發(fā)布時(shí)間：2016-04-11 22:40

1  緒論 

1.1  選題背景及意義 
隨著社會(huì)發(fā)展突飛猛進(jìn)，生活和生產(chǎn)中的用電設(shè)備也多樣化起來(lái)，人們對(duì)用電設(shè)備的依賴(lài)性也日漸增強(qiáng)。因此可以說(shuō)供電質(zhì)量的保證不但關(guān)系著人們的生活質(zhì)量，更關(guān)系著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度。近十多年微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)以十分迅猛的趨勢(shì)在發(fā)展，增加了電網(wǎng)中的非線(xiàn)性、不平衡性和具有沖擊性的負(fù)載，這將增加電能質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生概率，并且使電能質(zhì)量問(wèn)題有逐漸惡化的發(fā)展趨勢(shì)[1]。我國(guó)的供電系統(tǒng)也普遍存在電能質(zhì)量問(wèn)題。目前對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題劃分為以下幾類(lèi)：電壓的波動(dòng)、偏差和閃變，以及一些三相不平衡問(wèn)題和諧波問(wèn)題[2]。在近幾年的各種新興電氣設(shè)備的沖擊下，相繼又產(chǎn)生了很多問(wèn)題。比如有：瞬態(tài)過(guò)電壓、暫態(tài)過(guò)電壓、短時(shí)間間斷及電壓凹陷等[3]。 不論是生活家用電器設(shè)備還是電力系統(tǒng)中供配電設(shè)備，都會(huì)不同程度受到電能質(zhì)量問(wèn)題造成的不良影響。電能質(zhì)量的問(wèn)題必須得到足夠的重視并及時(shí)解決，否則會(huì)嚴(yán)重威脅到一次系統(tǒng)中設(shè)備的安全運(yùn)行。同時(shí)電能質(zhì)量的惡化可能導(dǎo)致二次系統(tǒng)的一些重要設(shè)備直接退出正常工作狀態(tài)，這將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成無(wú)法挽回的嚴(yán)重后果。電能質(zhì)量不合格會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)中一些裝置接收到的控制信號(hào)不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致供配電網(wǎng)絡(luò)中一些繼電保護(hù)裝置發(fā)生誤操作。這樣會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的安全可靠的運(yùn)行狀態(tài)造成很大的隱患。因此可以得到一個(gè)不爭(zhēng)的結(jié)論：電能質(zhì)量的保證是十分重要的。這不但關(guān)系著用電設(shè)備的安全，而且還關(guān)系著整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)于生活用電用戶(hù)來(lái)講電能質(zhì)量的穩(wěn)定與否關(guān)系到生活用戶(hù)用電的質(zhì)量[4]，也關(guān)系到生產(chǎn)用戶(hù)的產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。據(jù)美國(guó)方面可靠資料記載，過(guò)去十幾年中每年經(jīng)濟(jì)損失中有超過(guò)幾百億美元是因?yàn)殡娔苜|(zhì)量不合格的問(wèn)題造成的。不合格的電能會(huì)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成無(wú)可估量的影響。例如電能質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的大面積停電，這將會(huì)造成生產(chǎn)用戶(hù)的生產(chǎn)力大幅下降，使產(chǎn)品的成本大大增加。對(duì)日常用戶(hù)而言，由于電能質(zhì)量不穩(wěn)定出現(xiàn)的電壓閃變顯然會(huì)使家用電器的照明設(shè)備和顯示屏發(fā)生閃動(dòng)。一些家用電器中壓縮機(jī)由于受到電壓波動(dòng)所產(chǎn)生的沖擊力而發(fā)生震顫，大大影響了電器的工作壽命。