基于改进数学形态学与s变换的暂态电能质量扰动检测-王慧慧.pdf
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1、第49卷 第6期 2016年6月 天津大学学报(自然科学与工程技术版) Journal of Tianjin University(Science and Technology) Vol.49 No.6Jun. 2016 收稿日期:2014-07-04;修回日期:2014-12-25. 基金项目:国际科技合作专项资助项目(2013DFA11040);国家自然科学基金资助项目(61172014);天津市自然科学基金重点资助项目(12JCZDJC21300). 作者简介:王慧慧(1986 ),女,博士研究生,讲师,. 通讯作者:王 萍,. 网络出版时间:2015-02-02. 网络出版地址:htt
2、p:/ 20150202.1100.003.html. DOI:10.11784/tdxbz201407018 基于改进数学形态学与S变换的暂态电能质量扰动检测 王慧慧1, 2,王 萍1,杨 挺1(1. 天津大学电气与自动化工程学院,天津 300072;2. 天津城建大学控制与机械工程学院,天津 300384) 摘 要:针对电能质量扰动信号检测受噪声影响大且特征值定位不准确的问题,提出一种改进数学形态学方法对电能质量扰动信号中存在的噪声干扰进行预处理,并选取 S 变换频谱标准差、S 模矩阵时间幅值平方和均值以及 S 模矩阵等高线这 3 种时频域的特征值,实现了 6 种单一扰动信号和 2 种复合
3、扰动信号的检测和定位仿真结果表明,与传统的数学形态学滤波和卡尔曼滤波方法相比,改进的数学形态学方法去噪效果好,而且可以加强原信号中的有用信号,S变换中选取的特征值从时域和频域共同体现扰动特征,使电能质量扰动信号的检测定位更加准确关键词:电能质量扰动;S变换;改进数学形态学;特征值提取;检测和定位 中图分类号:TN911.23 文献标志码:A 文章编号:0493-2137(2016)06-0631-08 Power Quality Transient Disturbance Detection Based on Improved Mathematical Morphology and S-tra
4、nsform Wang Huihui1, 2,Wang Ping1,Yang Ting1(1. School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2. School of Control and Mechanical Engineering,Tianjin Chengjian University,Tianjin 300384,China) Abstract:In the traditional method,the detection of power qualit
5、y disturbance signals is easily affected by the noise and it is difficult to locate the feature value accurately. To solve these problems,an improved mathematical morphol-ogy was presented in this paper which can pre-process the noise that exists in power quality disturbance signals. The S-transform
6、 spectral standard deviation,the time squared amplitude and mean in S-matrix modulus and the contour of S-matrix modulus were selected as feature values in time and frequency domain. Six types of single disturbance and two types of complex disturbance were detected and located. Compared with traditi
7、onal mathematical morphology and Kalman filtering,it is found that the improved mathematical morphology can eliminate the noise effectively and strengthen the useful signal. The disturbance characteristics in time and frequency domain can be reflected by the se-lected features of S-transform,which m
8、akes the detection and localization results of power quality disturbance signal more accurate. Keywords:power quality disturbance;S-transform;improved mathematical morphology;feature extraction;detection and location 随着分布式发电的快速发展,在解决能源问题的同时,加重了电能质量问题由于分布式电源发出功率受客观环境影响较大,在电力系统中分布式电源作为负载运行,它的开断和连接都给电网
