1  緒論 

1.1  選題背景及意義 
隨著社會發(fā)展突飛猛進，生活和生產(chǎn)中的用電設(shè)備也多樣化起來，人們對用電設(shè)備的依賴性也日漸增強。因此可以說供電質(zhì)量的保證不但關(guān)系著人們的生活質(zhì)量，更關(guān)系著國民經(jīng)濟的發(fā)展速度。近十多年微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)以十分迅猛的趨勢在發(fā)展，增加了電網(wǎng)中的非線性、不平衡性和具有沖擊性的負載，這將增加電能質(zhì)量問題的發(fā)生概率，并且使電能質(zhì)量問題有逐漸惡化的發(fā)展趨勢[1]。我國的供電系統(tǒng)也普遍存在電能質(zhì)量問題。目前對電能質(zhì)量問題劃分為以下幾類：電壓的波動、偏差和閃變，以及一些三相不平衡問題和諧波問題[2]。在近幾年的各種新興電氣設(shè)備的沖擊下，相繼又產(chǎn)生了很多問題。比如有：瞬態(tài)過電壓、暫態(tài)過電壓、短時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，都會不同程度受到電能質(zhì)量問題造成的不良影響。電能質(zhì)量的問題必須得到足夠的重視并及時解決，否則會嚴重威脅到一次系統(tǒng)中設(shè)備的安全運行。同時電能質(zhì)量的惡化可能導致二次系統(tǒng)的一些重要設(shè)備直接退出正常工作狀態(tài)，這將對整個系統(tǒng)造成無法挽回的嚴重后果。電能質(zhì)量不合格會導致電力系統(tǒng)中一些裝置接收到的控制信號不準確，從而導致供配電網(wǎng)絡(luò)中一些繼電保護裝置發(fā)生誤操作。這樣會對電力系統(tǒng)的安全可靠的運行狀態(tài)造成很大的隱患。因此可以得到一個不爭的結(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)系著整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。對于生活用電用戶來講電能質(zhì)量的穩(wěn)定與否關(guān)系到生活用戶用電的質(zhì)量[4]，也關(guān)系到生產(chǎn)用戶的產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量。據(jù)美國方面可靠資料記載，過去十幾年中每年經(jīng)濟損失中有超過幾百億美元是因為電能質(zhì)量不合格的問題造成的。不合格的電能會對社會經(jīng)濟造成無可估量的影響。例如電能質(zhì)量出現(xiàn)問題將會導致電網(wǎng)的大面積停電，這將會造成生產(chǎn)用戶的生產(chǎn)力大幅下降，使產(chǎn)品的成本大大增加。對日常用戶而言，由于電能質(zhì)量不穩(wěn)定出現(xiàn)的電壓閃變顯然會使家用電器的照明設(shè)備和顯示屏發(fā)生閃動。一些家用電器中壓縮機由于受到電壓波動所產(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)量受到污染還會造成其他不良的影響。常見的主要有對有線或無線通信設(shè)備造成干擾。 綜上，對電能質(zhì)量的提高和優(yōu)化不僅對社會的整體經(jīng)濟收益可以提供一個穩(wěn)定的保障，而且對供電系統(tǒng)中電氣設(shè)備的安全運行和生活用電用戶的生活質(zhì)量都有著很重要的意義。由于電能質(zhì)量問題影響面之大，危害性之嚴重，因此國際供電會議已經(jīng)把這個問題提上會議議程[5]。其中電能質(zhì)量污染的問題已經(jīng)被列入當前供電界關(guān)注的首要問題。目前國際和國內(nèi)的許多科研工作者已經(jīng)將電能質(zhì)量的評定和優(yōu)化單獨列為一個研究方向開始投入研究。 
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1.2  課題國內(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)展時間較短，但是發(fā)展速度非常迅速。國內(nèi)外很多專家學者對電能質(zhì)量信號去噪的問題已經(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]。噪聲污染對電能質(zhì)量信號的影響主要表現(xiàn)在電能質(zhì)量評估所用的特征量提取方面。比如采用小波變換去噪時，在高頻處附近的信號波動特征就可能由于電能質(zhì)量信號受到污染而提取不到。這樣一來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信號的時候。待檢測信號若被噪聲污染則會在檢測結(jié)果中出現(xiàn)一些本來沒有的奇異點。與此相似的情況還會發(fā)生在一些算法變換中，噪聲會隨著有效信號的放大而隨之放大。這樣會混淆了有效信號中的特征信號與奇異點，使設(shè)備無法分辨真實信號。 有些學者在文章中提出應(yīng)該將信號在使用和檢測前進行一定的去噪預處理。文獻[8]中提到了一種形態(tài)方法的預處理方法。但是文中提到的兩種方法 DQ 變換法和動態(tài)測度法都會受到噪聲的影響。這是因為這個算法本身不具有消噪的功能，接著為了應(yīng)對消噪的問題就相繼提出了傅里葉變換和 HHT 變換等具有消噪運算功能的算法。 按照去噪技術(shù)的分類可以歸為線性濾波去噪和非線性濾波去噪兩類。前者具有簡單易操作，平滑性較好等特點。不過在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)線性濾波不擅長處理脈沖型信號，針對脈沖型噪聲無法很好的達到抑制目的，脈沖部分的有效信號會被模糊掉。非線性濾波技術(shù)就是針對線性濾波的不足之處提出來的。經(jīng)過非線性濾波去噪處理后，噪聲信號會被處理為零值，非噪聲信號的特征信號部分會被保存下來。 
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2  電能質(zhì)量信號評估及去噪技術(shù) 