此外，電能質(zhì)量受到污染還會(huì)造成其他不良的影響。常見(jiàn)的主要有對(duì)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備造成干擾。 綜上，對(duì)電能質(zhì)量的提高和優(yōu)化不僅對(duì)社會(huì)的整體經(jīng)濟(jì)收益可以提供一個(gè)穩(wěn)定的保障，而且對(duì)供電系統(tǒng)中電氣設(shè)備的安全運(yùn)行和生活用電用戶(hù)的生活質(zhì)量都有著很重要的意義。由于電能質(zhì)量問(wèn)題影響面之大，危害性之嚴(yán)重，因此國(guó)際供電會(huì)議已經(jīng)把這個(gè)問(wèn)題提上會(huì)議議程[5]。其中電能質(zhì)量污染的問(wèn)題已經(jīng)被列入當(dāng)前供電界關(guān)注的首要問(wèn)題。目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)的許多科研工作者已經(jīng)將電能質(zhì)量的評(píng)定和優(yōu)化單獨(dú)列為一個(gè)研究方向開(kāi)始投入研究。 
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1.2  課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
電能質(zhì)量去噪技術(shù)是近二十多年才提出的，，雖然發(fā)展時(shí)間較短，但是發(fā)展速度非常迅速。國(guó)內(nèi)外很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)電能質(zhì)量信號(hào)去噪的問(wèn)題已經(jīng)做了比較深入的研究工作。目前相關(guān)的去噪技術(shù)基本形成了一套較為完善的理論基礎(chǔ)[7]。噪聲污染對(duì)電能質(zhì)量信號(hào)的影響主要表現(xiàn)在電能質(zhì)量評(píng)估所用的特征量提取方面。比如采用小波變換去噪時(shí)，在高頻處附近的信號(hào)波動(dòng)特征就可能由于電能質(zhì)量信號(hào)受到污染而提取不到。這樣一來(lái)就與小波變換原理中更為精確的多尺度判斷的特性發(fā)生沖突。還有一種可能情況發(fā)生，是發(fā)生在利用局部模極大值原理檢測(cè)信號(hào)的時(shí)候。待檢測(cè)信號(hào)若被噪聲污染則會(huì)在檢測(cè)結(jié)果中出現(xiàn)一些本來(lái)沒(méi)有的奇異點(diǎn)。與此相似的情況還會(huì)發(fā)生在一些算法變換中，噪聲會(huì)隨著有效信號(hào)的放大而隨之放大。這樣會(huì)混淆了有效信號(hào)中的特征信號(hào)與奇異點(diǎn)，使設(shè)備無(wú)法分辨真實(shí)信號(hào)。 有些學(xué)者在文章中提出應(yīng)該將信號(hào)在使用和檢測(cè)前進(jìn)行一定的去噪預(yù)處理。文獻(xiàn)[8]中提到了一種形態(tài)方法的預(yù)處理方法。但是文中提到的兩種方法 DQ 變換法和動(dòng)態(tài)測(cè)度法都會(huì)受到噪聲的影響。這是因?yàn)檫@個(gè)算法本身不具有消噪的功能，接著為了應(yīng)對(duì)消噪的問(wèn)題就相繼提出了傅里葉變換和 HHT 變換等具有消噪運(yùn)算功能的算法。 按照去噪技術(shù)的分類(lèi)可以歸為線(xiàn)性濾波去噪和非線(xiàn)性濾波去噪兩類(lèi)。前者具有簡(jiǎn)單易操作，平滑性較好等特點(diǎn)。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)線(xiàn)性濾波不擅長(zhǎng)處理脈沖型信號(hào)，針對(duì)脈沖型噪聲無(wú)法很好的達(dá)到抑制目的，脈沖部分的有效信號(hào)會(huì)被模糊掉。非線(xiàn)性濾波技術(shù)就是針對(duì)線(xiàn)性濾波的不足之處提出來(lái)的。經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性濾波去噪處理后，噪聲信號(hào)會(huì)被處理為零值，非噪聲信號(hào)的特征信號(hào)部分會(huì)被保存下來(lái)。 
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2  電能質(zhì)量信號(hào)評(píng)估及去噪技術(shù) 

