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1、 电力系统信号处理技术报告小波变换与傅立叶变换在谐波检测中的分析与应用学 院：电气工程学院 专 业： 电气工程 学生 姓名： 荣 毅 学 号： S14085207031 班 级：2014级硕研24班 课程认识课程认识一、数字信号处理数字信号处理就是用数值计算的方式对信号进行加工的理论和技术，它的英文原名叫digital signal processing，简称DSP。另外DSP也是digital signal processor的简称，即数字信号处理器，它是集成专用计算机的一种芯片，只有一枚硬币那么大。有时人们也将DSP看作是一门应用技术，称为DSP技术与应用。数字信号处理是将信号以数字方式表
2、示并处理的理论和技术。数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测量或滤波。因此在进行数字信号处理之前需要将信号从模拟域转换到数字域，这通常通过模数转换器实现。而数字信号处理的输出经常也要变换到模拟域，这是通过数模转换器实现的。广义来说，数字信号处理是研究用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调以及快速算法的一门技术学科。但很多人认为：数字信号处理主要是研究有关数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法。随着数字电路与系统技术以及计算机技术的发展，数字信号处理技术也相应地得到发展，其应用领域十分广泛。具体应用：(1)数字滤波器 数
3、字滤波器的实用型式很多，大略可分为有限冲激响应型和无限冲激响应型两类，可用硬件和软件两种方式实现。在硬件实现方式中，它由加法器、乘法器等单元所组成，这与电阻器、电感器和电容器所构成的模拟滤波器完全不同。数字信号处理系统很容易用数字集成电路制成，显示出体积小、稳定性高、可程控等优点。数字滤波器也可以用软件实现。软件实现方法是借助于通用数字计算机按滤波器的设计算法编出程序进行数字滤波计算。(2)傅里叶变换 1965年J.W.库利和T.W.图基首先提出离散傅里叶变换的快速算法，简称快速傅里叶变换，以FFT表示。自有了快速算法以后,离散傅里叶变换的运算次数大为减少，使数字信号处理的实现成为可能。快速傅
4、里叶变换还可用来进行一系列有关的快速运算，如相关、褶积、功率谱等运算。快速傅里叶变换可做成专用设备，也可以通过软件实现。与快速傅里叶变换相似，其他形式的变换，如沃尔什变换、数论变换等也可有其快速算法。(3)谱分析 在频域中描述信号特性的一种分析方法，不仅可用于确定性信号，也可用于随机性信号。所谓确定性信号可用既定的时间函数来表示，它在任何时刻的值是确定的；随机信号则不具有这样的特性，它在某一时刻的值是随机的。因此，随机信号处理只能根据随机过程理论，利用统计方法来进行分析和处理，如经常利用均值、均方值、方差、相关函数、功率谱密度函数等统计量来描述随机过程的特征或随机信号的特性。(4)处理系统 无
5、论哪方面的应用，首先须经过信息的获取或数据的采集过程得到所需的原始信号，如果原始信号是连续信号，还须经过抽样过程使之成为离散信号，再经过模数转换得到能为数字计算机或处理器所接受的二进制数字信号。如果所收集到的数据已是离散数据，则只须经过模数转换即可得到二进制数码。数字信号处理器的功能是将从原始信号抽样转换得来的数字信号按照一定的要求，例如滤波的要求，加以适当的处理，即得到所需的数字输出信号。经过数模转换先将数字输出信号转换为离散信号，再经过保持电路将离散信号连接起来成为模拟输出信号，这样的处理系统适用于各种数字信号处理的应用，只不过专用处理器或所用软件有所不同而已。数字信号处理的应用领域十分广
