基于小波變換的電力系統諧波檢測的研究

摘要：小波變換在電力系統諧波中的應用，與諧波本身的特性是直接相關(guān)的，要得到實(shí)時(shí)性和精確性都較高的檢測效果就需要時(shí)電力系統的諧波特點(diǎn)，小波在這方面的應用原理有深刻的理解。文中對此在作了深入分析的基礎上，還重點(diǎn)研究了采用小波變換研究諧波檢測的主要因素，用仿真驗證其影響效果。最后針對目前的研究成果論述小波在諧波檢測應用中的發(fā)展，為小波變換在分析有效、精確、可靠的電力諧波檢測方法提供研究思路。
關(guān)鍵詞：諧波檢測；小波變換；電力系統；時(shí)頻分析；小波函數

電力諧波的危害性推動(dòng)其檢測的發(fā)展，其中小波變換理論的成功實(shí)踐，給諧波檢測提供了新的研究方法。在提高檢測的實(shí)時(shí)性和精確性的應用要求下，需對小波理論有深入理解。結合分析信號特點(diǎn)，研究小波變換在諧波檢測中的實(shí)現。

1 電力系統諧波特點(diǎn)
1．1 諧波問(wèn)題及在電力系統中的影響
在電力系統中，諧波是指電流表達式里所含有的頻率為基波整數倍的電量部分。其主要是由于電網(wǎng)中非線(xiàn)性負載的大量應用，造成電壓電流發(fā)生畸變，給用電設備帶來(lái)嚴重的危害，表現在：電網(wǎng)能量的損失；數據采樣錯誤；設備的誤操作；降低設備使用壽命；電力設備的諧振、噪聲和振動(dòng)，使設備失效甚至損壞。諧波對通信設備和電子裝置也會(huì )產(chǎn)生嚴重干擾。因此，諧波對電力系統造成的危害引起了廣泛關(guān)注，造成“諧波污染”。
1．2 電力諧波檢測方法
諧波檢測是諧波治理的首要問(wèn)題。在諧波檢測理論的發(fā)展中，先后形成了多種檢測方法，如模擬濾波、傅里葉變換、小波變換、瞬時(shí)無(wú)功功率理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等。其中，傅里葉變換是諧波監測裝置中廣泛應用的基本理論依據；瞬時(shí)無(wú)功功率理論常用于諧波的瞬時(shí)檢測，也可用于無(wú)功補償等諧波治理領(lǐng)域；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和小波變換理論應用于諧波檢測，是目前正在研究的新方法，它可以提高諧波測量的實(shí)時(shí)性和精度，在諧波檢測領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。
小波變換是時(shí)頻分析的一種。目前在電力諧波檢測中主要應用在電壓、電流信號間斷點(diǎn)、奇異點(diǎn)的檢測；信號成分的分離識別；信號噪聲處理；信號發(fā)展趨勢的估計等方面。其對信號分析的成功實(shí)踐，給電力諧波抑制問(wèn)題提供了解決的思路。

2 小波變換在電力諧波檢測中的應用原理
2．1 小波變換的時(shí)頻分析原理
小波分析可以根據需要選取時(shí)間或頻率的精度，一般來(lái)說(shuō)，低頻部分信號比較平緩，而所含的頻率成分較多，所以可以降低時(shí)間分辨率來(lái)提高頻率分辨率。在高頻部分，包含了很多瞬態(tài)變換的特征，相對的頻率改變量就對信號的影響不大，我們就可以在較高的時(shí)間分辨率下關(guān)注信號的瞬態(tài)特征，而降低頻率分辨率。也就是說(shuō)，小波變換可以實(shí)現在多分辨率下分解信號。
2．2 小波分析的諧波檢測原理
諧波檢測就是希望能在高次諧波有較高的分辨率和較寬的頻帶，將高次諧波分辨出來(lái)。而小波變換在時(shí)頻域都具有表征信號局部特征的能力，這為它在諧波檢測中的應用奠定了理論基礎。在電力系統中，信號往往含有多次諧波分量，且高次諧波的含量比較低。要將高頻信號有效的分辨出來(lái)，在實(shí)際的檢測中，希望低頻部分的頻窗較窄，高頻部分的頻窗比較寬。在這種應用要求下，使得小波理論在電力諧波檢測中得到了發(fā)展，它提供的一種可變的時(shí)頻窗結構，可以提高諧波分析的性能，達到諧波實(shí)時(shí)、準確檢測的目的。
小波變換具有多分辨率分析的特點(diǎn)，它是不斷地濾除頻率相對較高的頻帶上的分量，同時(shí)保存這些分量以進(jìn)行信號重構。基于小波變換的多分辨率分析可以將含有諧波的電流信號分解成不同頻率的塊信號，將低頻段上的結果看成基波分量，高頻段為各次諧波分量，從而得到諧波信息。這就是說(shuō)，信號的小波變換相當于信號通過(guò)有限長(cháng)的帶通濾波器，不同的尺度因子決定其帶通特性。若不同頻率的諧波位于不同的頻帶中，就能夠把不同頻率的諧波分離出來(lái)。
2．3 小波變換應用在電力諧波分析中的特點(diǎn)
小波分析是一種時(shí)間窗和頻率窗都可改變的時(shí)頻局部化分析法。具有以下特點(diǎn)：1)高頻范圍內有較高的時(shí)間分辨率，低頻范圍內有較高的頻率分辨率；既可以分析平穩信號，也適應于非平穩信號，尤其是對瞬態(tài)變換的信號能達到很好的分析效果。2)利用離散小波變換可以將電力信號分解到各個(gè)尺度上，其數學(xué)原理可參考文獻。

