基于小波理论的电能质量信号去噪方法的研究

发布时间：2016-04-11 22:40

1  绪论 

1.1  选题背景及意义 
随着社会发展突飞猛进，生活和生产中的用电设备也多样化起来，人们对用电设备的依赖性也日渐增强。因此可以说供电质量的保证不但关系着人们的生活质量，更关系着国民经济的发展速度。近十多年微电子技术和电力电子技术以十分迅猛的趋势在发展，增加了电网中的非线性、不平衡性和具有冲击性的负载，这将增加电能质量问题的发生概率，并且使电能质量问题有逐渐恶化的发展趋势[1]。我国的供电系统也普遍存在电能质量问题。目前对电能质量问题划分为以下几类：电压的波动、偏差和闪变，以及一些三相不平衡问题和谐波问题[2]。在近几年的各种新兴电气设备的冲击下，相继又产生了很多问题。比如有：瞬态过电压、暂态过电压、短时间间断及电压凹陷等[3]。 不论是生活家用电器设备还是电力系统中供配电设备，都会不同程度受到电能质量问题造成的不良影响。电能质量的问题必须得到足够的重视并及时解决，否则会严重威胁到一次系统中设备的安全运行。同时电能质量的恶化可能导致二次系统的一些重要设备直接退出正常工作状态，这将对整个系统造成无法挽回的严重后果。电能质量不合格会导致电力系统中一些装置接收到的控制信号不准确，从而导致供配电网络中一些继电保护装置发生误操作。这样会对电力系统的安全可靠的运行状态造成很大的隐患。因此可以得到一个不争的结论：电能质量的保证是十分重要的。这不但关系着用电设备的安全，而且还关系着整个电力系统的稳定运行。对于生活用电用户来讲电能质量的稳定与否关系到生活用户用电的质量[4]，也关系到生产用户的产品生产质量。据美国方面可靠资料记载，过去十几年中每年经济损失中有超过几百亿美元是因为电能质量不合格的问题造成的。不合格的电能会对社会经济造成无可估量的影响。例如电能质量出现问题将会导致电网的大面积停电，这将会造成生产用户的生产力大幅下降，使产品的成本大大增加。对日常用户而言，由于电能质量不稳定出现的电压闪变显然会使家用电器的照明设备和显示屏发生闪动。一些家用电器中压缩机由于受到电压波动所产生的冲击力而发生震颤，大大影响了电器的工作寿命。此外，电能质量受到污染还会造成其他不良的影响。常见的主要有对有线或无线通信设备造成干扰。 综上，对电能质量的提高和优化不仅对社会的整体经济收益可以提供一个稳定的保障，而且对供电系统中电气设备的安全运行和生活用电用户的生活质量都有着很重要的意义。由于电能质量问题影响面之大，危害性之严重，因此国际供电会议已经把这个问题提上会议议程[5]。其中电能质量污染的问题已经被列入当前供电界关注的首要问题。目前国际和国内的许多科研工作者已经将电能质量的评定和优化单独列为一个研究方向开始投入研究。 
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1.2  课题国内外研究现状 
电能质量去噪技术是近二十多年才提出的，，虽然发展时间较短，但是发展速度非常迅速。国内外很多专家学者对电能质量信号去噪的问题已经做了比较深入的研究工作。目前相关的去噪技术基本形成了一套较为完善的理论基础[7]。噪声污染对电能质量信号的影响主要表现在电能质量评估所用的特征量提取方面。比如采用小波变换去噪时，在高频处附近的信号波动特征就可能由于电能质量信号受到污染而提取不到。这样一来就与小波变换原理中更为精确的多尺度判断的特性发生冲突。还有一种可能情况发生，是发生在利用局部模极大值原理检测信号的时候。待检测信号若被噪声污染则会在检测结果中出现一些本来没有的奇异点。与此相似的情况还会发生在一些算法变换中，噪声会随着有效信号的放大而随之放大。这样会混淆了有效信号中的特征信号与奇异点，使设备无法分辨真实信号。 有些学者在文章中提出应该将信号在使用和检测前进行一定的去噪预处理。文献[8]中提到了一种形态方法的预处理方法。但是文中提到的两种方法 DQ 变换法和动态测度法都会受到噪声的影响。这是因为这个算法本身不具有消噪的功能，接着为了应对消噪的问题就相继提出了傅里叶变换和 HHT 变换等具有消噪运算功能的算法。 按照去噪技术的分类可以归为线性滤波去噪和非线性滤波去噪两类。前者具有简单易操作，平滑性较好等特点。不过在实际应用过程中发现线性滤波不擅长处理脉冲型信号，针对脉冲型噪声无法很好的达到抑制目的，脉冲部分的有效信号会被模糊掉。非线性滤波技术就是针对线性滤波的不足之处提出来的。经过非线性滤波去噪处理后，噪声信号会被处理为零值，非噪声信号的特征信号部分会被保存下来。 
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2  电能质量信号评估及去噪技术 

