【文献综述】基于HHT方法的电力系统电能质量检查

文献综述

电气工程及其自动化

基于ＨＨＴ方法的电力系统电能质量检查

前言

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、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[1]。

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[1]

本综述介绍了电能质量的检测方法：FT、STFT、小波、HHT等。并对这些方法的优缺点进行了比较。FT对稳态信号的分析比较好，但是对非平稳信号的分析能力差。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。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。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。

正文

1. 电力系统电能质量产生问题的原因

(1)非线性负荷

在电力系统中，非线性设备及负荷大量存在，诸如电视机、录像机、计算机、调光灯具等，由于具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因电流的不平衡变化也能使波形改变。以上家用电器虽然功率较小，但是

非常普及，也是谐波的主要来源之一。在工业生产中，冷轧钢机是典型的非线性负荷，轧钢时功率大，回程空载时电功率小。出了以上非线性负荷外，工业中广泛使用的电弧和接触焊设备、矿热炉、硅铁炉、高频炉等均属此类非线性电力设备[11]。

(2)输配电系统产生谐波

输配电系统中产生谐波主要是电力变压器。因为变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时对经济性的考虑，工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形, 从而具有奇次谐波[11]。

(3)电力系统中非线性元件

随着电力电子技术不断的发展，在电力工业中，晶闸管整流和换流技术获得广泛应用，但是这些整流和换流电子器件也具有电力系统中的谐波源。例如，用作直流输电的大容量整流和逆变装置，工业中大量使用的变频调速装置，冶金、化工、矿山部门大量使用的晶闸整流电源以及电气化铁道中用交流单相整流供电的机车等都是谐波源。

2 .电能质量检测分析方法

在对电能质量的分析计算中，涉及对各种干扰源和电力系统的数学描述，需要开发相应的软件和工程方法来对各种电能质量问题进行系统的分析、检测。近年来，基于数字技术的数学分析方法已在以下电能质量领域获得广泛应用：分析谐波在网络中的分布；分析各种电能质量控制装置在解决相关问题方面的作用；多个控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。按不同分析方法，这些技术可分为三种：

(1)时域仿真方法[5]

时域仿真是利用仿真软件及程序来模拟电力系统各种暂态问题，因而对电能质量的各种指标进行分析、研究。其主要缺点是仿真频率范围有限，还有模拟开关开合的时候会引起数值震荡。由于很多仿真程序的不断发展，其功能日益强大，还可利用它们进行电力设备、元件的建模和电力系统的谐波分析。

(2)频域分析方法[5]

此方法主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描、谐波潮流计算等。在考虑一些非线性负载的动态特性，近年来又提出一种新型混合谐波潮流的计算方法，就是在常规的谐波潮流计算法基础上，利用EMTP等时域仿真程序对非线性负载进行仿真计算，可求出各次谐波动态电流失量，从而得到动态谐波潮流解。

(3) 基于变换的方法

在电能质量检测分析领域中主要广泛应用的基于变换的方法主要有傅里叶变换法、短时傅里叶变换法、二次变换法、小波变换法和Hilbert-Huang变换。

(a)傅里叶变换法[5]。傅里叶变换法是最早分析电能质量检测的方法，也是电能质量分析领域中的基本方法。但是对时变非平稳信号难以充分描述；只适合于分析特征大致相同的过程，不适合分析突变过程。

(b)短时傅里叶变换法。短时傅里叶变换(STFT)是和傅里叶转换相关的一种数学转换关系，用以决定相应的频率与相位。短时傅里叶变换用来分析分段平稳信号或者近似平稳信号犹可，但是对于非平稳信号，当信号变化剧烈时，要求窗函数有较高的时间分辨率；而波形变化比较平缓的时刻，主要是低频信号，则要求窗函数有较高的频率分辨率。短时傅里叶变换不能兼顾频率与时间分辨率的需求。

(c)小波变换[1,3,4]。传统的信号理论是建立在傅里叶分析基础上的，而傅里叶变换作为一种全局性的变化，其有一定的局限性。小波变换采用不同尺度的分析方法，能在信号的不同部位得到最佳的时域分辨率和频域分辨率，为非稳态信号的分析提供了一条新的途径。

3 基于HHT电能质量检测的方法[7,9]

电能质量问题主要包括谐波畸变问题和电力系统发生故障及投切操作等所伴随的暂态现象。对于电力系统中的暂态现象很多学者提出了许多采用小波技术解决这个问题的方法，并取得了很好的效果，但小波变换的分析效果极大程度依赖于小波基的选择。对于谐波的检测方法已经有许多文献进行了很好研究，常用的谐波检测方法是快速傅立叶变换（FFT）。存在的问题是：计算量大，实时性不够好，而且对间谐波的检测有频谱泄漏和栅栏现象等缺点。而HHT 方法（Hilbert-Huang Transform）是近年来应用于非平稳信号分析的一种新方法。与上述两种方法比较，这种方法具有如下特点：①经过 EMD分解的信号展开，幅度和频率调制也被清楚地分开，从而打破了固定幅度和固定频率的 Fourier 变换的限制，因此得到了一个可变幅度和可变频率的信号描述方法。②EMD分解的基函数是一系列可以变幅度和可以变频率的正余弦函数，它是由信号分解中自适应得到的。③基于信号局部特征的分解方法—EMD 的引入使得瞬时频率这一概念具有了实际的物理意义，而且与频率的经典定义方法（信号相位的导数）相一致，从而可以给出信号频率变化的精确表达。所以它是一种分析非平稳信号的通用方法[5 7]。