6、泛。就所获取信号的来源而言，有通信信号的处理，雷达信号的处理，遥感信号的处理，控制信号的处理，生物医学信号的处理，地球物理信号的处理，振动信号的处理等。若以所处理信号的特点来讲，又可分为语音信号处理，图像信号处理，一维信号处理和多维信号处理等。二、电力系统信号处理技术继电保护系统与主系统并列成为电力系统中的两大主要系统，继电保护中各种保护原理的实现，首先要取得所需要的信号，这些都是靠信号处理技术来实现的。现代电力系统是一个庞大的人造实体系统，其电气设备分为一次设备和二次设备。一次设备（也称主设备）是构成电力系统的主体，它是直接生产、输送和分配电能的设备。包括发电机、电力母线、电力变压器、断路器
7、、隔离开关、电缆和输电线路等。一次设备的电压电流通过电压互感器和电流互感器传送到二次设备。二次设备是对一次设备进行测量、计量、保护、调节和控制，它包括测量仪表、继电保护和自动装置及控制回路。一次设备及其联接的回路称为一次回路。二次设备按照一定的规则联接起来以实现某种电气功能的回路称为二次回路。所以系统的运行工况信息编号，都是通过电压互感器和电流互感器传送到二次系统。无论是正常状态下要完成对一次系统的计量和监控，还是运行状态转换时需要对出现的暂态信息的分析，都是从电力工程信号测量开始。另外，电力设备的运行状态在线监测，甚至电力系统规划，负荷建模都涉及电力工程信号处理应用。面对目前已逐步形成的区域
8、互联电力系统，无论是目前应用较为成熟的RTU、SCADA、EMS，还是发张的PMU、WAMS、SA。其前端也都是从电力工程信号采集、处理、传输开始。据此，可以说电力工程信号处理是伴随着电力系统的成长而逐步发展和不断完善的一个比较宽泛的学科领域。信号处理在保护方面的具体应用：(1)同步发电机参数辨识 准确的同步电机参数对研究好分析电力系统运行、控制系统设计等问题有着重要意义。其中，反映同步电机暂态过程的瞬态参数与电力兄台的稳定性有密切关系。对同步发电机参数的准确辨识正式建立在对电力工程信号处理的基础上完成的。(2)利用暂态分量实现故障选线 中性点非直接接地方式，小电流接地方式，特别是发生高阻接地
9、时，故障特征不明显。发生单相接地短路时，一般要求在带故障运行期间选出故障线路予以排除，防止系统故障扩大为两点接地短路。目前微机故障选线装置的选线准确率一直不太理想，经常出现误判。如果能对这种接线方式的系统故障暂态信号特征做到可靠有效提取，利用暂态分量进行选线，将有可能会从原理和方法上克服选线困难。(3)高压设备局部放电检测 一个重要目的是根据检测结果判断设备绝缘劣化的部位和程度，从而为检修维护提供依据。研究表明，局部放电脉冲波形与放电源的性质有直接关系。因此可以从脉冲波形提取放电特征，再借助模式识别工具对放电信号进行识别。所以对于其局部放电的检测具有较强的现实意义。(4)电缆局部放电检测 主要
10、是针对绝缘层内部及其界面存在空洞、夹杂物和隆凸不平等缺陷，当在有水、离子水及电池作用外部条件的影响下，会出现树状裂缝。称为电树、水树、或者电化树，随着数的增长，到穿通电缆绝缘层时，电缆的绝缘就会加速失效。因此，对于上述“水树的检测就显得至关重要，而目前建立的“水树“模型都是基于对电缆绝缘层通过的局部电流谐波分量的有效提取。(5)电能质量 随着电力系统非线性负荷的增加，如大规模电力电子装置，大功率的电力拖动设备，电话工业设备，电气化铁道，炼钢电弧炉，对电能质量的影响越来越大，电能质量问题越来越突出，动态电能质量问题已成为近年来各方面关注的焦点，对电能质量的有效分析和检测不但必要而且十分迫切。电能
