国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的畸變信號(hào)電量計(jì)量研究?

2024-01-23 13:37:34徐天奇王興明朱夢(mèng)夢(mèng)
關(guān)鍵詞:基波畸變諧波

馮 昆 徐天奇 李 琰 王興明 朱夢(mèng)夢(mèng)

(1.云南省高校電力信息物理融合系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(云南民族大學(xué)) 昆明 650504)(2.南京弘毅電氣自動(dòng)化有限公司 南京 210039)(3.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 昆明 650217)

1 引言

如今,現(xiàn)代電力系統(tǒng)中各種非線性負(fù)載,如感應(yīng)加熱爐、電力機(jī)車、電力電子開關(guān)設(shè)備、電化工設(shè)備等,占有率迅速增加。這類負(fù)荷的增加造成供電電壓不對(duì)稱程度和波動(dòng)性加劇,從而造成了大量諧波信號(hào)的產(chǎn)生[1~3],導(dǎo)致電網(wǎng)的電能質(zhì)量日趨惡化,電網(wǎng)信號(hào)畸變嚴(yán)重。

另一方面,電壓電流信號(hào)中除了基波外還摻雜大量的準(zhǔn)周期、時(shí)變、非平穩(wěn)的畸變信號(hào),嚴(yán)重影響其他用戶的供電質(zhì)量[4~6]?,F(xiàn)在電網(wǎng)所使用的計(jì)量方案大多還是只計(jì)量基波電壓與基波電流所產(chǎn)生的電能,但負(fù)荷基波信號(hào)和畸變信號(hào)也有電能的交換。由于目前國際上尚無統(tǒng)一的針對(duì)畸變信號(hào)電能計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn),使得對(duì)非線性負(fù)載用戶的懲罰措施缺失,對(duì)電網(wǎng)造成了巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此研究和完善對(duì)電網(wǎng)非平穩(wěn)畸變信號(hào)的電量計(jì)量理論和方法是現(xiàn)在急待解決的問題[7~8]。

現(xiàn)在的電能計(jì)量設(shè)備使用的時(shí)-頻分析工具大多是快速傅里葉變換FFT(Fast Fourier Transform)。FFT對(duì)穩(wěn)態(tài)信號(hào)有較好的頻域分辨能力,但是對(duì)電網(wǎng)畸變信號(hào)的分析卻暴露出來“旁瓣”和“頻譜泄露”等問題,難以適應(yīng)當(dāng)前復(fù)雜的電力系統(tǒng)畸變信號(hào)。短時(shí)傅里葉變換STFT(Short-Time Fourier Transform)雖然能夠結(jié)合時(shí)域和頻域信息對(duì)畸變信號(hào)進(jìn)行分析,但是窗函數(shù)一經(jīng)選定,時(shí)頻分辨能力就固定了下來,檢測精度有所限制。小波變換WT(Wavelet Transform)雖然解決了STFT 的時(shí)頻分辨率固定的問題[9],但是小波基和分解層數(shù)的選取需要根據(jù)實(shí)際場景具體選擇。S 變換作為STFT 和WT 的延伸具有不錯(cuò)的時(shí)頻分析能力和抗噪性,但是其和STFT一樣受約束于海森堡測不準(zhǔn)原理。希爾伯特-黃變換HHT(Hilbert-Huang Transform)的自適應(yīng)能力強(qiáng),不受海森堡測不準(zhǔn)原理的約束,同時(shí)不存在非線性交叉項(xiàng),但是依舊存在模態(tài)混疊的現(xiàn)象,數(shù)據(jù)序列兩端會(huì)出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象導(dǎo)致其難以應(yīng)用到實(shí)際。

