CN103424600A - 一种基于Hilbert-Huang变换和小波包能量谱的电压暂降源识别方法 - Google Patents

Abstract

一种基于Hilbert-Huang变换和小波包能量谱的电压暂降源识别方法，属于电力系统电能质量分析领域。本发明首先将三相电压信号进行EMD分解，得到各阶IMF分量；然后将各阶IMF分量进行n层小波包分解，得到各个频段能量谱；再将低频段能量相对大的小波包系数置为零，并重构其他频段所对应的小波包系数，得到去除低频虚假分量的IMF；最后将去除虚假分量的IMF进行希尔伯特变换，得到HH谱图，再根据HH谱图的突变点、幅值、谐波、频率进行电压暂降源识别。本发明只需以幅值、突变点、谐波为特征，从HH谱中便可以辨识出不同电压暂降源的不同特征，将电压暂降源区别开来，从而有效地减少识别不出、误识别的次数，提高识别效率。

Description

一种基于Hilbert-Huang变换和小波包能量谱的电压暂降源识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于Hilbert-Huang变换和小波包能量谱的电压暂降源识别方法，属于电力系统电能质量分析领域。

背景技术

电压暂降是指某点工频电压均方根值在短时间突然下降的事件，其典型持续时间为0.5~30周波，国际电工委员会(IEC)将其定义为下降到额定值的90%~1%，电气与电子工程师协会(IEEE)将其定义为下降到额定值的90%~10%。经济和科技的快速发展使得复杂电子设备在用电部门广泛应用，很多设备对短时间电压变化比较敏感。比如：短时电压暂降会引起调速设备跳闸（幅值下降大于15%，持续时间0.5周波）、计算机系统紊乱（幅值下降大于10%，持续时间大于0.1s）、机电设备误操作等。因此，分析电压暂降产生的特征和原因，识别出电压暂降源，对于及时切除故障减少经济损失具有重要意义。

目前，电压暂降源的识别方法主要有：无时延d-q变换进行电压扰动识别，解决了延时60°构造对称三相电压的d-q变换镜像扰动问题，其检测到的特征量很少，识别范围有限。以小波变换的奇异性检测为基础提出基于三次中心B样条小波变换的电压暂降干扰源辨识方法，但是在小波的选择上是一种经验做法，没有理论上的依据。自适应陷波器对电压暂降特征进行检测并利用关联向量机分类模型对特征信息进行训练识别，但是如果发生轻微电压暂降，其方法会受到限制。基于S变换的标准模板相似度的分类方法，但其过程实现较为复杂。

在电力系统运行过程中，由于雷电、电缆损坏、设备故障、动物以及绝缘污染等原因很有可能引起短路故障。当短路故障在输配电线路发生时，会造成不同程度的电压暂降，发生在输电线路的电压暂降程度和范围要比配电线路严重。电压波形的突降时刻是短路故障的发生时刻，电压的回升是保护装置动作时刻。电压暂降的持续时间与保护装置和故障自清除有关。

变压器是重要的电力设备之一，由于铁心的饱和特性，会在其一次侧产生最大800%~1000%额定电流的励磁涌流，涌流的大小和电压初相角和铁心饱和程度有关，当初相角为0°，铁心剩磁越大，产生的励磁涌流越大，电压暂降幅值越大；反之，铁心剩磁越小，产生的涌流越小，电压暂降幅值越小；当相角为90°时，不会产生下涌流。由于变压器投切时三相电压初相角始终相差120°，所以变压器引起的电压暂降时的三相不平衡。线圈的铜耗使得电压暂降的恢复是一个缓慢的过程，一般恢复时间从几个周期到几十个周期不等。

感应电机是电力系统中重要的电力负荷，其启动频繁，对电网电压造成影响。感应电机全电压启动时，需要从电源汲取的电流值为满负荷时的500%~800%，这一大电流流过系统阻抗时，将会引起电压突然下降。如果电压降低较多，且持续时间较长又会使系统电压进一步降低。感应电机启动电流大是引起电压暂降的根本原因，而不是决定因素。电动机的启动容量、上级变压器的剩余容量、局部电网容量共同决定了电压暂降程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服电压暂降波形无法通过观察来识别的问题，提供了一种基于Hilbert-Huang变换和小波包能量谱的电压暂降源识别方法。