2.1  評(píng)估電能質(zhì)量的重要性 
電能質(zhì)量的概念已經(jīng)被提出了好多年，近些年越來(lái)越受到國(guó)際上各國(guó)的重視。通常意義上電能質(zhì)量指的是公用電網(wǎng)向用戶(hù)所提供交流電的電能品質(zhì)。合格的電能質(zhì)量應(yīng)該是具有標(biāo)準(zhǔn)的電壓、恒定的頻率和標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形的供電信號(hào)[22]。關(guān)于電能質(zhì)量的定義有很多，在沒(méi)有統(tǒng)一定義之前不同文獻(xiàn)中會(huì)使用電壓質(zhì)量、用電質(zhì)量等詞語(yǔ)對(duì)其進(jìn)行代替或概括。直到 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)正式將電能質(zhì)量一詞規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)后，才出現(xiàn)了統(tǒng)一的定義。合格的電能質(zhì)量具體定義內(nèi)容為：可以保證設(shè)備進(jìn)行正常工作的供電或接地系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量[23]。 三相交流供電系統(tǒng)中，不同相之間的電壓、電流幅值相等、相位是對(duì)稱(chēng)且相互間隔120 度。實(shí)際在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中存在很多設(shè)備的非線(xiàn)性運(yùn)行、系統(tǒng)中一些設(shè)備的不對(duì)稱(chēng)等、設(shè)備的開(kāi)合閘操作和外在環(huán)境的干擾等因素造成了實(shí)際電能達(dá)不到理想狀態(tài)。實(shí)際系統(tǒng)中用電設(shè)備和用戶(hù)對(duì)供電電源特性的要求不同。對(duì)于這種供電和用電雙方相互影響和相互作用的關(guān)系，在技術(shù)層面采用普遍認(rèn)同的技術(shù)名詞定義法給出一種定義[24]。
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2.2  電能質(zhì)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及意義 
電能質(zhì)量評(píng)定問(wèn)題是一個(gè)涉及到多學(xué)科的綜合性課題，迄今為止對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究仍然是電力部門(mén)和用電部門(mén)之間需要長(zhǎng)期協(xié)調(diào)、研究和解決的問(wèn)題。為了找出產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題的根本原因并找出引起電能質(zhì)量下降的因素，要對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行一定的規(guī)范分類(lèi)，從而可以選擇有效的解決方法去改善這一問(wèn)題。目前國(guó)際上對(duì)電能質(zhì)量的定義不統(tǒng)一，導(dǎo)致不同國(guó)家和地區(qū)所規(guī)定的類(lèi)別分界和類(lèi)別技術(shù)名詞也不盡相同。國(guó)際電工屆將此類(lèi)問(wèn)題歸結(jié)為電子擾動(dòng)的基本現(xiàn)象[26]。據(jù)此可以得出，電能質(zhì)量問(wèn)題可以根據(jù)造成擾動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)短大致分為暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題和穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題。 穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題主要是指發(fā)生電能質(zhì)量異常的持續(xù)時(shí)間在大概一分鐘以上的電能質(zhì)量問(wèn)題。主要的特征表現(xiàn)為波形畸變，主要問(wèn)題包括：間諧波、諧波、噪聲、缺口及電壓不平衡等。暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題主要指發(fā)生電能質(zhì)量異常的持續(xù)時(shí)間較短的電能質(zhì)量問(wèn)題。主要問(wèn)題包括：信號(hào)凹陷、信號(hào)凸起、信號(hào)間隔、脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)等[27]。IEEE根據(jù)電能質(zhì)量問(wèn)題的特征對(duì)其具體分類(lèi)做出一個(gè)說(shuō)明，將具體說(shuō)明整理如表 2.1： 實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題的分類(lèi)與合理評(píng)估具有十分重要的實(shí)際意義。首先電能質(zhì)量問(wèn)題的準(zhǔn)確分類(lèi)和評(píng)估可以為供電方與用電方在擬定供電合同的時(shí)候來(lái)明確發(fā)生電能質(zhì)量問(wèn)題時(shí)候的責(zé)任提供劃分依據(jù)，也為電能商品的分質(zhì)計(jì)價(jià)提供參考。其次，準(zhǔn)確的評(píng)估電能質(zhì)量問(wèn)題是對(duì)一個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)或者供電區(qū)域進(jìn)行電能質(zhì)量綜合評(píng)估的提前，也是下一步對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行分類(lèi)治理的先決條件。同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量可以調(diào)查到電能質(zhì)量的干擾源，將責(zé)任具體到各電力用戶(hù)，也有助于及時(shí)準(zhǔn)確解決存在的問(wèn)題。
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3  小波理論在電能質(zhì)量信號(hào)去噪中的應(yīng)用 .... 14 
3.1  小波變換去噪的原理 .... 14 
3.1.1  連續(xù)信號(hào)小波變換去噪 .......... 15 
3.1.2  離散信號(hào)小波變換去噪 .......... 16 
3.2  小波基函數(shù)的確定........ 17 
3.2.1  小波基的選取 ..... 18 
3.2.2  離散小波變換 ..... 19 
3.2.3  小波基函數(shù)的特性 .... 20 
3.3  小波閾值變換去噪?yún)?shù)確定 ...... 22
3.4  本章小結(jié).......... 26 
4  結(jié)合閾值函數(shù)的構(gòu)建及去噪原理分析 ........ 27 
4.1  結(jié)合閾值函數(shù)的構(gòu)建 .... 27
4.2  加權(quán)結(jié)合閾值法去噪步驟 .......... 30 
4.3  本章小結(jié).......... 31 
5  加權(quán)結(jié)合閾值去噪效果仿真及驗(yàn)證 ..... 33 
5.1  加權(quán)結(jié)合閾值去噪的去噪模型建立 ........ 33 
5.2  三種特征信號(hào)的去噪仿真 .......... 34
5.3  去噪效果的量化評(píng)定 .... 40
5.4  本章小結(jié).......... 45 