2.1  評估電能質(zhì)量的重要性 
電能質(zhì)量的概念已經(jīng)被提出了好多年，近些年越來越受到國際上各國的重視。通常意義上電能質(zhì)量指的是公用電網(wǎng)向用戶所提供交流電的電能品質(zhì)。合格的電能質(zhì)量應(yīng)該是具有標準的電壓、恒定的頻率和標準的正弦波形的供電信號[22]。關(guān)于電能質(zhì)量的定義有很多，在沒有統(tǒng)一定義之前不同文獻中會使用電壓質(zhì)量、用電質(zhì)量等詞語對其進行代替或概括。直到 IEEE 標準技術(shù)委員會正式將電能質(zhì)量一詞規(guī)定為標準術(shù)語后，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)備進行正常工作的供電或接地系統(tǒng)的信號質(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、相位是對稱且相互間隔120 度。實際在系統(tǒng)運行的過程中存在很多設(shè)備的非線性運行、系統(tǒng)中一些設(shè)備的不對稱等、設(shè)備的開合閘操作和外在環(huán)境的干擾等因素造成了實際電能達不到理想狀態(tài)。實際系統(tǒng)中用電設(shè)備和用戶對供電電源特性的要求不同。對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)量評估標準及意義 
電能質(zhì)量評定問題是一個涉及到多學科的綜合性課題，迄今為止對電能質(zhì)量問題的研究仍然是電力部門和用電部門之間需要長期協(xié)調(diào)、研究和解決的問題。為了找出產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的根本原因并找出引起電能質(zhì)量下降的因素，要對電能質(zhì)量進行一定的規(guī)范分類，從而可以選擇有效的解決方法去改善這一問題。目前國際上對電能質(zhì)量的定義不統(tǒng)一，導致不同國家和地區(qū)所規(guī)定的類別分界和類別技術(shù)名詞也不盡相同。國際電工屆將此類問題歸結(jié)為電子擾動的基本現(xiàn)象[26]。據(jù)此可以得出，電能質(zhì)量問題可以根據(jù)造成擾動的時間長短大致分為暫態(tài)電能質(zhì)量問題和穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題。 穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題主要是指發(fā)生電能質(zhì)量異常的持續(xù)時間在大概一分鐘以上的電能質(zhì)量問題。主要的特征表現(xiàn)為波形畸變，主要問題包括：間諧波、諧波、噪聲、缺口及電壓不平衡等。暫態(tài)電能質(zhì)量問題主要指發(fā)生電能質(zhì)量異常的持續(xù)時間較短的電能質(zhì)量問題。主要問題包括：信號凹陷、信號凸起、信號間隔、脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)等[27]。IEEE根據(jù)電能質(zhì)量問題的特征對其具體分類做出一個說明，將具體說明整理如表 2.1： 實現(xiàn)電能質(zhì)量問題的分類與合理評估具有十分重要的實際意義。首先電能質(zhì)量問題的準確分類和評估可以為供電方與用電方在擬定供電合同的時候來明確發(fā)生電能質(zhì)量問題時候的責任提供劃分依據(jù)，也為電能商品的分質(zhì)計價提供參考。其次，準確的評估電能質(zhì)量問題是對一個供電網(wǎng)絡(luò)或者供電區(qū)域進行電能質(zhì)量綜合評估的提前，也是下一步對電能質(zhì)量進行分類治理的先決條件。同時通過實時監(jiān)測各監(jiān)測點的電能質(zhì)量可以調(diào)查到電能質(zhì)量的干擾源，將責任具體到各電力用戶，也有助于及時準確解決存在的問題。
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3  小波理論在電能質(zhì)量信號去噪中的應(yīng)用 .... 14 
3.1  小波變換去噪的原理 .... 14 
3.1.1  連續(xù)信號小波變換去噪 .......... 15 
3.1.2  離散信號小波變換去噪 .......... 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  三種特征信號的去噪仿真 .......... 34
5.3  去噪效果的量化評定 .... 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)有效信號與噪聲信號經(jīng)過小波變換后得到的小波系數(shù)再頻率領(lǐng)域表現(xiàn)出來的特性不同，進而根據(jù)二者的差異制定相應(yīng)的去噪規(guī)則，對小波系數(shù)進行分離去噪處理。處理的主要目的是在最大限度的保留有效信號的前提下盡量將噪聲信號全部去除掉。然后將經(jīng)過小波閾值處理后的小波系數(shù)進行重構(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)量信號與高斯白噪聲的特點選定采用正交小波基 Dsubechies 中的 db3 對原始含噪信號進行小波變換，采用 Donoho  和Johnstone 提出的統(tǒng)一閾值法進行閾值劃分。接下來對閾值劃分后的小波系數(shù)采用本文第四章詳細介紹的加權(quán)小波閾值函數(shù)法進行不同頻率段的閾值去噪，達到了再閾值門限處信號平滑過度不會發(fā)生跳變信號，在信號頻率較高處的有效信號進行很好的信息保留。最后對去噪后的信號進行重構(gòu)，通過計算 SNR 與 RMSE 來驗證去噪效果的優(yōu)劣。 