本发明的技术方案是：一种基于Hilbert-Huang变换和小波包能量谱的电压暂降源识别方法，首先将三相电压信号进行EMD分解，得到各阶IMF分量；然后将各阶IMF分量进行n层小波包分解，得到各个频段能量谱；再将低频段能量相对大的小波包系数置为零，并重构其他频段所对应的小波包系数，得到去除低频虚假分量的IMF；最后将去除虚假分量的IMF进行希尔伯特变换，得到HH谱图，再根据HH谱图的突变点、幅值、谐波、频率进行电压暂降源识别。

所述识别方法的具体步骤如下：

A、对三相电压信号进行EMD分解，得到各阶IMF分量；

B、根据得到的各阶IMF分量，分别对其进行n层小波包分解，然后根据公式（1）计算第                                               

层小波包分解的各频带能量E _n,i ，再根据公式（2）得到第层小波包分解各频段能量百分比I _i ，以此得到各个频段能量谱；

                                               （1）

                                              （2）

式中：x _n,i 为第n层第i频段的小波系数； 

C、根据获得的能量谱将低频频段能量高于基频频段能量的低频频段小波包系数置为零，然后重构其他各频段小波包系数，得到去除虚假分量的IMF分量；

D、将去除虚假分量的IMF进行希尔伯特变换，得到HH谱图；然后根据HH谱图的突变点、幅值、谐波、频率进行电压暂降源识别：

当HH谱图中三相电压的突变点、幅值发生变化：突变点的个数为2个，幅值产生变化，则是对称电路故障产生的电压暂降；

当HH谱图中任意一相或两相电压的突变点、幅值发生变化，而其他相不发生变化：突变点的个数为2个，幅值产生变化，则是不对称电路故障产生的电压暂降；

当HH谱图中三相电压的突变点、谐波发生变化：突变点的个数为1个，并且暂降过程中产生谐波，则是变压器投切产生的电压暂降；

当HH谱图中三相电压的突变点、频率都发生变化，突变点的个数为1个，并且除突变点处其余时间的频率变化为一条直线，则是感应电机启动产生的电压暂降。

本发明的工作原理是：

电压暂降的主要原因是短路故障（包括对称短路和不对称短路），变压器启动和异步电机启动。

各电压暂降源引起的电压暂降波形特征不同：短路故障引起的电压暂降在发生时刻和结束时刻电压幅值发生突变，突变信号间的电压幅值基本不变，对称短路电压暂降三相电压幅值相等，不对称短路电压暂降三相电压幅值不同；变压器投运引起的三相电压暂降幅值不同，且暂降中伴随谐波出现；感应电动机启动引起的电压暂降恢复平缓，只有1次幅值突变。

基于希尔伯特黄变换（Hilbert-Huang Transform，HHT）和小波包能量谱的电压暂降源识别方法的步骤如下： 

1、对三相电压信号进行经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD），EMD分解的过程为：对原始信号s(t)做极值包络，将原始信号s(t)减去该包络均值即可得到一个去掉低频的新数据序列，该序列可以通过对信号反复筛选而取不同的阈值来最终确定，取阈值S _d 为0.3，筛选n次，得到n个本征模态函数（Intrinsic Mode Function，IMF）分量：

        　　　　                       　　　　　　　（3）

式中：r _n (t)为残余函数；包含了不同时间尺度的成分；

2、根据得到的各阶IMF分量，分别对其进行n层小波包分解，小波包分解的层数n根据公式（4）来确定；然后根据公式E _n , _i =|x _n , _i |²计算第

层小波包分解的各频带能量E _n,i ，再根据公式

得到第

层小波包分解各频段能量百分比I _i ，以此得到各个频段能量谱；

                                                             　（4）

式中：f _s 为采样频率；x _n,i 为第n层第i频段的小波系数；

3、根据获得的能量谱将低频频段能量高于基频频段能量的低频频段小波包系数置为零（每个频带是[i2 ^-n-1 f _s ,( i+1)2 ^-n-1 f _s]；其中i=0,1,…2 ⁿ -1表示经过n层小波包分解的层数，n为小波包分解层数，f _s为采样频率），然后重构其他各频段小波包系数，得到去除虚假分量的IMF分量；  