11、质量的量化指标一般包括额定电压、额定频率、正弦波形、电压暂升、电压暂降。电压中断、暂态振荡等。对于上述指标的提权，仍是电力工程信号处理典型应用。(6)电力负荷预测 电力负荷是典型的非线性时间序列，收到宏观和微观的多层次多因素约束，对其预测过程更加以来对现有信息和合理分析和处理，是一个复杂的过程。由于隶属数据庞杂、负荷预测往往要剔除坏数据，这个过程就是一个电力工程信号处理的过程。另外负荷预测还常常需要解朝顶方程，最优化求解，这也是电力工程信号处理方面的应用。(7)风力发电风速预测 对风电场风速进行较为准确的预测，对于电力部门及时调整调度计划，衡量风电场的容量可信度，进而确定合适的风电上网价格，具
12、有重要的现实意义。而风电场风速预测首先要准确采集历史数据，设计合理的算法模型。这些过程也体现了电力工程信号处理应用。III 目 录课程认识I第1章 绪论1第2章 谐波的简介32.1 谐波的定义及分类32.2 谐波产生的危害3第3章 傅里叶分析53.1 傅里叶变换53.2 短时傅里叶变换7第4章 小波变换基本理论84.1 连续小波变换84.2 离散小波变换84.3 多分辨率分析94.4 Mallat算法9第5章 两种方法在谐波检测中的应用举例105.1 Mallat算法在谐波检测中的应用（小波变换）105.1.1 小波基函数的选择105.1.1 多分辨率分析中的谐波频带划分105.2 FFT在谐
13、波检测中的应用（傅里叶变换）125.2.1 加窗FFT窗函数的选择125.2.2 基于傅里叶变换的同步采样12结论13第1章 绪论 第1章 绪论电能是社会与经济发展的基本动力源，人类社会的运行已经无法脱离对电能的依赖。供电不仅是一项商业服务，更是一种社会服务。对提供电力的电力系统的基本要求是能够向用户输送安全可靠、质量合格的电能。电力电子技术的发展使得电网中整流器，变频调速装置以及各种以开关方式工作的电力电子装置得到广泛应用，这些负荷具有非线性、冲击性和不平衡性的用电特性，使得电力系统中电压、电流波形发生畸变，电网中谐波含量大幅增加。这些非线性负荷从电网吸收或注入谐波电流，从而导致电网的功率因
14、数降低、电网电压波形发生畸变、电压波动与闪变和三相不平衡等电能质量问题。因此，改善电能质量，提高电力系统安全运行的能力变得十分必要，而对电力谐波问题的研究则变成当今世界广泛关注的问题。研究电力谐波问题就要对电力系统中的谐波进行准确检测，所以，谐波分析就成为解决谐波问题进行的首要研究。目前，谐波问题的治理已经在各个国家成为被广泛关注的问题。在国际范围内，许多专门的学术组织和工作组织都已成立，并制定了限制谐波问题的相关标准。在国内，输电技术、电气化的快速发展虽然带来了高效率，但也给电网的运行带来不可忽视的问题谐波。工业生产与生活中电力电子设备的大量应用，更加大了谐波问题的严重性；同时，精密设备与仪
15、器对电网谐波干扰尤其敏感，这就需要电力系统能够提供更高的电能质量。谐波问题的研究主要分为三个方面谐波检测、谐波分析、谐波抑制。而研究谐波问题的最终目的是对谐波产生的危害进行治理。要想达到这一目的，第一步就是要对谐波进行准确的检测与分析。随着用电环境的日趋复杂以及各种精密设备的要求，保证电网能够安全可靠的提供高质量电能已经成为现阶段乃至未来电力系统发展的硬性标准。因此，对待谐波问题必须要有足够的重视，而谐波检测的研究更成为研究谐波问题的前提条件。在这样的背景下，进行谐波检测的研究具有深远的理论与实际意义。电力系统中除了功率因数降低，需要无功补偿问题，还存在谐波污染问题，分析谐波的产生，由于发电机的气隙磁场非严格正弦波，含有一定谐波；变压器产生谐波的主要原因是磁路的非线性，尤其在空载或轻载时，谐波更严重；荧光灯严重非线性也会产生谐波，最主要的是电力