9、带来大的冲击,并且电路中整流器和逆变器等电力电子设备的大量使用,电容器的投切等造成电力系统中信号频率和幅值以及相位的畸变,导致电力系统电能质量恶化,以致电力设备的误操作甚至毁坏,故检测并分析电能质量扰动具有重要意义电能质量问题包括稳态和暂态电能质量扰动稳态电能质量扰动主要包括谐波和间谐波,相关检测和补偿谐波扰动的g4496g4674g6224g3429较g3017,g4395g1169g2242g4930有了相g2090成g3967的谐波检测和g2690g1155g5896g5045g7755g1g1g1 632 天津大学学报(自然科学与工程技术版) 第49卷 第6期 暂态电能质量扰动g703
10、g808有g1260g694扰动且g2010在g1836g1355扰动,主要包括电g1292暂g6923g459暂g1251g459中断g459g6852变g459电g4562暂态g459g5217冲g2780g5476以及暂g6923加谐波和暂g1251加谐波,暂态电能质量扰动由于g703稳g2047g2476和g1836g3133g2476,g694g4399g3046电力g4496g4674g5095g3107为g1671g2548的问题1g815g703断变化的信号中快速且g1101g4535g1696g2849g1320并检测扰动信号g3046解决电能质量扰动问题的g1169g284
11、9g3149g839 电能质量问题g720g2191,g1677g1070g1840g2021g5095g2242有大量的g4496g4674在扰动检测g2996g3585g2996g7014,主要检测g2996g3585包括g1003g6614g1344变g2800g459g4480时g1003g6614g1344变g28002g459g2100波变g28003-5g459S 变g28006-11等g1003g6614g1344变g2800具有g5983g4778量g2100且g6431用g2296g3588的g853g3905,g877g2010在频g6119g3577g7002和g322
12、0g3228g2956g2307的g5028g3905,且g2124g6924于检测稳g2047信号g4480时g1003g6614g1344变g2800时间g4691相g2090g1676g2047,g703能同时g883g4119g7219频和g879频信g2507g2100波变g2800g3046g4395g1169使用g3107g2296g3588的电能质量检测g2996g3585,g1338以g1101g4535检测扰动信号的g1864g2345g3905及发g4214位g5045,g1060g2369大的g1842g2118g2318分析g4017g2476受g1153g2021g
13、5095的g7006g4431,g877容g3035受g1641g1829的影响,并且g5983g4778量大,g703容g3035g2051g4119g2090时g1770变化为主信号的检测7S 变g2800g3046在g2100波变g2800和g4480时g1003g6614g1344变g2800g1778g4520g700发展g6224来的g694g4631g2995的时频分析g2996g3585,具有g5345g1885的时频g5136g3940和时频分g6385率,g2110g1060在g7219频g6537分,g2090电能质量扰动中g7219频的扰动信号,g3101加g883g4
14、119了 S 变g2800的g7219分g6385率g4017g2476g6402g1110g2289,S 变g2800在电能质量检测和g2047位中g2409g1153了g2296g3588的g2307用,g4930g6398相关的g4496g4674,以 S 变g2800为g1778g4520,g2849出g6611用g703完全 S 变g2800的模时频矩阵g2849g1320g4017征值8,g1338以减少 S 变g2800g5983g4778量g7755S 变g2800用于微网中的孤岛和电能质量检测时,相比g2100波变g2800,g2051验证明在检测的g2051时g2476和检
15、测g1101g4535g2476g700都有很大的g853势7g7755S 变g2800与神g4930网络结g1355检测和分类电能质量扰动信号,以时g1770和频g1770包络线g883g4119检测的结果,g2090g1260个扰动检测g1101g4535g2318很g7219,g877g2047位扰动发g4214时刻的精g4535g2318有待g2849g7219,g2090含有g1641g1829或g5095g1842个扰动共g2010时检测g1101g4535g2318下g69239g7755S 变g2800以幅值g459频率平g2996和均值检测扰动信号,解决了包络线检测精g453
16、5g2318g703够g7219的问题,g877没有考虑g1641g1829及g6224止时刻g6398零g39053,g1778于这个问题,g2021g5095利用时间g1778频幅值差分向量g2047位扰动g6224止时刻,解决了g6398零g3905的问题8g7755S 变g2800由于g1060g5345g1885的时频g4017g2476,g2296g3588g2307用于电能质量扰动信号的检测,g877g3046检测结果受g1641g1829的影响比较大10,要减g2100g1641g1829影响,亟需g4496g4674消g1641g4778g3585,以结g1355 S 变g2