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結(jié)論 

本文通過研究電能質(zhì)量評估的重要意義與具體的評估要求，提出了針對電能質(zhì)量評估環(huán)節(jié)中最重要的采樣環(huán)節(jié)進行信號的去噪預處理，使得采用去噪后的信號進行電能質(zhì)量評估的結(jié)果更加準確可靠，從而保證了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。文中詳細對比研究了目前用于電能質(zhì)量信號的去噪法，總結(jié)出了各種方法在去噪過程中的優(yōu)缺點。以此為研究基礎(chǔ)對小波變換去噪的方法進行了深入的研究。主要工作有： 
（1）通過對電能質(zhì)量問題劃分的研究，分析了電能質(zhì)量評估中電能質(zhì)量信號去噪的重要性，決定了要針對電能質(zhì)量信號去噪的方法進行改進，達到提高去噪效果的目的。 
（2）詳細對比研究了小波變換去噪方法的去噪原理與閾值門限選取方法，依據(jù)電能質(zhì)量信號中所含高斯白噪聲的特點，選定了針對電能質(zhì)量信號小波變換的小波基函數(shù)db3 進行小波變換處理，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題，針對閾值函數(shù)進行了加權(quán)優(yōu)化，對傳統(tǒng)的軟硬閾值函數(shù)，通過一個可變的加權(quán)因子，實現(xiàn)了結(jié)合去噪閾值函數(shù)的加權(quán)結(jié)合。達到了優(yōu)化電能質(zhì)量信號去噪的效果。 
（4）Matlab 仿真軟件對優(yōu)化后的小波閾值函數(shù)進行了針對電壓暫降、電壓中斷、電壓暫升的去噪仿真，并與小波閾值去噪方法進行去噪效果的對比驗證。 
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參考文獻(略)

本文編號：37981