EEMD在煤礦電網(wǎng)暫態(tài)電能質(zhì)量中應(yīng)用研究

王金鵬，殷許鵬，殷璐璐

(1河南城建學(xué)院，河南平頂山，467000；2 國(guó)家電網(wǎng)平高集團(tuán)有限公司，河南平頂山，467000)

?

研究與設(shè)計(jì)

EEMD在煤礦電網(wǎng)暫態(tài)電能質(zhì)量中應(yīng)用研究

王金鵬1，殷許鵬1，殷璐璐2

(1河南城建學(xué)院，河南平頂山，467000；2 國(guó)家電網(wǎng)平高集團(tuán)有限公司，河南平頂山，467000)

隨著越來(lái)越多的電力電子設(shè)備等非線性裝置運(yùn)用于電力系統(tǒng)中，造成煤礦電網(wǎng)電壓和電流畸變，產(chǎn)生電壓暫態(tài)變化等現(xiàn)象，使電能質(zhì)量問題越來(lái)越嚴(yán)重。本文深入研究基于總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EEMD的HHT理論，將該理論應(yīng)用于穩(wěn)態(tài)(諧波、間諧波)、暫態(tài)(電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷、振蕩暫態(tài)、脈沖暫態(tài)等)以及復(fù)合擾動(dòng)信號(hào)等電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)檢測(cè)和分析。仿真證明該理論有效克服了擾動(dòng)信號(hào)分解過(guò)程中產(chǎn)生的模態(tài)混疊現(xiàn)象，能夠得到清晰的分量，對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

煤礦電網(wǎng)；電流畸變；EEMD；振蕩暫態(tài)

1 引言

在煤礦電網(wǎng)中，隨著變頻器、大功率傳動(dòng)設(shè)備等電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)中產(chǎn)生大量諧波[1-2]，導(dǎo)致煤礦電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重影響煤礦電能質(zhì)量。而伴隨著煤礦自動(dòng)化水平的提高，大量精密的電子儀器設(shè)備在煤礦自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，煤礦電網(wǎng)中電壓波動(dòng)較大，會(huì)嚴(yán)重影響煤炭生產(chǎn)的進(jìn)行[3-7]。對(duì)煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)進(jìn)行研究，為進(jìn)一步提高改善煤礦電網(wǎng)質(zhì)量提供依據(jù)。

總體平均經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)克服了信號(hào)分析過(guò)程中出現(xiàn)的模態(tài)混疊，通過(guò)對(duì)固有模態(tài)函數(shù)求平均值濾除白噪聲，EEMD可以自適應(yīng)分離不同時(shí)間尺度的分量，無(wú)需人為調(diào)節(jié)分辨率。仿真表明，EEMD方法能有效避免模態(tài)混疊情況，可以精確描述擾動(dòng)信號(hào)擾動(dòng)頻率和幅值等特征，通過(guò)仿真分析驗(yàn)證了EEMD方法的有效性。

2 EEMD理論

2.1 固有模態(tài)函數(shù)

煤礦電網(wǎng)電能質(zhì)量的擾動(dòng)信號(hào)是非線性、非平穩(wěn)的，對(duì)該信號(hào)分析時(shí)，首先采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)方法進(jìn)行自適應(yīng)分解，得到一系列單一頻率的分量，這部分分量即為固有模態(tài)函數(shù)IMF[8](Intrinsic mode function)。固有模態(tài)函數(shù)IMF是單頻率分量函數(shù)，只包含單個(gè)時(shí)間尺度分量。

2.2 EEMD算法原理

對(duì)任意的信號(hào)x(t)，稱y(t)為x(t)的希爾伯特變換HT(Hilbert Transform)，其滿足：

(1)

其中，P.V表示柯西主值積分。

通過(guò)HT，可以構(gòu)造解析信號(hào)z(t)，表達(dá)式為：

z(t)=x(t)+jy(t)=a(t)ejθ(t)

(2)

(3)

綜合上述兩步，原信號(hào)表達(dá)為：

(4)