4、将去除虚假分量的IMF进行希尔伯特变换，得到的时频谱如公式（5），从而画出HH谱图，再根据HH谱图的突变点、幅值、谐波、频率进行电压暂降源识别：

当HH谱图中三相电压的突变点、幅值发生变化：突变点的个数为2个，幅值产生变化，则是对称电路故障产生的电压暂降；

当HH谱图中任意一相或两相电压的突变点、幅值发生变化，而其他相不发生变化：突变点的个数为2个，幅值产生变化，则是不对称电路故障产生的电压暂降；

当HH谱图中三相电压的突变点、谐波发生变化：突变点的个数为1个，并且暂降过程中产生谐波，则是变压器投切产生的电压暂降；

当HH谱图中三相电压的突变点、频率都发生变化，突变点的个数为1个，并且除突变点处其余时间的频率变化为一条直线，则是感应电机启动产生的电压暂降；

                                               （5） 

式中：H(w,t)为时间瞬时频率函数，a _i (t)为幅值，w _i (t)为瞬时频率。

本发明的有益效果是：只需以幅值、突变点、谐波为特征，从HH谱中便可以辨识出不同电压暂降源的不同特征，将电压暂降源区别开来，从而有效地减少识别不出、误识别的次数，提高识别效率。

附图说明

图1为本发明的配网系统仿真模型；

图2为本发明的识别流程图；

图3为本发明不对称短路故障各阶IMF小波包能量谱图；

图4为本发明对称短路故障各阶IMF小波包能量谱图；

图5为本发明变压器投切各阶IMF小波包能量谱图；

图6为本发明不对称短路故障A相电压暂降的HH谱图；

图7为本发明不对称短路故障B相电压暂降的HH谱图；

图8为本发明不对称短路故障C相电压暂降的HH谱图；

图9为本发明对称短路故障A相电压暂降的HH谱图；

图10为本发明对称短路故障B相电压暂降的HH谱图；

图11为本发明对称短路故障C相电压暂降的HH谱图；

图12为本发明变压器投切HH谱图；

图13为本发明感应电机启动HH谱图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示为使用Matlab/Simulink/PSB搭建的电网仿真模型，该电网中的变压器T ₁、T ₂采用Y_n/Y联结，T ₃、T ₄采用Y/Y联结，设置f _s 为1000 Hz。由式f _s /2 ⁿ⁺¹<50推出小波包分解层数n为4，采样时间设为1s，电压暂降起始和终止时刻分别为0.1s和0.5s，在K点分别测得短路、变压器T ₂投运、感应电动机M₁启动的电压信号。 

针对三相电压信号经过EMD分解，得到各阶IMF分量，分别对其进行4层小波包分解，再根据公式（1）、（2）计算得到第n层小波包分解各频段能量百分比I _i （即第4层中第0~15频段的能量百分比），以此给出各阶IMF分量的第0~15频段的能量百分比的能量谱图，分别如图3-5所示：

根据图3可知：不对称短路故障的各阶IMF能量谱中，IMF1和IMF2的第1个频段能量小于第2个频段能量（即基频频段能量），表明EMD在此处没有过分解，不存在虚假分量；IMF3～IMF6的第1个频段能量大于第2个频段能量，在此处发生了过分解，可以判断其就是虚假分量所处的频带能量；IMF7的所有能量全部集中在第1个频段，没有实际意义，直接将其所对应的小波包系数去除，并保持IMF1和IMF2不变，重构IMF3～IMF6除第1个频段之外的其他各频段的小波包系数。同理去除图4中的虚假分量。根据图5可知，IMF3第1个频段能量大于第2个频段能量，可知从IMF3开始产生虚假分量，将IMF3～IMF5的第1个频段能量所对应的小波包系数置为零，并重构其他频段的小波包系数，IMF1和IMF2保持不变，同样IMF5～IMF7是无效信息，直接将其去除（电力系统中，变压器投切引起的电压暂降信号有可能存在次谐波，判断EMD到哪一阶产生虚假分量对于去除虚假信息、保留低频有用信息很重要）。