文獻(xiàn)[10]提出了一種新的信號(hào)分析方法經(jīng)驗(yàn)小波變換EWT(Empirical Wavelet Transform)該方法在經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD(Empirical Mode Decomposition)和小波變換的理論框架發(fā)展而來,運(yùn)算效率較高,現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到工程信號(hào)分析,故障診斷等領(lǐng)域[11~12],并取得不錯(cuò)的效果。文獻(xiàn)[13~14]利用小波變換對(duì)畸變信號(hào)進(jìn)行電量計(jì)量,需要進(jìn)行小波基和分解層數(shù)的選擇,自適應(yīng)能力較差。文獻(xiàn)[7]提出基于形態(tài)小波對(duì)非線性信號(hào)進(jìn)行電量計(jì)量,但是也有可能存在各頻帶間的頻率混疊現(xiàn)象,也未能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)檢測。文獻(xiàn)[15~16]提出改進(jìn)S變換和基于二進(jìn)制采樣快速S 變換算法,有較強(qiáng)的時(shí)頻分析能力但是依舊受制于海森堡的測不準(zhǔn)原理。

綜上所述,現(xiàn)有的計(jì)量方法大多自適應(yīng)能力不強(qiáng),容易出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象,造成計(jì)量誤差較大。

針對(duì)上述問題本文首次提出一種基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的畸變信號(hào)電量計(jì)量的新方法,使用經(jīng)驗(yàn)小波變換對(duì)電網(wǎng)的畸變電壓電流信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)性分解,重構(gòu)基波和畸變的電壓電流信號(hào),從而方便進(jìn)行電量計(jì)量。這種方法不僅提高了小波變換的自適應(yīng)性,同時(shí)保留了小波變換時(shí)頻同時(shí)局部化的優(yōu)點(diǎn)。

2 畸變信號(hào)的電量計(jì)量

2.1 電力系統(tǒng)中的畸變信號(hào)的產(chǎn)生

理想情況下電網(wǎng)應(yīng)該以固定的50Hz頻率和標(biāo)準(zhǔn)正弦波形向負(fù)荷提供電能,但是由于日益增多的非線性負(fù)荷存在使得電網(wǎng)的電壓電流發(fā)生畸變。當(dāng)非線性負(fù)荷被施加標(biāo)準(zhǔn)正弦波形的電壓或電流時(shí),它就會(huì)在與電網(wǎng)的連接點(diǎn)形成畸變電壓或電流,引起電網(wǎng)電壓或電流的畸變,造成設(shè)備過熱、設(shè)備絕緣破壞等不良后果。按照不同的負(fù)荷性質(zhì),非線性負(fù)荷大致可以分成鐵磁飽和型負(fù)荷、電子開關(guān)型負(fù)荷、電弧型負(fù)荷三種[15]。此外,電網(wǎng)中還會(huì)產(chǎn)生一些隨機(jī)的非線性信號(hào),例如:系統(tǒng)遠(yuǎn)端發(fā)生故障、大容量電機(jī)啟動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電壓的暫降或者暫升;線路負(fù)載和電容器組投切會(huì)有暫態(tài)震蕩的產(chǎn)生。

2.2 畸變信號(hào)下的功率理論計(jì)算方法

本文考慮非線性負(fù)荷單相畸變信號(hào)的電量計(jì)量,假設(shè)電網(wǎng)中的單相電壓電流信號(hào)構(gòu)建為[9]

式中u0(t)、i0(t)分別為直流電壓電流信號(hào);u1(t)、i1(t)分別為基波電壓電流信號(hào);Σu?(t)、Σi?(t)分別為諧波電壓電流信號(hào);Σup(t)、Σip(t)分別為間諧波電壓電流信號(hào);uc(t)、ic(t)為其他形式的信號(hào)。

去除電壓電流基波分量,電壓畸變分量us(t),電流畸變分量is(t)分別為

根據(jù)功率計(jì)算公式,不同的功率分量為

式中p1(t)為基波功率;p1s(t)為基波電壓信號(hào)與畸變電流信號(hào)作用產(chǎn)生的功率;ps1(t)是畸變電壓信號(hào)與基波電流信號(hào)作用產(chǎn)生的功率;pss(t)為畸變電壓信號(hào)和畸變電流信號(hào)產(chǎn)生的功率。

