)時(shí)間為0.06-0.12，正弦電壓幅度為5，仿真中采樣頻率為3200。對(duì)其進(jìn)行小波分解，這里也只顯示出高頻系數(shù)d1的放大圖。從仿真的結(jié)果可以看出，在電壓中斷擾動(dòng)發(fā)生時(shí)刻和結(jié)束時(shí)刻，其高頻系數(shù)d1值有突變，根據(jù)此突變點(diǎn)可以確定該擾動(dòng)的發(fā)生和結(jié)束時(shí)間。圖4.3中斷信號(hào)和小波變換圖像4.4暫態(tài)脈沖擾動(dòng)信號(hào)的仿真脈沖信號(hào)原始圖像和用db1小波變換得到的波形圖如圖4.3。圖4.3暫態(tài)脈沖信號(hào)和小波變換圖像4.5諧波的仿真在這里我們選定的諧波包含3次和5次諧波，其中基波的幅值為2，頻率為50，3次和5次的幅值都為5。仿真中的采樣頻率為3200。在這里仿真結(jié)果如圖4.5。圖4.5諧波的原始圖像和傅里葉變化圖像圖中可以清楚地看到通過(guò)傅里葉變換在50、150和250出仿真的結(jié)果有明顯的尖端，得出諧波中除了含有基波外還含有3次和5次諧波。并由此我們可以斷定此干擾信號(hào)為諧波干擾。4.6閃變擾動(dòng)信號(hào)的仿真這里的穩(wěn)態(tài)閃變我們采用規(guī)則的變化，持續(xù)時(shí)間為0.06-0.16頻率為50，幅值為0.1，仿真中的采樣頻率為3200。仿真結(jié)果如圖4.6。圖4.6閃變擾動(dòng)原始圖和傅里葉變換圖像在圖上我們可以明顯的看出通過(guò)傅里葉變換在頻率50兩邊附近幅值出現(xiàn)了明顯的波動(dòng)。由此我們可以斷定此干擾信號(hào)為閃變信號(hào)干擾。4.7結(jié)論由仿真結(jié)果我們可以看出利用傅里葉變換分析穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)具有簡(jiǎn)單而且清楚明了的特點(diǎn)，我們可以很清楚的在圖中看出不同擾動(dòng)信號(hào)中所包含的不同信息，如諧