1、本 科 毕 业 设 计基于 HHT 的电力系统电能质量检测新方法所在学院 专业班级 电气工程与自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要 本文首先简单介绍了电能质量检测装置的核心器件发展，电能质量产生的原因、 危害，电能质量国家标准电能质量检测分析方法，以及电能质量检测的必要性和意义。然后详细介绍了电能质量的检测方法：FT、STFT、小波、Hilbert-Huang 变换等。并对这些方法的优缺点进行了比较。FT 对稳态电能质量的分析比较好，但是暂态电能质量的分析能力差。而 STFT 可以解决 FT 所具有的非平稳性差的问题，但是它具有频谱泄露的问题；小波变换可以解决上述的
2、不足，但小波变换对谐波分析的效果欠佳。基于此，本论文应用 HHT 方法对电能质量扰动进行电测，该方法是 98 年提出来的，针对非平稳非线性信号提出来的新方法。本论文应用 HHT 方法对电压骤升、电压骤降、电压间断、暂态震荡、暂态脉冲和谐波进行分析和检测。HHT 方法是经验模态分解法(EMD)和 Hilbert 变换两部分组成。通过 EMD方法分解得到固有模态函数(IMF)后，接着进行 Hilbert 变换，可以准确地定位扰动起止时刻及扰动量的大小。也可以精确检测出谐波的瞬时频率和瞬时幅值。 最后，在 MATLAB 平台上编写了相应的程序并进行了仿真；论文还应用 Simulink 软件，根据电力
3、系统谐波源的特点建立了谐波源模型，对模型中仿真出的电流信号应用 HHT 方法进行了仿真分析。结果表明 HHT 方法对平稳和非平稳信号的处理效果都非常好。关键词：稳态电能质量；Hilbert-Huang 变换；EMD；暂态电能质量；电能质量检测；仿真AbstractIIThis article first briefly describes the core of power quality detection device development, the causes of power quality, hazards, national standards for power qualit
4、y analysis of power quality testing, as well as the need for power quality detection and significance.Then details the power quality detection method: FT、STFT、wavelet、Hilbert-Huang transform. Advantages and disadvantages of these methods were compared. FT on the steady-state analysis of power qualit
5、y is better, but the analysis of transient power quality is poor. The STFT can be solved with the FT non-stationary nature of the problem of poor, but it has a spectral leakage problem; wavelet transform can resolve the above deficiencies, but the wavelet transform, harmonic analysis is ineffective.
6、 Based on this, this thesis HHT method of measuring electrical power quality disturbances, the method is put forward 98 years, and for non-stationary nonlinear signal proposed new method.In this thesis, HHT method of voltage swells, voltage sags, voltage interruption, transient shock, transient puls
7、e and harmonic analysis and testing. HHT method is empirical mode decomposition (EMD) and Hilbert transform of two parts. Decomposed by EMD method of intrinsic mode function (IMF), the followed by Hilbert transform, can accurately locate the beginning and ending time of disturbance and disturbance s