3 基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的畸變信號(hào)電量計(jì)量算法

經(jīng)驗(yàn)小波變換是一種非遞歸的計(jì)算,首先將待觀測的畸變信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換成頻域做歸一化處理并自適應(yīng)分割頻帶,在各個(gè)頻域中進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)小波變換,將原始畸變信號(hào)分解為一組AM-FM(Amplitude Modulated Frequency Modulated)分量之和,假設(shè)可以分解為N個(gè)AM-FM分量,其變換可分為3步[17]。

1)頻譜劃分

首先確定待觀測信號(hào)N 的個(gè)數(shù)。根據(jù)幅值的大小對(duì)信號(hào)頻譜的極大值幅值序列進(jìn)行降序排列,并對(duì)其設(shè)置閾值為MM+α(M1-MM),α∈(0,1)代表相對(duì)幅值比。將大于該閾值的極大值記為主極大值,主極大值的個(gè)數(shù)即為N;頻譜中相鄰兩個(gè)主極大值對(duì)應(yīng)的頻率Ωn和Ωn+1的重合點(diǎn)即為劃分頻譜邊界ωn,其中n=1,2,…,N-1,ω0=0,ωN=π。

2)小波函數(shù)與尺度函數(shù)的構(gòu)造

參照Meyer 小波的構(gòu)造方法構(gòu)造經(jīng)驗(yàn)尺度函數(shù)φn(ω)以及經(jīng)驗(yàn)小波函數(shù)ψn(ω),其可表達(dá)為

3)經(jīng)驗(yàn)小波變換與逆變換

將原信號(hào)f(t)同構(gòu)造好的經(jīng)驗(yàn)尺度函數(shù)以及經(jīng)驗(yàn)小波函數(shù)進(jìn)行內(nèi)積運(yùn)算,算出近似系數(shù)(0,t)以及細(xì)節(jié)系數(shù)(n,t)。

對(duì)原信號(hào)的重構(gòu)可以表示為

其中“*”為卷積運(yùn)算。由信號(hào)f(t)分解所得的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)ck(t)定義為

通過計(jì)算畸變電壓、電流的各頻段成分的經(jīng)驗(yàn)小波系數(shù),并帶入重構(gòu)方程,即可分別得到基波電壓、畸變電壓,基波電流、畸變電流??赏ㄟ^有功功率的計(jì)算公式:

分別可計(jì)算出功率P1,P1s,Ps1和Pss。

綜上所述基于經(jīng)驗(yàn)小波的電能計(jì)量過程如圖1所示。

圖1 畸變信號(hào)電量計(jì)量流程圖

4 基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的畸變信號(hào)電量計(jì)量仿真分析

根據(jù)實(shí)際對(duì)地鐵、高鐵、電弧爐等非線性負(fù)荷的采樣波形調(diào)查分析可以發(fā)現(xiàn):非線性負(fù)荷的波形主要以奇次諧波為主,諧波的幅值隨著諧波次數(shù)的增加而大幅度降低,地鐵、高鐵等動(dòng)態(tài)負(fù)荷的起步、加速、減速等操作也會(huì)對(duì)電網(wǎng)信號(hào)產(chǎn)生擾動(dòng)[18]。而且非線性負(fù)荷從電網(wǎng)吸收基波功率并向電網(wǎng)反送諧波電能。針對(duì)非線性負(fù)荷的這種信號(hào)特征,本文構(gòu)建了單相穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)和時(shí)變畸變信號(hào)用來模擬此類負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)信號(hào)的影響,并對(duì)這兩種信號(hào)分別進(jìn)行EMD、WT、EWT 的分解與重構(gòu),通過重構(gòu)信號(hào)計(jì)算P1,P1s,Ps1和Pss。

4.1 穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)仿真分析

如前所述,本文首先構(gòu)建電網(wǎng)電壓電流信號(hào),該信號(hào)包含穩(wěn)態(tài)基波、2 次、2.9 次、3 次、3.1 次、3.5次、4 次、5 次、7 次和9.5 次諧波和間諧波的仿真分析。具體的信號(hào)表達(dá)式如下:

