电能质量分析与控制结课论文

电能质量分析与控制结课论文

论文题目：

小波电能质量分析

学 号： 1067130225 姓 名： 丛培坤 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 10级电气二班 2013年 11 月 10 日

摘要

随着国民经济和科学技术的蓬勃发展，冶金、化学等现代化大工业的发展，电网负荷加大，电力系统中的非线性负荷(硅整流设备、电解设备、电力机车)及冲击性、波动性负荷(电弧炉、轧钢机、电力机车运行)使得电网发生波形畸变，非对称性(负序)和负荷波动性日趋严重。电能质量的下降严重地影响了供用电设备的安全、经济运行，降低了人民的生活质量。所以在世界各国都十分重视电能质量的管理。衡量电能质量的主要指标是电网频率和电压质量。频率质量指标为频率允许偏差；电压质量指标包括允许电压偏差、允许波形畸变率(谐波)、三相电压允许不平衡度以及允许电压波动和闪变。国家技术监督局已公布了上述电能质量的五个国家标准。我国《电力法》明确规定\供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准，对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及时处理\，在《供电营业规则》中也明确规定用户的非线性负荷、冲击负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施予以消除，如不采取措施或采取措施不力，达不到国家标准，供电企业可中止对其供电。在市场经济条件下，供电企业有依法向用户提供质量合格电能产品的责任，用户也有依法用电，不污染电网的义务。因此如何加强电能质量管理，提高电能质量，是市场经济条件下，电网建设管理中必须认真探讨的重要课题。 1．针对当前电力系统中稳态电能质量的谐波问题，结合小波变换中的小波包算法对谐波问题进行相关分析。运用算法推导出谐波电压，电流和功率的 RMS 值。运用 Db40 小波函数进行谐波分析，并通过 MATLAB 环境下的仿真分析，验证其实用性。

2．针对当前电力系统中暂态电能质量问题，需要检测与分析暂态，非平稳信号。运用小波变换模极大值的原理能有效的检测信号奇异点的性质，对电力系统中暂态电能质量如电压骤升，电压骤降，短时中断，振荡暂态，脉冲暂态现象进行分析并实现对暂态现象发生故障时的准确定位。最后通过在 MATLAB 环境的验证分析，提取暂态信号的相关参数如信号的起止时刻，持续时间和故障幅值。 通过电能质量信号在 MATLAB 环境的仿真分析，通过验证的数据可以有效的证明小波变换在电力系统中对电能质量的测量与分析有很好的实用性。 关键词：电能质量；小波变换；谐波检测 ；模极大值 1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

随着社会的飞速发展，人民生活水平的日益提升，在人们的日常生活和工厂的正常生产中电力已经发挥了至关重要的作用。在响应国家可持续发展和节约能源的政策时，电能质量的好坏会直接影响到资源的利用率，甚至国民经济的增长速度。可是当前随着大量工厂的建立，各种整流器，变频系统装置投入使用，电气化火车交通的运行，各种设备都伴随着非线性负荷影响着电力系统的电能质量。电压偏差，频率偏差，谐波等传统电能质量问题日趋严重。然而随着许多电子和计算机系统设备普遍增多使得电力系统中的非传统的电能质量应运而生，短时电压波动和瞬变现象也直接影响了电力系统的电能质量。毋容置疑，不管是传统的电能质量问题还是非传统的电能质量问题都直接影响了电能的质量，会对国民经济增长带来了严重影响，所以寻找检测与分析的治理工作就显得格外重要。对于目前存在的电能质量问题，我们当务之急要准确的定位好影响电能质量问题的根源，是什么现象导致的问题。只有掌握一套全面而又具体的电网瞬时变化的信息。这样我们才能对症下药，制定相关方案来解决和改善当前的电能质量问题。当然在分析稳态电能质量信号过程中，傅里叶变换是一个强有力的工具，能很好的解 决分析问题。而对于一些非线性时变信号，它就有其弊端，不能有效的检测和分析该信号。

因此，采用新的检测分析信号的方法是众多国内外学者的一直研究的课题。这样随着国内外学者的不断研究，短时傅里叶变换，小波变换都能很好的检测分析电力系统中的电能质量问题。