上述瞬時(shí)頻率計(jì)算方法適用于對(duì)這種單頻率分量進(jìn)行計(jì)算，而無(wú)法對(duì)含有不同時(shí)間尺度、多個(gè)頻率的復(fù)合信號(hào)進(jìn)行求解瞬時(shí)頻率。當(dāng)擾動(dòng)信號(hào)含有多個(gè)頻率分量時(shí)，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，分解成只含單一頻率的固有模態(tài)函數(shù)形式。

進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解時(shí)，會(huì)出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象。針對(duì)模態(tài)混疊現(xiàn)象，Huang通過(guò)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)疊加白噪聲，提出總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EEMD (Ensemble Empirical Mode Decomposition)方法，使時(shí)間尺度不連續(xù)的信號(hào)在整個(gè)頻帶中極值點(diǎn)分布均勻，然后在對(duì)信號(hào)求取局部上下包絡(luò)線時(shí)可以準(zhǔn)確求取，進(jìn)而克服模態(tài)混疊效應(yīng)。

采用總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法EEMD對(duì)信號(hào)進(jìn)行分解的步驟如下：

(1) 添加白噪聲w(t)到原始信號(hào)x(t)中，得到總體X(t)；

(2) 對(duì)得到的總體X(t)進(jìn)行EMD分解，得到各個(gè)IMF分量；

(3) 對(duì)原始信號(hào)x(t)加入不同的白噪聲wi(t)，重復(fù)上面的第一和第二步，分解后得到各自的IMF分量組；

(4) 對(duì)分解得到的對(duì)應(yīng)的IMF分量進(jìn)行求平均值得到最終分解結(jié)果。

3 EEMD在煤礦電網(wǎng)暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)中應(yīng)用

本文采樣頻率取為5000kHz。土城礦煤礦電網(wǎng)暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)的研究包括幅值擾動(dòng)(電壓驟升、電壓驟降)和加性擾動(dòng)(振蕩暫態(tài)、脈沖暫態(tài))兩部分。其中，幅值擾動(dòng)一般不存在模態(tài)混疊問題，加性擾動(dòng)則存在明顯的模態(tài)混疊現(xiàn)象。各種擾動(dòng)信號(hào)的參數(shù)如表1所示。

表1 暫態(tài)電能信號(hào)參數(shù)Table 1 Parameters of transient power signal

3.1 EEMD在電壓驟降、電壓驟升中的應(yīng)用

本節(jié)對(duì)暫態(tài)電能信號(hào)中按照幅值擾動(dòng)分類包括電壓驟降、電壓驟升三種擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究分析，提取擾動(dòng)特征量。

電壓驟降是電壓有效值跌落至額定值的10%～90%，持續(xù)時(shí)間為10 ms ～l min，之后電壓恢復(fù)正常。特征參數(shù)主要有電壓驟降幅值、驟降時(shí)的相位跳變及驟降起止時(shí)間，一般驟降幅值小于60%額定電壓。

MATLAB編程模擬驟降電壓波形如圖1(a)所示，在MATLAB/SIMULINK中搭建模型模擬斷路器斷線故障如圖2(a)所示，斷路器的打開和閉合時(shí)間分別是0.16s和0.21s，電流表I輸出的電源電流波形如圖2-2(b)所示。由于兩個(gè)波形均滿足IMF的兩個(gè)條件，分別直接對(duì)其進(jìn)行HHT得到各自的瞬時(shí)頻率f(t)和瞬時(shí)幅值a(t)，分別如圖1(b)和2(c)所示。

(a) 電壓驟降波形

(b) 瞬時(shí)頻率和幅值圖1 電壓驟降Figure1 Voltage sag

(a) 斷線故障模型

(b) 電源電流波形

(c) 瞬時(shí)頻率和幅值圖2 斷線驟降Figure 2 Disconnection dips

電壓暫升指電壓有效值上升至1.1pu，典型值為額定值的1.1～1.8pu，其主要特征指標(biāo)(突變幅值和擾動(dòng)時(shí)刻)與電壓暫降的特征相似，當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)切除功率較大的負(fù)荷或者給電容器組充電等情況時(shí)電壓容易出現(xiàn)暫升現(xiàn)象。