式中u(t),i(t)分別是所構(gòu)造的穩(wěn)態(tài)畸變電壓信號(hào)和電流信號(hào),f0是基波50Hz。以6400Hz 的采樣頻率對(duì)仿真信號(hào)進(jìn)行采樣分析,共采樣0.6s的離散數(shù)據(jù)。

首先對(duì)基于式(16)和式(17)構(gòu)建的畸變電壓電流進(jìn)行EMD 分解。仿真發(fā)現(xiàn),由于電壓信號(hào)的諧波和間諧波幅值相比于基波幅值較小,故無法進(jìn)行EMD 分解。電流信號(hào)進(jìn)行EMD 分解后無法區(qū)分基波信號(hào),故不能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)電量計(jì)量。

WT方法仿真過程中通過使用不同小波基和分解層數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)使用Daubechies40(DB40)小波基對(duì)畸變電壓電流信號(hào)進(jìn)行10 層分解可以較準(zhǔn)確的分離出基波50Hz 信號(hào),DB40 小波具有很高的消失矩階數(shù)和支撐長度。使用小波變換的逆變換分別重構(gòu)基波和畸變的電流電壓信號(hào),重構(gòu)信號(hào)對(duì)比結(jié)果如圖2~5。可觀察到重構(gòu)的基波電壓信號(hào)和基波電流信號(hào)存在嚴(yán)重的“端點(diǎn)”效應(yīng),在端點(diǎn)處存在畸變,相比于原始基波信號(hào),幅值不能準(zhǔn)確還原。重構(gòu)的電壓畸變信號(hào)和原始畸變信號(hào)有較大的差別,電流畸變信號(hào)在端點(diǎn)處還原也不準(zhǔn)確。

圖2 WT、EWT重構(gòu)穩(wěn)態(tài)基波電壓信號(hào)對(duì)比

圖3 WT、EWT重構(gòu)穩(wěn)態(tài)畸變電壓信號(hào)對(duì)比

圖4 WT、EWT重構(gòu)穩(wěn)態(tài)基波電流信號(hào)對(duì)比

圖5 WT、EWT重構(gòu)穩(wěn)態(tài)畸變電流信號(hào)對(duì)比

使用EWT 分解仿真信號(hào)能夠首先進(jìn)行自適應(yīng)的頻譜劃分,將原始畸變信號(hào)按照頻譜圖自適應(yīng)分解為10 個(gè)模態(tài)然后再對(duì)每個(gè)模態(tài)進(jìn)行小波變換。根據(jù)信號(hào)本身的頻譜特征實(shí)現(xiàn)了分解的自適應(yīng)性,不用實(shí)驗(yàn)選取分解層數(shù)。重構(gòu)信號(hào)對(duì)比結(jié)果如圖2~5,即使在端點(diǎn)部位,和原始信號(hào)對(duì)比發(fā)現(xiàn)有著更好的還原效果。

根據(jù)功率公式(5)可以使用重構(gòu)的信號(hào)計(jì)算出P1,P1s,Ps1和Pss。如表1、2。

表1 穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)小波變換功率計(jì)量結(jié)果

表2 穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)經(jīng)驗(yàn)小波變換功率計(jì)量結(jié)果

由表1、2 可知:與使用WT 分解對(duì)比可得使用EWT 在每一個(gè)功率分量上算得的功率相對(duì)誤差明顯更低。傳統(tǒng)小波變換產(chǎn)生高于經(jīng)驗(yàn)小波變換的誤差地原因是存在頻譜混疊和“端點(diǎn)”效應(yīng)。不能較好的分離出不同的諧波信號(hào),重構(gòu)的基波和畸變信號(hào)和真實(shí)信號(hào)在起始位置和結(jié)束位置誤差較大,并且重構(gòu)的畸變電壓信號(hào)和真實(shí)畸變信號(hào)相差過大致使P1、Pss等存在著較大的誤差。