本文通过电力系统中电能质量问题的详细阐述，运用小波变换理论对稳态电能质量的谐波问题和暂态电能质量问题做了详细的研究。

1.2 电能质量的概述 1.2.1 电能质量的概念

理想的电力系统给用户都是按照国家规定的电压水平即标称电压供电的，它都是一个恒定的工频 50Hz 或者 60Hz 的正弦波形。在电力系统中三相交流电的各相电压电流值都是幅值大小相等，相位互成 120 度。而在现实中我们所使用的发电机，变压器等一些元件参数都不是理想的线性和对称的，在用到不同场合时负荷的性质也随着一些因数变化而随机变化的，再加上不正常的调控操作和外来的干扰等一些故障影响。可想而知，这些理想状在电网运行时，供电系统的某一节点的电压与电力系统的额定电压发生了偏移，是因为供电系统在运行时改变了运行方式和一些负荷发生了缓慢的变化。电压偏差就是各点的际电压与电力系统的

额定电压之差。可以用有名值和标么值来表示

系统运行中是不允许的，这样必须有继电保护和自动装置的保护，才能在切除故障事件后短时间内使系统恢复的正常的状态。当然随着国民经济的飞速发展，在工厂生产和人们日常生活当中会出现电阻炉，工频感应电炉，石墨化炉等一些单相大容量负荷，这些大量不平衡负荷会严重影响电网中三相电压不平衡，甚至会危及到电力系统的安全和经济的运行。 4）谐波

谐波定义为：在电力系统中输出一个非正弦电量，使用数学工具傅里叶级数对其分解，这样可以得到一个基波频率，还有其它电流产生的电量频率是大于基波频率的，一般我们把频率是基波频率整数倍的叫做谐波。当然我们要区分关于谐波的一些概念，电力系统发生谐波的次数一般为正整数，也就是说这里介绍的谐波与电磁兼容引起的间谐波，次谐波和分谐波是有一定的不同的。另外对于人们经常提起的谐波与暂态的概念也是不同的，谐波和暂态现象最主要的区别是发生谐波时，它的电压波形和电流波形基本上保持不变，而发生暂态现象时电压波形和电流波形在每一个周期都会发生变化的。在电力系统中，谐波的危害是比较严重的，如下看看谐波危害都表现在哪些方面：

(1)电网在运行过程中由于系统元件带来了一些谐波损耗，这样一来会直接影响到发

电厂发电和供电过程中的效率。更重要的是当 3 次谐波要是流过中性线的话，会对线路产生过热现象，更为严重的是会引起线路着火从而引起火灾。 (2)在工厂生产和日常生活中，由于用电设备一旦受到谐波影响，设备就会不正常工作。这样会带来工厂中的用电设备产生机械振动，甚至用电设备过度发热，导致设备烧坏。

(3)电网运行时一旦受到谐波影响，局部会发生串联谐振和并联谐振现象，如果不加以处理，发生谐振后谐波会被放大，从而对生产和生活带来巨大危害。 (4)谐波会延误一些继电装置，会影响一些电气仪器的测量精度。

(5)在通讯网络发达的今天，谐波严重影响了通信系统的正常运行和通讯质量。它的发生直接影响了相邻通信系统，产生噪声和信号干扰，甚至信息的丢失，这样会使系统不能正常工作。

5)电压波动和闪变

电力系统中由于电压变换、工频电压包络线的周期性变化的现象称为电压波动。对于电压均方根值的两个极值为电压波动值，即U的最大值和最小值。一般以其额定电压UN的百分数来表示其相对百分值，即：

一般电压波动波形的时间函数都是以电压有效值和电压的峰值的包络线。而电流幅值由于具有连续、快速变化特性的负荷，这样会引起电压变化，所以称之为闪变。在日常生活中电压闪变就是指人的肉眼对由电压波动所引起的照明异常的视觉感受，所以闪变术语可以归结到电压波动对白炽灯的影响，也是人的肉眼对白炽灯照明时电压波动的主观感受。准确的来说电压波动是由于电磁干扰后的一种现象，闪变则是在以白炽灯工况条件下判断电压波动的能不能被接受的依据。所以在目前我们会把电压波动和闪变这两个名词联系在一起，也可以用闪变来判断电压波动。