2.1  评估电能质量的重要性 
电能质量的概念已经被提出了好多年，近些年越来越受到国际上各国的重视。通常意义上电能质量指的是公用电网向用户所提供交流电的电能品质。合格的电能质量应该是具有标准的电压、恒定的频率和标准的正弦波形的供电信号[22]。关于电能质量的定义有很多，在没有统一定义之前不同文献中会使用电压质量、用电质量等词语对其进行代替或概括。直到 IEEE 标准技术委员会正式将电能质量一词规定为标准术语后，才出现了统一的定义。合格的电能质量具体定义内容为：可以保证设备进行正常工作的供电或接地系统的信号质量[23]。 三相交流供电系统中，不同相之间的电压、电流幅值相等、相位是对称且相互间隔120 度。实际在系统运行的过程中存在很多设备的非线性运行、系统中一些设备的不对称等、设备的开合闸操作和外在环境的干扰等因素造成了实际电能达不到理想状态。实际系统中用电设备和用户对供电电源特性的要求不同。对于这种供电和用电双方相互影响和相互作用的关系，在技术层面采用普遍认同的技术名词定义法给出一种定义[24]。
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2.2  电能质量评估标准及意义 
电能质量评定问题是一个涉及到多学科的综合性课题，迄今为止对电能质量问题的研究仍然是电力部门和用电部门之间需要长期协调、研究和解决的问题。为了找出产生电能质量问题的根本原因并找出引起电能质量下降的因素，要对电能质量进行一定的规范分类，从而可以选择有效的解决方法去改善这一问题。目前国际上对电能质量的定义不统一，导致不同国家和地区所规定的类别分界和类别技术名词也不尽相同。国际电工届将此类问题归结为电子扰动的基本现象[26]。据此可以得出，电能质量问题可以根据造成扰动的时间长短大致分为暂态电能质量问题和稳态电能质量问题。 稳态电能质量问题主要是指发生电能质量异常的持续时间在大概一分钟以上的电能质量问题。主要的特征表现为波形畸变，主要问题包括：间谐波、谐波、噪声、缺口及电压不平衡等。暂态电能质量问题主要指发生电能质量异常的持续时间较短的电能质量问题。主要问题包括：信号凹陷、信号凸起、信号间隔、脉冲暂态和振荡暂态等[27]。IEEE根据电能质量问题的特征对其具体分类做出一个说明，将具体说明整理如表 2.1： 实现电能质量问题的分类与合理评估具有十分重要的实际意义。首先电能质量问题的准确分类和评估可以为供电方与用电方在拟定供电合同的时候来明确发生电能质量问题时候的责任提供划分依据，也为电能商品的分质计价提供参考。其次，准确的评估电能质量问题是对一个供电网络或者供电区域进行电能质量综合评估的提前，也是下一步对电能质量进行分类治理的先决条件。同时通过实时监测各监测点的电能质量可以调查到电能质量的干扰源，将责任具体到各电力用户，也有助于及时准确解决存在的问题。
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3  小波理论在电能质量信号去噪中的应用 .... 14 
3.1  小波变换去噪的原理 .... 14 
3.1.1  连续信号小波变换去噪 .......... 15 
3.1.2  离散信号小波变换去噪 .......... 16 
3.2  小波基函数的确定........ 17 
3.2.1  小波基的选取 ..... 18 
3.2.2  离散小波变换 ..... 19 
3.2.3  小波基函数的特性 .... 20 
3.3  小波阈值变换去噪参数确定 ...... 22
3.4  本章小结.......... 26 
4  结合阈值函数的构建及去噪原理分析 ........ 27 
4.1  结合阈值函数的构建 .... 27
4.2  加权结合阈值法去噪步骤 .......... 30 
4.3  本章小结.......... 31 
5  加权结合阈值去噪效果仿真及验证 ..... 33 
5.1  加权结合阈值去噪的去噪模型建立 ........ 33 
5.2  三种特征信号的去噪仿真 .......... 34
5.3  去噪效果的量化评定 .... 40
5.4  本章小结.......... 45 