8、ize. They can accurately detect the harmonic instantaneous frequency and instantaneous amplitude.Finally, in the MATLAB platform, the preparation of the corresponding program and the simulation; paper also Simulink software applications, according to the characteristics of harmonic sources in power
9、system harmonic source model is built on the model in the application of simulation out of the current signal simulation HHT method Analysis. The results show that the HHT method of stationary and non-stationary signal processing results are very good.Keywords: Steady-state power quality; Hilbert-Hu
10、ang Transform; EMD; Transient power quality; Power quality detection; SimulationIII目 录引言 .1第 1 章 电能质量的概述 .21.1 电能质量的定义 .21.2 电能质量的具体指标 .21.3 电能质量检测装置的核心器件发展 .21.4 电能质量问题产生原因分析 .31.5 电能质量检测分析方法 .31.6 电能质量检测的意义 .5第 2 章 FFT、STFT 和小波变换 .62.1 快速傅立叶变换 .62.2 短时傅立叶变换 .62.3 小波变换 .6第 3 章 HHT 方法及其应用 .83.1 HHT
11、理论 .83.1.1 经验模态分解原理（EMD） .83.1.2 Hilbert 变换方法 .103.2 HHT 的应用领域 .113.3 HHT 理论缺点及进一步的研究方向 .11第 4 章 电能质量扰动信号检测与 HHT 分析 .134.1 电压凹陷、凸起信号、电压间断信号的 HHT 分析 .134.2 关于 HHT 方法的总结 .17第 5 章 其他方法电能质量检测 .185.1 基于单片机的电能质量检测 .185.1.1 系统硬件设计 .185.1.2 软件的设计 .195.2 基于嵌入式的电能质量检测 .205.2.1 硬件设计 .205.2.2 软件设计 .21IV5.2.3 结论
12、 .22第 6 章 实际电能质量检测系统模型的仿真 .23小结 .25致谢 .26参考文献 .271引言随着社会的不断发展，电能质量问题的日益严重和很多用户对电能质量要求的不断提升，于是人们就建立了电能质量检测和分析系统，对准确的分析它们变得越来越重要。为了可以合理的分析电压、电流等信号，普遍可以采用基于许多变换的方法，把时域与频域结合起来分析，或者可以把时域信息转变为频域。在最近几年当中，对电能质量的分析领域中主要采取的算法有快速傅立叶变换 、短时傅立叶变换 、小波变换以及希尔伯特-黄变换。但是各种算法都存在一定优缺点，人们可以根据不同的要求来采取不同的方法来实现电能质量额度检测。在电力系统
13、中，故障或非线性负荷经常引起不同的电能质量扰动。比如，电压暂降、电压暂升、瞬态脉冲、电压中断、暂态振荡和谐波等等。对于不同的扰动的情况，同样需要不同的分析方法。电能质量问题主要包括谐波畸变现象与电力系统发生故障以及其他操作所带的暂态现象。比如，电压凹陷、电压凸起、暂态震荡、电压间断、暂态脉冲等。针对电力系统中的暂态现象许多学者提出了采用小波技术来解决这个问题的不同方法，也取得了很好的效果。而小波变换的分析很大程度上依赖于小波基的选择。对谐波的检测方法也有很多学者提出了具体的分析。一般常用的谐波检测方法有快速傅立叶变换（FFT） 。它是最早就提出使用的一种方法，现在还是在比较广泛的使用。不过它存
14、在比较多的问题，比如计算量大，实时性也不太好，并且对谐波的检测有频谱泄漏和栅栏现象等等缺点。HHT 是近年来发展极快的一种电能质量检测，并可以应用在非平稳信号分析的一种方法。与上述的方法比较，这种方法有如下的特点： 通过 EMD（Empirical Mode Decomposition）的方法来分解原始信号，频率和幅度调制可以很清楚地分开，因而打破了常规幅度和频率的 Fourier 变换的受限，并且得到了一个可变幅度与可变频率的描述方法。EMD 分解的基函数是一系列的正余弦波函数，它是由信号分解中不断分解得到的。基于信号局部特征的分解方法EMD 这种方法使瞬时频率这一概念有了实际的意义，而且与