1.2.2 电能质量问题的分类

电力系统中电能质量扰动的类型、性质、特征指标、产生原因、后果以及解决方法如下表 1.1 所示：

1.3 电能质量分析技术研究进展

为了更好的对电压骤升现象进行分析，可以对电压信号运用 Db40 小波进行五层多分辨率分解，分解后的结果如下图 4.8 所示。（其中图中 X 轴表示信号采样点数（N），Y轴表示电压的幅值（p.u.）以及小波变换系数）。图中：D1 和 D2 表示的是信号经过小波变换后得到的第一层高频系数和第二层高频系数，图形中能很好的反映出信号的细节变化。A5 是信号经过小波变换后得到的低频系数，在图形中能很好的反映出信号的概貌部分，基本上和原来信号的波形一致，不同的是在突变点中间信号幅值要比原来正常幅值要大一点，这样我们就可以判断信号发生了电压骤升现象。至于电压信号在哪部分发生电压骤升现象的，在图中 405 点和 789 点处，信号经小波分解后的第一层高频系数 D1 和第二层高频系数 D2 都出现了小波变换模极大值现象，通过之前所介绍的信号奇异性检测理论性质可以说明信号在 405 点和 789 点处存在奇异性，同时也可以判断信号发生电压骤升的突变点在这两点处。 4.4.2 电压骤降的检测与分析

在电力系统暂态电能质量问题中，电压骤降现象是很普遍的现象。在这节我们还是应用小波变换来提取电压骤降的相关特征量来描述它的一些参数如骤降现象的发生时间，持续时间和它的幅值。同电压骤升现象分析原理一样，我们先将电能质量信号均等划分到不同的尺度上，使其获得每个频带的信息。（因为每个尺度对应了一部分的信号，而且不会受到其它频带的影响）。要能很好的描述电能质量的特征，我们只需要提取与特征向量相关的频带信息。在这里我们可以利用MATLAB 仿真软件对电力系统中工频运行时发生单相接地短路故障进行仿真分析。设其幅值为 1.0p.u.，工频为 50Hz，采样频率为 6400Hz，每个周期采样 128 点。具体如下图所示：

4.4.3 短时中断的检测与分析

在电力系统暂态电能质量问题中，短时中断也其中一种，它是指供电电压降至 0.1Pu以下，并且持续时间不会超过 60s。当然我们同样用小波变换提取发生短时中断时的特征量，从而来准确来描述短时中断发生时间和持续时间。在这里我们同样用 MATLAB 仿真电力系统发生一次短时中断故障时的情况，如下图所示。其幅值为 1.0p.u.，工频为50Hz，采样频率为 6400Hz，每个周期采样 128 点。 4.4.4 振荡暂态的检测与分析

振荡暂态是指当电压或者电流在其稳态条件下突然发生的一个突发的，非电源频率的现象，并且它具备双极性（或正或负）。换句话说它是由瞬时值迅速改变极性后的电压或者电流组成。我们可以用小波变换提取其特征量后就可以准确的描述振荡暂态的发生时间，持续时间和峰值的大小。在这里以电力系统中一次电容器组充电引起的振荡暂态现象为例，用 MATLAB 来仿真分析。设振荡暂态的幅值为 1.0p.u.，工频为 50Hz，采样频率为6400Hz，每个周期采样 128 点。如下图 4.19 所示。

4.4.5 脉冲暂态的检测与分析

在电力系统中，脉冲暂态也存在暂态电能质量问题中，它一般是电压或者电流在两个连续的稳态之间在极短的时间内发生的现象，也有数量变化，由于脉冲暂态的频率非常之高，我们可以运用小波变换提取它的特征量从而来描述脉冲暂

态现象出现时发生时间，持续时间和其峰值大小。设脉冲暂态的幅值为 1.0p.u.，工频为 50Hz，采样频率为 6400Hz，每个周期采样 128 点。如下图所示。

4.5 本章小结

本章的重点是以电力系统暂态电能质量为背景，为了很好的解决现实生活中这一难题。通过小波变换的相关知识可以知道小波变换模极大值有很好的检测突变点的性质。故结合其性质我们对电力系统暂态电能质量问题如电压骤升，电压骤降，短时中断，振荡暂态，脉冲暂态进行检测与分析，实现故障的准确定位，并提取相关暂态信号持续的时间和故障的幅值，实验证明运用小波变换模极大值对检测电力系统暂态电能质量问题有很好的优越性。 5 总结与展望

