EEMD在煤矿电网暂态电能质量中应用研究

2015-03-07王金鹏殷许鹏殷璐璐

机电元件 2015年6期

关键词：暂态扰动电能

王金鹏，殷许鹏，殷璐璐

(1河南城建学院，河南平顶山，467000；2 国家电网平高集团有限公司，河南平顶山，467000)

研究与设计

EEMD在煤矿电网暂态电能质量中应用研究

王金鹏1，殷许鹏1，殷璐璐2

(1河南城建学院，河南平顶山，467000；2 国家电网平高集团有限公司，河南平顶山，467000)

随着越来越多的电力电子设备等非线性装置运用于电力系统中，造成煤矿电网电压和电流畸变，产生电压暂态变化等现象，使电能质量问题越来越严重。本文深入研究基于总体经验模态分解EEMD的HHT理论，将该理论应用于稳态(谐波、间谐波)、暂态(电压暂降、电压暂升、电压中断、振荡暂态、脉冲暂态等)以及复合扰动信号等电能质量扰动信号检测和分析。仿真证明该理论有效克服了扰动信号分解过程中产生的模态混叠现象，能够得到清晰的分量，对电能质量进一步研究提供依据。

煤矿电网；电流畸变；EEMD；振荡暂态

1 引言

在煤矿电网中，随着变频器、大功率传动设备等电力电子装置的广泛应用，电力系统中产生大量谐波[1-2]，导致煤矿电网电压波形产生畸变，严重影响煤矿电能质量。而伴随着煤矿自动化水平的提高，大量精密的电子仪器设备在煤矿自动化系统的应用越来越广泛，煤矿电网中电压波动较大，会严重影响煤炭生产的进行[3-7]。对煤矿电网电能质量扰动进行研究，为进一步提高改善煤矿电网质量提供依据。

总体平均经验模态分解方法EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)克服了信号分析过程中出现的模态混叠，通过对固有模态函数求平均值滤除白噪声，EEMD可以自适应分离不同时间尺度的分量，无需人为调节分辨率。仿真表明，EEMD方法能有效避免模态混叠情况，可以精确描述扰动信号扰动频率和幅值等特征，通过仿真分析验证了EEMD方法的有效性。

2 EEMD理论

2.1 固有模态函数

煤矿电网电能质量的扰动信号是非线性、非平稳的，对该信号分析时，首先采用经验模态方法进行自适应分解，得到一系列单一频率的分量，这部分分量即为固有模态函数IMF[8](Intrinsic mode function)。固有模态函数IMF是单频率分量函数，只包含单个时间尺度分量。

2.2 EEMD算法原理

对任意的信号x(t)，称y(t)为x(t)的希尔伯特变换HT(Hilbert Transform)，其满足：

(1)

其中，P.V表示柯西主值积分。

通过HT，可以构造解析信号z(t)，表达式为：

z(t)=x(t)+jy(t)=a(t)ejθ(t)

(2)

(3)

综合上述两步，原信号表达为：

(4)

上述瞬时频率计算方法适用于对这种单频率分量进行计算，而无法对含有不同时间尺度、多个频率的复合信号进行求解瞬时频率。当扰动信号含有多个频率分量时，需要对信号进行经验模态分解，分解成只含单一频率的固有模态函数形式。

进行经验模态分解时，会出现模态混叠现象。针对模态混叠现象，Huang通过对扰动信号叠加白噪声，提出总体经验模态分解EEMD (Ensemble Empirical Mode Decomposition)方法，使时间尺度不连续的信号在整个频带中极值点分布均匀，然后在对信号求取局部上下包络线时可以准确求取，进而克服模态混叠效应。

采用总体经验模态分解方法EEMD对信号进行分解的步骤如下：

(1) 添加白噪声w(t)到原始信号x(t)中，得到总体X(t)；

(2) 对得到的总体X(t)进行EMD分解，得到各个IMF分量；

(3) 对原始信号x(t)加入不同的白噪声wi(t)，重复上面的第一和第二步，分解后得到各自的IMF分量组；

(4) 对分解得到的对应的IMF分量进行求平均值得到最终分解结果。

3 EEMD在煤矿电网暂态电能质量扰动中应用

本文采样频率取为5000kHz。土城矿煤矿电网暂态扰动信号的研究包括幅值扰动(电压骤升、电压骤降)和加性扰动(振荡暂态、脉冲暂态)两部分。其中，幅值扰动一般不存在模态混叠问题，加性扰动则存在明显的模态混叠现象。各种扰动信号的参数如表1所示。

表1 暂态电能信号参数Table 1 Parameters of transient power signal

3.1 EEMD在电压骤降、电压骤升中的应用

本节对暂态电能信号中按照幅值扰动分类包括电压骤降、电压骤升三种扰动信号进行研究分析，提取扰动特征量。

电压骤降是电压有效值跌落至额定值的10%～90%，持续时间为10 ms ～l min，之后电压恢复正常。特征参数主要有电压骤降幅值、骤降时的相位跳变及骤降起止时间，一般骤降幅值小于60%额定电压。