5  加权结合阈值去噪效果仿真及验证 

5.1  加权结合阈值去噪的去噪模型建立 

采用小波阈值去噪是依据有效信号与噪声信号经过小波变换后得到的小波系数再频率领域表现出来的特性不同，进而根据二者的差异制定相应的去噪规则，对小波系数进行分离去噪处理。处理的主要目的是在最大限度的保留有效信号的前提下尽量将噪声信号全部去除掉。然后将经过小波阈值处理后的小波系数进行重构。 因此去噪效果的改善主要在于小波变换后去噪规则的制定。本文中第三章介绍了几种阈值选取的规则与小波变换基函数，并且依据电能质量信号与高斯白噪声的特点选定采用正交小波基 Dsubechies 中的 db3 对原始含噪信号进行小波变换，采用 Donoho  和Johnstone 提出的统一阈值法进行阈值划分。接下来对阈值划分后的小波系数采用本文第四章详细介绍的加权小波阈值函数法进行不同频率段的阈值去噪，达到了再阈值门限处信号平滑过度不会发生跳变信号，在信号频率较高处的有效信号进行很好的信息保留。最后对去噪后的信号进行重构，通过计算 SNR 与 RMSE 来验证去噪效果的优劣。 

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结论 

本文通过研究电能质量评估的重要意义与具体的评估要求，提出了针对电能质量评估环节中最重要的采样环节进行信号的去噪预处理，使得采用去噪后的信号进行电能质量评估的结果更加准确可靠，从而保证了电力系统的安全稳定运行。文中详细对比研究了目前用于电能质量信号的去噪法，总结出了各种方法在去噪过程中的优缺点。以此为研究基础对小波变换去噪的方法进行了深入的研究。主要工作有： 
（1）通过对电能质量问题划分的研究，分析了电能质量评估中电能质量信号去噪的重要性，决定了要针对电能质量信号去噪的方法进行改进，达到提高去噪效果的目的。 
（2）详细对比研究了小波变换去噪方法的去噪原理与阈值门限选取方法，依据电能质量信号中所含高斯白噪声的特点，选定了针对电能质量信号小波变换的小波基函数db3 进行小波变换处理，确定了使用 Donoho  和 Johnstone 提出的统一阈值法进行阈值划分。 
（3）根据现有的小波阈值去噪方法存在的问题，针对阈值函数进行了加权优化，对传统的软硬阈值函数，通过一个可变的加权因子，实现了结合去噪阈值函数的加权结合。达到了优化电能质量信号去噪的效果。 
（4）Matlab 仿真软件对优化后的小波阈值函数进行了针对电压暂降、电压中断、电压暂升的去噪仿真，并与小波阈值去噪方法进行去噪效果的对比验证。 
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参考文献(略)

本文编号：37981