5  加權(quán)結(jié)合閾值去噪效果仿真及驗(yàn)證 

5.1  加權(quán)結(jié)合閾值去噪的去噪模型建立 

采用小波閾值去噪是依據(jù)有效信號(hào)與噪聲信號(hào)經(jīng)過(guò)小波變換后得到的小波系數(shù)再頻率領(lǐng)域表現(xiàn)出來(lái)的特性不同，進(jìn)而根據(jù)二者的差異制定相應(yīng)的去噪規(guī)則，對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行分離去噪處理。處理的主要目的是在最大限度的保留有效信號(hào)的前提下盡量將噪聲信號(hào)全部去除掉。然后將經(jīng)過(guò)小波閾值處理后的小波系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)。 因此去噪效果的改善主要在于小波變換后去噪規(guī)則的制定。本文中第三章介紹了幾種閾值選取的規(guī)則與小波變換基函數(shù)，并且依據(jù)電能質(zhì)量信號(hào)與高斯白噪聲的特點(diǎn)選定采用正交小波基 Dsubechies 中的 db3 對(duì)原始含噪信號(hào)進(jìn)行小波變換，采用 Donoho  和Johnstone 提出的統(tǒng)一閾值法進(jìn)行閾值劃分。接下來(lái)對(duì)閾值劃分后的小波系數(shù)采用本文第四章詳細(xì)介紹的加權(quán)小波閾值函數(shù)法進(jìn)行不同頻率段的閾值去噪，達(dá)到了再閾值門(mén)限處信號(hào)平滑過(guò)度不會(huì)發(fā)生跳變信號(hào)，在信號(hào)頻率較高處的有效信號(hào)進(jìn)行很好的信息保留。最后對(duì)去噪后的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，通過(guò)計(jì)算 SNR 與 RMSE 來(lái)驗(yàn)證去噪效果的優(yōu)劣。 

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結(jié)論 

本文通過(guò)研究電能質(zhì)量評(píng)估的重要意義與具體的評(píng)估要求，提出了針對(duì)電能質(zhì)量評(píng)估環(huán)節(jié)中最重要的采樣環(huán)節(jié)進(jìn)行信號(hào)的去噪預(yù)處理，使得采用去噪后的信號(hào)進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估的結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠，從而保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。文中詳細(xì)對(duì)比研究了目前用于電能質(zhì)量信號(hào)的去噪法，總結(jié)出了各種方法在去噪過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)。以此為研究基礎(chǔ)對(duì)小波變換去噪的方法進(jìn)行了深入的研究。主要工作有： 
（1）通過(guò)對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題劃分的研究，分析了電能質(zhì)量評(píng)估中電能質(zhì)量信號(hào)去噪的重要性，決定了要針對(duì)電能質(zhì)量信號(hào)去噪的方法進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到提高去噪效果的目的。 
（2）詳細(xì)對(duì)比研究了小波變換去噪方法的去噪原理與閾值門(mén)限選取方法，依據(jù)電能質(zhì)量信號(hào)中所含高斯白噪聲的特點(diǎn)，選定了針對(duì)電能質(zhì)量信號(hào)小波變換的小波基函數(shù)db3 進(jìn)行小波變換處理，確定了使用 Donoho  和 Johnstone 提出的統(tǒng)一閾值法進(jìn)行閾值劃分。 
（3）根據(jù)現(xiàn)有的小波閾值去噪方法存在的問(wèn)題，針對(duì)閾值函數(shù)進(jìn)行了加權(quán)優(yōu)化，對(duì)傳統(tǒng)的軟硬閾值函數(shù)，通過(guò)一個(gè)可變的加權(quán)因子，實(shí)現(xiàn)了結(jié)合去噪閾值函數(shù)的加權(quán)結(jié)合。達(dá)到了優(yōu)化電能質(zhì)量信號(hào)去噪的效果。 
（4）Matlab 仿真軟件對(duì)優(yōu)化后的小波閾值函數(shù)進(jìn)行了針對(duì)電壓暫降、電壓中斷、電壓暫升的去噪仿真，并與小波閾值去噪方法進(jìn)行去噪效果的對(duì)比驗(yàn)證。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：37981