15、经典的方法相一致，于是可以给出信号频率变化的精确表达。本文采用该方法实现了对谐波频率和幅值的检测，以及对电能质量扰动信号（电压凹陷、电压凸起、电压间断、暂态震荡、暂态脉冲等）的扰动时间、幅值和频率的检测。仿真的结果表明这种方法是十分简单有效的。2第 1 章 电能质量的概述1.1 电能质量的定义一般意义上讲，电能质量指最好的供电。从工程上出发，把电能质量的概念进行具体分析并给出解释。它的主要内容如下：（1）电流的质量。通常包括间谐波、电流谐波、电流相位超前与滞后、噪声等。（2）电压的质量。通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡等。（3）供电的质量。供电质量主要是指技术含义和非技术含义两部分。
16、技术含义包括电压质量和供电可靠性；非技术含义指服务质量。（4）用电的质量。它包括电流质量和非技术含义。1.2 电能质量的具体指标（1）电网频率。我国电力系统标准频率是 50Hz，电力系统正常频率偏差允许值是0.2Hz，而系统容量比较小的时候，偏差值可扩宽到0.5Hz。（2）电压偏差。10kV 及以下三相供电电压可以允许的偏差是额定电压的土 7；220V单相供电电压可以允许的偏差是额定电压的+710。（3）三相电压不平衡。电力系统公共连接点正常电压不平衡度可以允许值为 2，短时不能超过 4。标准还规定对每个用户电压不平衡度的普遍限值是 1.3。（4）公用电网谐波。6kV220kV 各级公用电网电
17、压 （相电压）总谐波畸变率 0.38kV为 5.0，6kV10kV 为 4.0，35kV66kV 为 3.0，110kV 为 2.0。（5）波动和闪变。10kV 及以下为 2.5%，35kV110kV 为 2，220kV 及以上为 1.6。1.3 电能质量检测装置的核心器件发展 最早的电能质量检测的器件是由 C (电容)、L (电感)和 R(电阻)器件构成模拟滤波器，它是一种十分经典的谐波检测实现技术。它的优点是结构原理简单、实时检测是 C、L、R谐波检测电路，在早期它是谐波检测的主要实现技术，不过到现在都还在使用着。它的缺点有电路的抗干扰性、检测精度都比较差，而且损耗高、体积大，因此目前使用
18、的不太广泛。随着新型器件的不断发展，真空二极管、真空三极管与晶体三极管的诞生，各种电子器件都普遍可以应用于谐波检测。它与传统 L、C、R 器件相比，具有体积小、功耗低、性能稳定等的优点，不过由于它属于不可编程的，所以难以实现 FFT、WT、NN 等较复杂的谐波检测的算法，因此在工程上应用不广泛。随着微电子技术不断 发展，出现了各种各样的可编程器件。最初的可编程器件是计算机。计算机自从 1946 年诞生以来，给人们带来了无法想象到的方便，能够轻而易举实现以前难以或无法实现的算法，也正是因为计算机的诞生和发展，使各种算法实现起来十分容易，从而实现了各种谐波质量的检测。计算机核心部分是微处理器，而且
19、随着微处理器的发展，计算机的各方面性能得到比较大的提高。3早期的可编程逻辑器件因为受到结构的限制，实现谐波检测时域理论的算法比较困难。随着大量 CPLD 和 FPGA 的出现，采用可编程逻辑器件实现 FFT、WT 算法已经不是难事，于是在谐波检测应用就出现了，但是因为可编程逻辑器件面向逻辑控制以及其发展过程 和微处理器与数字信号处理器发展过程同步，因此可编程逻辑器件过去没有在谐波检测中得到广泛的应用。1.4 电能质量问题产生原因分析着电力系统规模的不断扩大，电力系统电能质量产生的问题有以下原因：(1)非线性负荷电力系统中，非线性设备和负荷大量存在，例如，电视机、录像机、计算机、调光灯具等等，因
20、为它们具有调压整流装置，就会产生奇次谐波。而在电风扇、洗衣机、空调器等有绕组的设备中，由于电流的不平衡变化也会导致波形改变。以上的家用电器尽管功率比较小，但是十分普及，所以它们也是谐波的主要来源之一。在工业上，典型的非线性负荷是冷轧钢机，轧钢的时候功率比较大，回程空载时电功率比较小。除了以上非线性负荷以外，工业中广泛使用的电弧与接触焊设备、高频炉、矿热炉、硅铁炉等均属此类非线性电力设备。(2)输配电系统产生谐波输配电系统中产生谐波的是电力变压器。由于变压器铁芯饱和，磁化曲线又具有非线性，加上设计变压器时考虑经济性，这样就会导致磁化电流出现尖顶波形， 因而具有奇次谐波。 (3)电力系统中非线性元