3 小波分析在電力諧波檢測中的應用
3．1 小波變換的應用
目前用小波分析解決電力諧波檢測問(wèn)題，主要應用在以下幾個(gè)方面：
3．1．1 信號特征的檢測
1)突變信號檢測
突變信號屬于信號的瞬態(tài)變化特性，包含了信號的重要特征。利用小波變換在時(shí)域和頻域所具有的分析能力，及小波的變焦特性對此類(lèi)信號很強的敏感性，不僅可以對其位置進(jìn)行準確的識別，而且對頻率成分逐漸精細聚焦信號的細節，對突變點(diǎn)的變化程度做有效的分析。
電力系統諧波檢測中，小波變換對突變信號的檢測主要包含有：信號間斷點(diǎn)的變化檢測，電力信號的故障檢測，信號干擾的檢測等方面。
2)信號趨勢檢測
在電力系統中，諧波和噪聲的影響往往會(huì )使原始信號發(fā)生畸變，很難識別出真實(shí)信號的走勢，對分析結果造成障礙。而體現系統本身性質(zhì)的是一些緩慢變化的信號，即頻率最低的部分。小波變換具有多分辨率分析的特點(diǎn)，從頻率的角度，它可以逐層的濾除高頻成分，使得信號越來(lái)越接近信號的發(fā)展趨勢；從時(shí)域的角度，隨著(zhù)小波分解尺度的增加，信號的緩慢變換部分也與真實(shí)信號越逼近，從而反映出信號的總體發(fā)展趨勢。
因此可以通過(guò)小波分析，將隱藏在電力系統干擾信號中的有用信號部分顯示出來(lái)，識別信號的發(fā)展趨勢，對信號的進(jìn)一步分析提供可靠信息。
3)信號頻率的檢測
電力諧波檢測是指，將電力信號中所包含的各高次諧波分離出來(lái)。由于小波分解，可以在不同的尺度下可獲得不同的時(shí)間和頻率分辨率，分析所有尺度的信息，不同頻率區間中所含有的信號便得到分離，則整個(gè)信號的頻率成分就可以檢測出來(lái)。
在電力諧波的檢測中，需要根據工程實(shí)踐和經(jīng)驗，選擇適當的小波函數對信號做尺度分解，分析其所包含的諧波成分，對“諧波污染”采取有效的抑制措施。
3．1．2信號的處理
1)降噪
噪聲是電力系統中最常見(jiàn)的干擾信號，也是影響準確分析諧波的主要屏障。根據噪聲的特點(diǎn)，用小波分析來(lái)消除噪聲通常采取以下的處理方式：
一種是強制消噪。即是把小波分解中的高頻系數全部變?yōu)榱?，然后再對信號進(jìn)行重構處理。此方法簡(jiǎn)單，重構信號也較平滑，但易丟失有用的高頻分量。另一種是門(mén)限消噪。該方法是對信號小波分解中的最高頻分解系數用門(mén)限值處理，即大于門(mén)限的部分保留，低于門(mén)限的系數為零。對其他各尺度的高頻系數改變門(mén)限值處理，隨著(zhù)分解層次的增加，門(mén)限值可大約按照乘以2倍至1／2倍減小。這種處理在實(shí)際應用中有良好的效果，但需根據經(jīng)驗或某種依據設定門(mén)限值。
小波分析由于能同時(shí)在時(shí)域和頻域中對信號分析，具有多分辨能力，所以能在不同的分解層次上有效地區分信號的突變和噪聲，從而實(shí)現信號的消噪。
在電力系統中，所采集的信號可能包含許多尖峰或突變，并且噪聲也不是平穩的白噪聲。對這種信號進(jìn)行分析，首先要做預處理，將信號的噪聲部分去除，提取有用信號，再對有用信號做分析，提高檢測的精確度。
2)濾波
分析信號的頻率成分，并采用適當的濾波器實(shí)現各次諧波的分離，達到諧波檢測的目的。
濾波是指讓部分頻率的信號通過(guò)，而濾除其余的頻率部分。小波能夠分辨出信號的高頻和低頻部分，方便的實(shí)現濾波的功能。各種常見(jiàn)濾波的實(shí)現方法：
低通濾波：指保留低頻成分，濾除高頻成分。一般信號的細節、突變部分及噪聲主要是高頻成分起作用，經(jīng)低通濾波后信號能夠起到平滑、去噪的目的?？梢杂肕allat算法和小波包算法，能實(shí)現各種要求的低頻濾波，滿(mǎn)足設計要求。
高通濾波：指保留高頻成分，濾除低頻成分。高頻信息一般反映信號的細節信息，經(jīng)高通濾波，信號的輪廓就會(huì )顯得特別明顯?？衫谜恍〔ǚ纸?、正交小波包分解信號，保留分解后信號的高頻分量，然后用零代替低頻分量，實(shí)現高通濾波，滿(mǎn)足設計要求。
帶通濾波：指保留信號中某段頻帶的數據。用正交小波包就可以實(shí)現細致、清晰的帶通濾波。