MATLAB编程模拟骤降电压波形如图1(a)所示，在MATLAB/SIMULINK中搭建模型模拟断路器断线故障如图2(a)所示，断路器的打开和闭合时间分别是0.16s和0.21s，电流表I输出的电源电流波形如图2-2(b)所示。由于两个波形均满足IMF的两个条件，分别直接对其进行HHT得到各自的瞬时频率f(t)和瞬时幅值a(t)，分别如图1(b)和2(c)所示。

(a) 电压骤降波形

(b) 瞬时频率和幅值图1 电压骤降Figure1 Voltage sag

(a) 断线故障模型

(b) 电源电流波形

电压暂升指电压有效值上升至1.1pu，典型值为额定值的1.1～1.8pu，其主要特征指标(突变幅值和扰动时刻)与电压暂降的特征相似，当电力系统中出现切除功率较大的负荷或者给电容器组充电等情况时电压容易出现暂升现象。

MATLAB编程模拟骤升电压波形如图3(a)所示，在MATLAB/SIMULINK中搭建模型模拟断路器断线故障如图4(a)所示，断路器的打开和闭合时间分别是0.11s和0.19s，电流表I输出的电源电流波形如图4(b)所示。由于两个波形均满足IMF的两个条件，分别直接对其进行HHT得到各自的瞬时频率f(t)和瞬时幅值a(t)如图3(b)和4(c)所示。

(a) 电压暂升波形

(b) 瞬时频率和幅值图3 电压暂升Figure3 Voltage swells

(a) 短路故障模型

(b) 电源电流波形

以上电能质量扰动信号起止时刻的实际值检测值如表2所示。由表中可见，误差为采样间隔，提高采样频率可以提高检测精度。

3.2 EEMD在振荡暂态、脉冲暂态中的应用

本节对暂态电能信号中按照加性扰动分类的信号进行研究分析，提取扰动特征量。

依据暂态震荡扰动信号公式，在MATLAB中编程产生波形如图5(a)所示，由于暂态信号是叠加在基频信号中，不满足单频率分量要求，故对其进行EEMD自适应分解，再进行阈值处理和合理重构得到表示暂态信号分量和基频分量信号如图5(a)所示。由图可见，基本滤除噪声分量，对其进行Hilbert变换后得到其瞬时频率和幅值如图5(c)所示。

表2 扰动信号的起止时间Table 2 Start and stop time of the disturbance signal

(a) 振荡暂态波形

(b) EEMD分解结果并重构图

4 结束语

本章采用基于EEMD的HHT理论对仿真和实验得到电能质量扰动信号进行检测研究，对扰动信号的瞬时特征量包括瞬时频率和幅值以及扰动的起止时刻持续时间进行了刻画，实现了扰动信号的有效定位和参数估计。对暂态电能质量扰动信号进行了分析，得到以下结论：EEMD在EMD的基础上进行改进，能够有效克服分解过程中的模态混叠问题，利用EMD分解的二进滤波特性，对单一或者复合扰动信号分解得到的IMF分量进行合理重构后能够得到物理意义清晰的分量。

[1] 林海雪. 现代电能质量的基本问题. 电网技术, 2001, 25(10):5-12.

[2] 肖湘宁,徐永海. 电能质量问题剖析. 电网技术,2001,25(3) : 66～69

[3] GB/T 24337-2009. 电能质量.公用电网间谐波[S]. 北京:中国标准出版社,2009.

[4] GB/T 18481-2001. 电能质量暂时过电压和瞬态过电压[S]. 北京:中国标准出版社,2001.

[5] GB/T 14549-1993. 电能质量公用电网谐波[S]. 北京:中国标准出版社,1993.

[6] GB/T 12326-2008. 电能质量电压波动和闪变[S]. 北京:中国标准出版社,2008.

[7] GB/T 19862-2005. 电能质量监测设备通用要求[S]. 北京:中国标准出版社,2005.

[8] Wu .H. and Huang, N.E.(2003). A Study of the Characteristics of White Noise Using the Empirical Mode Decomposition Method. Proc. R. Soc. Lond. A, 2004,460:1597-1611.

Application of EEMD in Coal Mine Power Network

WANG Jinpeng1, YIN Xupeng1，YIN Lulu2

(1 Henan University of Urban Construction, Pingdingshan Henan 467000；2 PINGGAO Group CO., Ltd, Pingdingshan Henan 467000)

Along with social progress and the development of technology, more and more power electronic devices, such as non-linear device used in the power system, causes grid voltage and current distortion, brings out voltage transient phenomenon. This article studies the HHT theory based on the EEMD. The theory is applied to a steady-state (harmonics, inter-harmonics), transient (voltage dips, voltage swells, voltage interruptions, oscillatory transients, pulse transient, etc.) as well as the composite power quality disturbance signal detection and analysis.

Coal Mine Power network，Current distortion, EEMD, oscillatory transients

2015-10-15

河南城建学院2014年度科学研究基金项目(2014JYB002)

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.004

TN784

1000-6133(2015)06-0019-04