21、件随着电力电子技术不断的发展，在电力工业方面，晶闸管整流技术和换流技术得到了广泛的应用，不过这些整流器件与换流电子器件也具有谐波。例如，作为直流输电大容量整流与逆变装置，工业中使用很多的变频调速装置，冶金、矿山部门、化工大量使用的晶闸整流电源和电气化铁道中用交流单相整流供电的机车等都为谐波源。1.5 电能质量检测分析方法在对电能质量分析中，关于对各种干扰源和电力系统的数学分析，则需要开发相应的软件与工程方法来分析、检测各种电能质量问题。近几年来，基于数字技术的数学分析方法已经在很多领域得到了广泛的应用：对在网络中谐波的分布进行分析；对各种电能质量控制装置在解决相关问题方面作用的分析。按不同分析
22、方法，这些技术可分为三种：(1)时域仿真方法 时域仿真则是利用仿真软件和程序来模拟电力系统各种暂态现象问题，于是对电能质量的各种指标进行分析、研究。其主要的缺点是仿真频率范围受到限制， 、还有模拟开关开合时则会引起震荡。随着很多仿真程序的不断发展，它们的功能日益强大，还可以利用它们进行一系列的谐波分析。(2)频域分析方法 此方法用于关于谐波问题的分析计算，主要包括谐波潮流计算、频率扫描等。考虑非线性负载的动态特性时，近几年来又提出一种新的计算方法，就是在常规、谐波潮流计算4法的基础上，利用 EMTP 等时域仿真程序来对非线性负载进行仿真计算，则可求出各次谐波动态电流失量，因而得到动态谐波潮流解
23、。(3) 基于变换的方法 在电能质量检测分析中，傅里叶变换法、短时傅里叶变换法、二次变换法、小波变换法和 Hilbert-Huang 变换是主要广泛应用的基于变换的方法。(a)傅里叶变换法 11。它是最早分析电能质量检测的方法，也是电能质量分析最基本的方法。在实际工程运用中，一般采用离散傅里叶变换方法（DFT）与快速傅里叶变换(FFT)。通常是利用它们对信号进行采样，然后将采样值转换成数字信号序列，借助计算机进行谐波分析。在使用过程中出现了很多改进的 DFT 和 FFT 算法，它们在一定程度上提高了算法的速度和精度。傅里叶变换的优点是算法快速简单，容易掌握。但同时也有缺点，比如，对、 、非平稳
24、信号很难充分描述；而且只适合于分析大致的过程，不适合分析突变的过程；虽然能把时域特征和频域特征很好地联系起来进行分析，但是不能将二者有机地结合起来。(b)短时傅里叶变换法。短时傅里叶变换(STFT)是与傅里叶转换相关的一种转换关系，用来确定相应的频率与相位。它的大致过程是：选择一个时频局部化的窗函数， 移动窗函数，使 f(t)，g(t)在不同的有限时间宽度内是平稳信号，以此计算出各个不同时刻的功率谱。短时傅里叶变换可以用来分析分段平稳信号和近似平稳信号犹可，但是对非平稳信号，信号变化剧烈时，要求窗函数有比较高的时间分辨率；而在波形变化比较缓慢的时刻，主要是在低频信号时，那就要求窗函数有较高的频
25、率分辨率。(c)二次变换法。它是一种基于能量角度来考虑的时频变换的方法。该仿真结果可以表明，二次变换不但可以准确地检测到信号发生突变的时刻，而且能精确测量基波与各个谐波分量的幅值。但是它有一定的缺点，就是无法准确地估计原始信号的谐波分量幅值。(d)小波变换 3,4,6。傅里叶分析是最基础有最传统的信号理论分析方法，傅里叶变换是一种全局性的变化， 但是它具有一定局限性。在实际应用中，人们已经开始对傅里叶变换进行不断改进，鉴于此，小波变化分析方法就产生了。小波分析是一种新兴的数学分支，它是泛函数、数值分析、调和分析、傅里叶分析的最完美结晶。小波变换采用不同的分析方法，可以在信号的不同的各个点上得到
26、最佳的时域分辨率和频域分辨率，为非稳态信号分析提供了一条新的途径。综合上述，小波变换与 Fourier 变换相比，能自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，因而解决了 Fourier 变换存在的问题，成为 Fourier 变换以来在科学方法上的最重大突破。小波变换的优点是：窗口大小和位置可以调节，能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析； 可以对信号进行去噪、识别和数据压缩、还原等。1.6 电能质量检测的意义随着社会的不断发展，电能成为使用最为广泛的能源之一，随着科学技术和国民经济的发展，对电能质量的要求越来越高。电能质量的指标若偏离正常水平过大，会给发电、5输变电和用电带来不同程度的危害。据统计，电网用电负荷中异步电动机占的比例最大。电网电压和频率的偏差、谐波、三相电压不平衡以及电压波动和闪变等，均会直接影响电机的转速、力矩和发热，从而影响生产工效和产品质量。对于电网和电气设备的安全、经济运行，保障产品质量和科学实验以及人民生活和生产的正常等均有重要意义。电能质量的好差直接关系到国民经济的总效益。所以人们对电能质量问题的重视并不是近几年的事，只不过早的时候对电能质量认识比较简单，主要局限在保持电网频率和电压水平(即静态或平均偏差不过大)上。