MATLAB編程模擬驟升電壓波形如圖3(a)所示，在MATLAB/SIMULINK中搭建模型模擬斷路器斷線故障如圖4(a)所示，斷路器的打開和閉合時(shí)間分別是0.11s和0.19s，電流表I輸出的電源電流波形如圖4(b)所示。由于兩個(gè)波形均滿足IMF的兩個(gè)條件，分別直接對(duì)其進(jìn)行HHT得到各自的瞬時(shí)頻率f(t)和瞬時(shí)幅值a(t)如圖3(b)和4(c)所示。

(a) 電壓暫升波形

(b) 瞬時(shí)頻率和幅值圖3 電壓暫升Figure3 Voltage swells

(a) 短路故障模型

(b) 電源電流波形

(c) 瞬時(shí)頻率和幅值圖4 短路驟升Figure4 Short circuit swells

以上電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)起止時(shí)刻的實(shí)際值檢測(cè)值如表2所示。由表中可見，誤差為采樣間隔，提高采樣頻率可以提高檢測(cè)精度。

3.2 EEMD在振蕩暫態(tài)、脈沖暫態(tài)中的應(yīng)用

本節(jié)對(duì)暫態(tài)電能信號(hào)中按照加性擾動(dòng)分類的信號(hào)進(jìn)行研究分析，提取擾動(dòng)特征量。

依據(jù)暫態(tài)震蕩擾動(dòng)信號(hào)公式，在MATLAB中編程產(chǎn)生波形如圖5(a)所示，由于暫態(tài)信號(hào)是疊加在基頻信號(hào)中，不滿足單頻率分量要求，故對(duì)其進(jìn)行EEMD自適應(yīng)分解，再進(jìn)行閾值處理和合理重構(gòu)得到表示暫態(tài)信號(hào)分量和基頻分量信號(hào)如圖5(a)所示。由圖可見，基本濾除噪聲分量，對(duì)其進(jìn)行Hilbert變換后得到其瞬時(shí)頻率和幅值如圖5(c)所示。

表2 擾動(dòng)信號(hào)的起止時(shí)間Table 2 Start and stop time of the disturbance signal

(a) 振蕩暫態(tài)波形

(b) EEMD分解結(jié)果并重構(gòu)圖

(c) 瞬時(shí)頻率和幅值圖5 振蕩暫態(tài)Figure 5 Transient oscillation signal

4 結(jié)束語(yǔ)

本章采用基于EEMD的HHT理論對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)得到電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)研究，對(duì)擾動(dòng)信號(hào)的瞬時(shí)特征量包括瞬時(shí)頻率和幅值以及擾動(dòng)的起止時(shí)刻持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了刻畫，實(shí)現(xiàn)了擾動(dòng)信號(hào)的有效定位和參數(shù)估計(jì)。對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：EEMD在EMD的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效克服分解過(guò)程中的模態(tài)混疊問題，利用EMD分解的二進(jìn)濾波特性，對(duì)單一或者復(fù)合擾動(dòng)信號(hào)分解得到的IMF分量進(jìn)行合理重構(gòu)后能夠得到物理意義清晰的分量。

[1] 林海雪. 現(xiàn)代電能質(zhì)量的基本問題. 電網(wǎng)技術(shù), 2001, 25(10):5-12.

[2] 肖湘寧,徐永海. 電能質(zhì)量問題剖析. 電網(wǎng)技術(shù),2001,25(3) : 66～69

[3] GB/T 24337-2009. 電能質(zhì)量.公用電網(wǎng)間諧波[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[4] GB/T 18481-2001. 電能質(zhì)量 暫時(shí)過(guò)電壓和瞬態(tài)過(guò)電壓[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

[5] GB/T 14549-1993. 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993.

[6] GB/T 12326-2008. 電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[7] GB/T 19862-2005. 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備通用要求[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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

河南城建學(xué)院2014年度科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2014JYB002)

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.004

TN784

A

1000-6133(2015)06-0019-04