随着人们生活水平的日益增高，人们对生活中的硬件质量也相应的越来越重视电能质量问题就成为人们普遍关注的问题。当然随着许多研究人员致力于这项问题的研究，电能质量的检测与分析手段也日趋完善。经典的变换方法在电能质量的某些问题上也处理的相当成熟了。譬如对稳态谐波的检测分析，傅里叶变换是很好的处理方法。但对于更多复杂的电能质量问题也层出不穷，所以我们必须运用更加先进的数学工具和更加巧妙的处理方式来解决这类问题。 5.1 本文的主要研究内容及结果

1）本文首先介绍了有关电能质量的相关概念，对存在在电力系统中的各种电能质量问题做出了分类，相关特征，产生原因的众多阐述。结合电能质量问题古今中外学者的解决现状和发展过程的叙述，对傅里叶变换，短时傅里叶变换，小波变换三种信号分析方法的基本原理知识和在电能质量分析领域的应用做了进一步的探讨。

2）通过对小波变换中小波包的学习，利用小波包分解与重构算法，推导出电压 RMS值，电流 RMS 值，功率有效值。结合选取小波函数的原则来选用 Db40

小波包来仿真计算各次谐波电流有效值，实验数据表明该方法具有很好的实用性。

3）根据电力系统中电能质量信号的非平稳，发生随机性强，持续时间短等特性，通过小波变换的相关知识可以知道小波变换模极大值有很好的检测突变点的性质。对电力系统暂态电能质量问题如电压骤升，电压骤降，短时中断，振荡暂态，脉冲暂态进行检测与分析，实现故障的准确定位，并提取相关暂态信号持续的时间和故障的幅值，实验证明运用小波变换模极大值对检测电力系统暂态电能质量问题有很好的实用性。 5.2 展望

随着我国的电力系统的日趋完善，在解决电能质量分析问题上也十分严峻，同时也存在着一些需要解决的问题：

1）要很好的检测与分析电能质量问题，我们需要借助很好的分析方法，更需要几种有效的方法相结合，如小波变换和神经网络，模糊数学理论的结合。而现阶段我们还处于起步阶段，需要研究学者们探索与实践。

2）本文中提出的电能质量的分析在这基础上我们还可以在小波包分解与重构算法上加以改进，当然由于时间的问题这些工作都还没来得及做。所以利用小波技术来准确分析电力系统中电能质量问题是一个比较关注的问题，我也相信学者们经过探索和创新小波理论，会使小波理论日趋完善的，这样对电能质量的分析会带来很好的帮助。 参 考 文 献

[1] George J．Wakileh．电力系统谐波．北京：机械工业出版社，2003． [2] 葛哲学,陈仲生.Matlab 时频分析技术及其应用．北京：人民邮电出版社，2006．

[3] 任震等.小波分析及其在电力系统中的应用．北京：中国电力出版社，2003． [4] 张炜.电力系统分析．北京：中国水利水电出版社，1999．

[5] 飞思科技产品研发中心．MATLAB 6．5 辅助小波分析与应用．北京：电子工业出版社，2003．

[6] 冉启文.小波变换与分数傅里叶变换理论及应用．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001．

[7] 肖湘宁.电能质量分析与控制．北京：中国电力出版社社，2004． [8] 杨建国.小波分析及其工程应用．北京：机械工业出版社，2005．

[9] 张斌.基于小波变换和傅立叶变换的电能质量分析方法：(硕士学位论文)．四川

成都:四川大学，2001．

[10] 周文晖，李青．采用小波变换的电能质量暂态干扰检测．科技通报，2002， 18(3)

[11] 胡广书.现代信号处理教程. 北京: 清华大学出版社, 2004.

[12] 刘应梅,高玉洁. 基于 Prony 法的暂态扰动信号分析.电网技术, 2006,30(4): 26～30.

[13] 胡广书.现代信号处理教程[M].北京:清华大学出版社，2004,11,240-245. [14] 郭晶,孙伟娟.小波分析理论与 MATLAB7 实现[M].北京:电子工业出版.2005,3,110-117.

[15] 丛玉良,王宏志.数字信号处理原理及其 MATLAB 实现. 电子工业出版社.北京.2005.

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