另外，因为感应电动机启动的电压暂降信号满足IMF成立的2个条件（极值点数和过零点数相同或最多相差1个；上下包络关于时间轴局部对称），所以经过EMD分解后，它的残余信号就是原信号，没有IMF生成，也就不存在各阶IMF的小波包能量谱。

根据获得的能量谱将低频频段能量高于基频频段能量的低频频段小波包系数置为零，然后重构其他各频段小波包系数，得到去除虚假分量的IMF分量，分别将去除虚假分量的IMF进行希尔伯特变换，得到HH谱图（HH谱右侧能量条表示电压幅值，单位为V），分别如图6-13所示： 

从图6-8可以看出，在0.1 s到0.5 s电压幅值发生暂降，在0.1 s和0.5 s电压发生突变，A、B、C三相电压具有相同的频谱特征，由此表明是对称短路造成的电压暂降。

从图9-11可以看出，在0.1 s到0.5 s电压幅值发生暂降，在0.1 s和0.5 s电压发生突变，A、B相具有相同的电压暂降频谱特征，而C相保持50Hz不变，幅值也不发生变化，由此表明是不对称短路造成的电压暂降。

从图12看出，在0.1 s处变压器投切后发生电压暂降的同时出现谐波，尤其是在0.3 s后电压恢复阶段谐波现象更为明显，由此表明是变压器投切产生的电压暂降（值得注意的是，电压谐波的频率范围在20 Hz到70 Hz之间，而不是三次谐波，原因是在三相四线制的星形联结中，线与中性点或线与地间的三次谐波电压部分或完全被抑制）；由于变压器投运时三相电压初相角始终相差120°，所以变压器引起的电压暂降是三相不平衡的，但是变压器投切引起的三相电压暂降有相同的频谱特征。

从图13可以看出，感应电动机在0.1 s启动时频率发生了微小的突变，0.1 s后频率保持50 Hz不变，由此表明是是感应电机启动产生的电压暂降。由于感应电动机三相负载平衡，所以产生的电压暂降三相幅值相等，并且三相电压暂降有相同的频谱特征。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种基于Hilbert-Huang变换和小波包能量谱的电压暂降源识别方法，其特征在于：首先将三相电压信号进行EMD分解，得到各阶IMF分量；然后将各阶IMF分量进行n层小波包分解，得到各个频段能量谱；再将低频段能量相对大的小波包系数置为零，并重构其他频段所对应的小波包系数，得到去除低频虚假分量的IMF；最后将去除虚假分量的IMF进行希尔伯特变换，得到HH谱图，再根据HH谱图的突变点、幅值、谐波、频率进行电压暂降源识别。

2.根据权利要求1所述的基于Hilbert-Huang变换和小波包能量谱的电压暂降源识别方法，其特征在于：所述识别方法的具体步骤如下：

A、对三相电压信号进行EMD分解，得到各阶IMF分量；

B、根据得到的各阶IMF分量，分别对其进行n层小波包分解，然后根据公式（1）计算第                                                

层小波包分解的各频带能量E _n,i ，再根据公式（2）得到第层小波包分解各频段能量百分比I _i ，以此得到各个频段能量谱；

                                               （1）

                                              （2）

式中：x _n,i 为第n层第i频段的小波系数； 

C、根据获得的能量谱将低频频段能量高于基频频段能量的低频频段小波包系数置为零，然后重构其他各频段小波包系数，得到去除虚假分量的IMF分量；

D、将去除虚假分量的IMF进行希尔伯特变换，得到HH谱图；然后根据HH谱图的突变点、幅值、谐波、频率进行电压暂降源识别：

当HH谱图中三相电压的突变点、幅值发生变化：突变点的个数为2个，幅值产生变化，则是对称电路故障产生的电压暂降；

当HH谱图中任意一相或两相电压的突变点、幅值发生变化，而其他相不发生变化：突变点的个数为2个，幅值产生变化，则是不对称电路故障产生的电压暂降；

当HH谱图中三相电压的突变点、谐波发生变化：突变点的个数为1个，并且暂降过程中产生谐波，则是变压器投切产生的电压暂降；

当HH谱图中三相电压的突变点、频率都发生变化，突变点的个数为1个，并且除突变点处其余时间的频率变化为一条直线，则是感应电机启动产生的电压暂降。

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