基于ica消噪技术和加窗插值fft算法的电力系统谐波分析

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1、华北电力大学硕士学位论文1．1课题研究背景及意义第1章绪论、理想的电力系统应按照工频恒定频率和规定电压等级下的电压进行供电。随着越来越多的非线性装置在电力系统中的应用，电网中出现了大量的谐波。谐波的危害十分严重，它会降低发电、输电、用电的实际效率，破坏设备的正常运行，使继保装置误动作，干扰通讯质量，危害人体健康【lJ。因此谐波问题越来越被人们所关注。谐波在国际公认的定义为：电源基波频率整周期倍的正弦电压或电流，也即对周期性交流量进行傅立叶级数分解所得到的频率为基波频率大于1的整数倍的分量。除了这类谐波之外，电力系统的电压、电流信号中还

2、可能存在许多非整数倍频率的问谐波以及倍数小于l的次谐波【3训。这些谐波的危害不亚于整数次的谐波，在谐波分析中应当考虑在内。非线性负荷是产生谐波的首要因素【5击J。经过这些负荷的电流与电压不再呈线性关系，而是形成非正弦电流，从而在电路中产生谐波。所有的非线性负荷都能：产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源(SMPS)、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等为了保障电网的电能质量，国标对谐波电压、电流的畸变率做出了规定【2】，当谐波畸变率越限时需要对其进行控制。谐波分析的意义在

3、于，能够通过得到的各次谐’波成分含量，对系统的谐波进行抑制，从而起到减轻谐波危害，提高电能质量的作用，同时可以节约能耗，保证电力系统运行的经济性。准确的谐波分析结果为谐波抑制、谐波补偿等其它谐波问题提供了科学依据。由于电力系统的不稳定性、复杂性，以及检测仪器自身的因素，在采样得到的待分析信号中，会混入不同类型的噪声。这些噪声的存在会给谐波分析的结果带来各种程度的误差。因此在对采样信号进行谐波分析之前，需要将噪声与有用信号尽可能完整的分开，在降噪的同时，又尽可能少的破坏有用信号。1．2课题国内外研究现状对采样信号进行合理的消噪处理及采用

4、有效的方法进行各谐波成分的分析是获得精确的谐波分析结果的关键。消噪方法研究中，先后形成了滤波法、奇异值分解法、小波变换分析法、神经网络自适应消噪法、盲源分离法等各类算法【2啦玎j。谐波检测分析是一个经久不衰的热点问题，在国内外众学者的研究过程中，先后形成了模拟滤波法【12】、基于fryze传统功率定义谐波检测法、基于三相瞬时无功功率理论华北电力大擎硕士学位论文【13】、基于神经网络(NeuralNetwork，NN)的谐波检测法[141、基于小波变换分析(WaveletTransformation)的检测方法【15-19】以及快速傅立

5、叶变换(fastFouriertransform，FFT)谐波检测法。1．2．1信号消噪研究的发展历史最早用于信号消噪的方法是经典滤波法，它假定噪声、有用信号彼此不相关，通过设计各种最优滤波器进行消噪。该方法优点是方便、快速、灵活。但经典滤波法要求有用信号和噪声的频谱分开，实际信号的有用信号和噪声往往都是混叠的，此时经典滤波法对于实际情况的消噪处理显得力不从心。20世纪40年代，美国科学家维纳和前苏联科学家科尔莫洛夫提出了现代滤波理论，改进了经典滤波法中不能处理混叠信号的问题。主要包括维纳滤波与卡尔曼滤波。维纳滤波通过优化滤波器的传递

6、函数达到使估计信号的均方差最小。但该方法需要用到无限过去的数据，没有实时性。卡尔曼滤波在维纳滤波的基础上进行了改进，通过前一刻的数据和实时测量数据进行信号估计，提高了实时性。但由于滤波器在截止带上会产生振荡，在某些范围内反而增加了新的误差干扰。1984年，法国物理学家J．Morlet提出了小波的概念，在信号分析处理领域开创了新河。1987年，Mallat将多尺度分析与小波分析相结合，形成了多分辨率分析理论，使小波变换分析更具通用性。在不断的研究中，小波变换逐渐形成了小波模极大值变换、小波阈值变换、小波平移不变变换等方向。随着各种小波基

7、函数的发现，小波变换的精度越来越高。为了更进一步细分信号成分，在小波变换的高频分量上也开始进行了多尺度分析，形成了小波包变换理论。小波变换分析能够在频域、时域同时进行分析信号，这是傅立叶变换等方法所不能比拟的。由于电力信号在分析处理时，只有实际采样到的信号序列；而信号的成分都是未知的。基于此背景，法国学者Herault和Jutten在1986年提出了盲信号分析。该方法与其它消噪方法相比是更具实际工程意义的，因为其它方法都需要得知有用信号和噪声的统计特性，而盲信号分析完全依赖于采样信号。随后逐渐衍生出了盲源分离法、盲卷积分离法、盲信号估

8、计法、独立分量分析法(ICA)等方法。这些方法在通信、音频等领域得到了大量的应用。1．2．2谐波分析的研究现状早期的谐波检测方法都是基于频域理论，即采用模拟滤波原理。模拟滤波器有两种，一种是滤掉基波，保留谐波分量。另一种