17、800完成在g1641g1829g3149g839下暂态电能质量扰动的精g4535检测 数g2021形态g2021g2307用于电能信号检测11-13g459机械g2780动检测14等g4496g4674领g1770,先将分析信号g4930g6398数g2021形态g2021去g1641,再利用检测和补偿g4778g3585g2090扰动g1101g4535g1696g2047位和补偿g6611样信号g4930g6398数g2021形态g2021去g1641,g5345g1885的去g1641g2956果g2849g7219了扰动信号检测g1101g4535率笔g5095分析分布式发电g205
18、1验室分析数据显示,分布式电源供电信号中的g1641g1829主要为随机g1641g1829和突发g2476g5217冲g1641g1829数g2021形态g2021g3046g694g4631有g2956的非线g2476滤波g2996g3585,g1338以同时滤除g1842g4631g1641g1829信号,形态g2021中g4778子函数的选择g3046滤波g2956果的关键,故本文g1778于数g2021形态g2021理论,g4496g4674g1778于改进数g2021形态g2021的去g1641g2996g3585,去除电能质量扰动信号中的g1842g4631g1641g1829并
19、且g2369化有用信号 综g700,本文结g1355数g2021形态g2021和 S 变g2800的g853势g4017g2476,在数g2021形态g2021理论的g1778g4520g700,g2849出g694g4631改进的数g2021形态g2021去g1641g2996g3585,使g1060结g1355 S 变g2800检测电能质量扰动信号首先将g6611样的信号g4930g6398改进数g2021形态g2021预处理,再g2090g1060运用 S 变g2800g2849g1320g4017征值,g3107后由时g1770和频g1770的g4017征值波形g2047位扰动发g42
20、14时刻 1 改进的数学形态学滤波算法 1.1 数学形态学滤波方法 数g2021形态g2021的主要g853g3905g3046g5983g4778简g1260和并行快速,g694般只包含布尔运g4778g459加减g3585运g4778而g703需要做乘g3585,g3035于硬g839g2051g4119g4395g1169主要用于信号和图像处理g459数字滤波g459形态简化和分类形态变g2800g694般分为二值形态变g2800和g1842值形态变g2800,g1842值形态变g2800也称灰g2318变g2800,在电力系统分析中g694般只涉及g694维信号 数g2021形态g20
21、21的g1778本思想g3046利用g694个称为结构元素的“探针”收集信号的信g2507,探针在信号中g703断移动即g1338考察信号各个g6537分之间的相互关系,并g2849g1320有用信g2507分析与描述信号g4017征形态变g2800能将g694个g1836g3133的信号分解为具有物理意义的各个g6537分,将g1060与背景剥离同时保持信号主要的形态g4017征利用数g2021形态g2021构成g879通滤波器g2090扰动后的波形进行预处理,有利于进行信号g1864g2345g2476分析和识g1150扰动类g1739 数g2021形态g2021的运g4778以g5243
22、g5708和g5278g5177这g719g4631g1778本运g4778为g1778g4520,并g2354出开运g4778g459g6854运g4778g459击中击g703中变g2800g459Top-Hat 变g2800等g1060g820g1110个g2273用的数g2021形态运g4778设(, )fxyg3046g6372g1049图像,(, )bxyg3046结构元素,用结构元素bg2090g6372g1049图像 f 进行g5278g5177和g5243g5708运g4778g459用bg2090 f 进行开运g4778和g6854运g4778分g1150g2047义g18
23、87下 g5278g5177和g5243g5708运g4778g2047义为 g1g1g1()(,)max(,)(,)fbst fsxtybxy= +(1)g1g1g1()(,)max(,)(,)fbst fsxty bxy= +(2)式中 ,x yB 开运g4778和g6854运g4778g2047义为 g1g1g1 2016年6月 王慧慧等:基于改进数学形态学与S变换的暂态电能质量扰动检测 633 g1g1g1()(,)()(,)fbst fb bst=ringoperator g1(3)g1g1g1()(,)( )(,)fbst f b bst=g1 (4)开运g4778g3046先g5
24、243g5708后g5278g5177,g694般g6224g1153“g1167g2190”作用,g1338以g2690g1155信号中的g2190值g1641g1829g7755g6854运g4778g3046先g5278g5177后g5243g5708,g6224g1153“g1804g6125”作用,g1338以g2690g1155信号中的g879g6125g1641g1829开运g4778和g6854运g4778的g2956果示意和运g4778结果g1887图 1g1g2653示 图1 开闭运算效果示意和运算结果 Fig.1 Open-close operation effect s
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