4.2 時(shí)變畸變信號(hào)仿真分析

時(shí)變諧波信號(hào)和暫態(tài)震蕩信號(hào)是是電網(wǎng)中非線性負(fù)荷常見的兩種暫態(tài)信號(hào),參考文獻(xiàn)[9,17]構(gòu)造基波+時(shí)變諧波+暫態(tài)震蕩的復(fù)合畸變信號(hào)數(shù)學(xué)模型為:

式中u(t)、i(t)分別是所構(gòu)造的時(shí)變畸變電壓信號(hào)和電流信號(hào),f0是基波50Hz。構(gòu)造的暫態(tài)信號(hào)2次、2.9次、3次、3.1次、3.5次、4次、4.5次、5次諧波均產(chǎn)生于0.2s 上升,0.4s 后下降一半。6 次衰減震蕩諧波電流信號(hào)產(chǎn)生于0.4s,同樣以6400Hz 的采樣頻率對(duì)所構(gòu)建的信號(hào)進(jìn)行采樣分析,總共的采樣時(shí)間為0.6s。用于模擬電網(wǎng)中的復(fù)合擾動(dòng)。

對(duì)構(gòu)造的信號(hào)使用EMD 分解電壓信號(hào)同樣由于畸變信號(hào)相對(duì)于基波信號(hào)幅值較小無法進(jìn)行分解,故無法完成時(shí)變畸變信號(hào)的電量計(jì)量。

WT方法仿真過程中通過使用不同小波基和分解層數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)使用Daubechies40 小波基對(duì)畸變電壓信號(hào)進(jìn)行9層分解,對(duì)畸變電流信號(hào)進(jìn)行10層分解,可以較準(zhǔn)確的分離出基波50Hz 信號(hào)。小波變換分解結(jié)果依舊存在模態(tài)混疊的現(xiàn)象,重構(gòu)時(shí)變畸變信號(hào)如圖6~9。由圖可知重構(gòu)的基波和畸變信號(hào)在初始位置和結(jié)束位置存在明顯“端點(diǎn)”效應(yīng),并且重構(gòu)的畸變電壓信號(hào)和原始畸變電壓信號(hào)差別較大。

圖6 WT,EWT重構(gòu)時(shí)變基波電壓信號(hào)

圖7 WT,EWT重構(gòu)時(shí)變畸變電壓信號(hào)

圖8 WT,EWT重構(gòu)時(shí)變基波電流信號(hào)

圖9 WT,EWT重構(gòu)時(shí)變畸變電流信號(hào)

EWT 對(duì)復(fù)合信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)分解,將電壓頻譜圖分解為9 個(gè)模態(tài),電流頻譜圖分解為10 個(gè)模態(tài)。重構(gòu)基波信號(hào)和畸變信號(hào)如圖6~9,和WT 重構(gòu)的信號(hào)相比有著更好的還原效果,重構(gòu)的波形相比于小波變換的波形更為標(biāo)準(zhǔn),且在時(shí)域上也有很好的定位能力,在0.2s 和0.4s 時(shí)準(zhǔn)確地反應(yīng)出畸變信號(hào)的起始時(shí)間和變化時(shí)間,并減輕了小波變換的“端點(diǎn)”效應(yīng)。

依據(jù)WT、EWT 重構(gòu)的電壓電流基波信號(hào)和畸變信號(hào),根據(jù)式(5)分別計(jì)算出P1(t),P1s(t),Ps1(t),Pss(t)如表3、4所示。

表3 時(shí)變畸變信號(hào)小波變換功率計(jì)量結(jié)果

表4 時(shí)變畸變信號(hào)經(jīng)驗(yàn)小波變換功率計(jì)量結(jié)果

將本文使用經(jīng)驗(yàn)小波變換與文獻(xiàn)[7]使用形態(tài)小波方法和文獻(xiàn)[13]使用小波變換相對(duì)比。文獻(xiàn)[7]兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的P1相對(duì)誤差是0.29%和-0.37%,Pss兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差是-0.41%和0.57%,文獻(xiàn)[13]兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的P1相對(duì)誤差是-3.6%和-0.82%,Pss兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的相對(duì)誤差是4.4%和5.2%,相比下本文使用的方法相對(duì)誤差更低。由表3、4 知與小波變換相比在每個(gè)功率分量上的相對(duì)誤差都更低,而且從重構(gòu)信號(hào)可以看出經(jīng)驗(yàn)小波變換在一定程度上減輕了“端點(diǎn)”效應(yīng),有著更好的還原效果。更能自適應(yīng)的分析電網(wǎng)的復(fù)雜信號(hào),同時(shí)也能準(zhǔn)確地計(jì)量出畸變信號(hào)的功率值。

5 結(jié)語

隨著非線性負(fù)荷的大量使用,電網(wǎng)中出現(xiàn)了大量的畸變信號(hào),嚴(yán)重影響了電量計(jì)量的準(zhǔn)確性。本文針對(duì)這一問題,提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)小波變換的非線性負(fù)荷畸變信號(hào)電量計(jì)量方法,分別在穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)和時(shí)變畸變信號(hào)環(huán)境下,將經(jīng)驗(yàn)小波變換和使用DB40作為小波基的小波變換進(jìn)行對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn),得出以下結(jié)論:經(jīng)驗(yàn)小波變換能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)常見畸變信號(hào)的自適應(yīng)的分解分析,不用設(shè)置分解層數(shù)能夠根據(jù)頻譜圖自適應(yīng)進(jìn)行分解,準(zhǔn)確分解出基波信號(hào)和各次諧波信號(hào),明顯減輕了小波變換的模態(tài)混疊現(xiàn)象,同時(shí)有著較好的時(shí)域定位精度,能精準(zhǔn)定位畸變信號(hào)起始和結(jié)束時(shí)間,并且能夠準(zhǔn)確重構(gòu)出基波信號(hào)和畸變信號(hào),從而可以進(jìn)行準(zhǔn)確的電量計(jì)量,降低了傳統(tǒng)小波變換的計(jì)量誤差,減輕了小波變換的“端點(diǎn)”效應(yīng)。

猜你喜歡
基波畸變諧波
基于跟蹤微分器的基波測量方法研究
在Lightroom中校正鏡頭與透視畸變
基于多尺度形態(tài)學(xué)和Kalman濾波的基波分量提取
電測與儀表(2016年5期)2016-04-22 01:13:44
基于IEC62053-24靜止式基波頻率無功電能表標(biāo)準(zhǔn)對(duì)提高無功補(bǔ)償效果的作用
電測與儀表(2016年9期)2016-04-12 00:29:58
利用基波相量變化率的快速選相方法
虛擬諧波阻抗的并網(wǎng)逆變器諧波抑制方法
基于ELM的電力系統(tǒng)諧波阻抗估計(jì)
基于ICA和MI的諧波源識(shí)別研究
電測與儀表(2015年8期)2015-04-09 11:50:00
輻射誘導(dǎo)染色體畸變的快速FISH方法的建立
電力系統(tǒng)諧波與諧波抑制綜述
河南科技(2014年23期)2014-02-27 14:18:56
留坝县| 温宿县| 金华市| 翁牛特旗| 通辽市| 达州市| 达拉特旗| 永仁县| 吕梁市| 莱州市| 上林县| 延边| 宝应县| 新绛县| 五寨县| 霸州市| 山阴县| 满洲里市| 克什克腾旗| 惠安县| 扎鲁特旗| 特克斯县| 临猗县| 临泽县| 渭源县| 峡江县| 墨玉县| 仁化县| 右玉县| 德兴市| 田东县| 左权县| 南京市| 双峰县| 中宁县| 磐安县| 古田县| 南康市| 湖州市| 关岭| 宕昌县|