EEMD在煤礦電網暫態電能質量中應用研究

王金鵬，殷許鵬，殷璐璐

(1河南城建學院，河南平頂山，467000；2 國家電網平高集團有限公司，河南平頂山，467000)

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研究與設計

EEMD在煤礦電網暫態電能質量中應用研究

王金鵬1，殷許鵬1，殷璐璐2

(1河南城建學院，河南平頂山，467000；2 國家電網平高集團有限公司，河南平頂山，467000)

隨著越來越多的電力電子設備等非線性裝置運用于電力系統中，造成煤礦電網電壓和電流畸變，產生電壓暫態變化等現象，使電能質量問題越來越嚴重。本文深入研究基于總體經驗模態分解EEMD的HHT理論，將該理論應用于穩態(諧波、間諧波)、暫態(電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷、振蕩暫態、脈沖暫態等)以及復合擾動信號等電能質量擾動信號檢測和分析。仿真證明該理論有效克服了擾動信號分解過程中產生的模態混疊現象，能夠得到清晰的分量，對電能質量進一步研究提供依據。

煤礦電網；電流畸變；EEMD；振蕩暫態

1 引言

在煤礦電網中，隨著變頻器、大功率傳動設備等電力電子裝置的廣泛應用，電力系統中產生大量諧波[1-2]，導致煤礦電網電壓波形產生畸變，嚴重影響煤礦電能質量。而伴隨著煤礦自動化水平的提高，大量精密的電子儀器設備在煤礦自動化系統的應用越來越廣泛，煤礦電網中電壓波動較大，會嚴重影響煤炭生產的進行[3-7]。對煤礦電網電能質量擾動進行研究，為進一步提高改善煤礦電網質量提供依據。

總體平均經驗模態分解方法EEMD(Ensemble Empirical Mode Decomposition)克服了信號分析過程中出現的模態混疊，通過對固有模態函數求平均值濾除白噪聲，EEMD可以自適應分離不同時間尺度的分量，無需人為調節分辨率。仿真表明，EEMD方法能有效避免模態混疊情況，可以精確描述擾動信號擾動頻率和幅值等特征，通過仿真分析驗證了EEMD方法的有效性。

2 EEMD理論

2.1 固有模態函數

煤礦電網電能質量的擾動信號是非線性、非平穩的，對該信號分析時，首先采用經驗模態方法進行自適應分解，得到一系列單一頻率的分量，這部分分量即為固有模態函數IMF[8](Intrinsic mode function)。固有模態函數IMF是單頻率分量函數，只包含單個時間尺度分量。

2.2 EEMD算法原理

對任意的信號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HT，可以構造解析信號z(t)，表達式為：

z(t)=x(t)+jy(t)=a(t)ejθ(t)

(2)

(3)

綜合上述兩步，原信號表達為：

(4)

上述瞬時頻率計算方法適用于對這種單頻率分量進行計算，而無法對含有不同時間尺度、多個頻率的復合信號進行求解瞬時頻率。當擾動信號含有多個頻率分量時，需要對信號進行經驗模態分解，分解成只含單一頻率的固有模態函數形式。

進行經驗模態分解時，會出現模態混疊現象。針對模態混疊現象，Huang通過對擾動信號疊加白噪聲，提出總體經驗模態分解EEMD (Ensemble Empirical Mode Decomposition)方法，使時間尺度不連續的信號在整個頻帶中極值點分布均勻，然后在對信號求取局部上下包絡線時可以準確求取，進而克服模態混疊效應。

采用總體經驗模態分解方法EEMD對信號進行分解的步驟如下：

(1) 添加白噪聲w(t)到原始信號x(t)中，得到總體X(t)；

(2) 對得到的總體X(t)進行EMD分解，得到各個IMF分量；

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

(4) 對分解得到的對應的IMF分量進行求平均值得到最終分解結果。

3 EEMD在煤礦電網暫態電能質量擾動中應用

本文采樣頻率取為5000kHz。土城礦煤礦電網暫態擾動信號的研究包括幅值擾動(電壓驟升、電壓驟降)和加性擾動(振蕩暫態、脈沖暫態)兩部分。其中，幅值擾動一般不存在模態混疊問題，加性擾動則存在明顯的模態混疊現象。各種擾動信號的參數如表1所示。

表1 暫態電能信號參數Table 1 Parameters of transient power signal

3.1 EEMD在電壓驟降、電壓驟升中的應用

本節對暫態電能信號中按照幅值擾動分類包括電壓驟降、電壓驟升三種擾動信號進行研究分析，提取擾動特征量。

電壓驟降是電壓有效值跌落至額定值的10%～90%，持續時間為10 ms ～l min，之后電壓恢復正常。特征參數主要有電壓驟降幅值、驟降時的相位跳變及驟降起止時間，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。由于兩個波形均滿足IMF的兩個條件，分別直接對其進行HHT得到各自的瞬時頻率f(t)和瞬時幅值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(突變幅值和擾動時刻)與電壓暫降的特征相似，當電力系統中出現切除功率較大的負荷或者給電容器組充電等情況時電壓容易出現暫升現象。

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。由于兩個波形均滿足IMF的兩個條件，分別直接對其進行HHT得到各自的瞬時頻率f(t)和瞬時幅值a(t)如圖3(b)和4(c)所示。

(a) 電壓暫升波形

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

(a) 短路故障模型

(b) 電源電流波形

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

以上電能質量擾動信號起止時刻的實際值檢測值如表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精度。

3.2 EEMD在振蕩暫態、脈沖暫態中的應用

本節對暫態電能信號中按照加性擾動分類的信號進行研究分析，提取擾動特征量。

依據暫態震蕩擾動信號公式，在MATLAB中編程產生波形如圖5(a)所示，由于暫態信號是疊加在基頻信號中，不滿足單頻率分量要求，故對其進行EEMD自適應分解，再進行閾值處理和合理重構得到表示暫態信號分量和基頻分量信號如圖5(a)所示。由圖可見，基本濾除噪聲分量，對其進行Hilbert變換后得到其瞬時頻率和幅值如圖5(c)所示。

表2 擾動信號的起止時間Table 2 Start and stop time of the disturbance signal

(a) 振蕩暫態波形

(b) EEMD分解結果并重構圖

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

4 結束語

本章采用基于EEMD的HHT理論對仿真和實驗得到電能質量擾動信號進行檢測研究，對擾動信號的瞬時特征量包括瞬時頻率和幅值以及擾動的起止時刻持續時間進行了刻畫，實現了擾動信號的有效定位和參數估計。對暫態電能質量擾動信號進行了分析，得到以下結論：EEMD在EMD的基礎上進行改進，能夠有效克服分解過程中的模態混疊問題，利用EMD分解的二進濾波特性，對單一或者復合擾動信號分解得到的IMF分量進行合理重構后能夠得到物理意義清晰的分量。

[1] 林海雪. 現代電能質量的基本問題. 電網技術, 2001, 25(10):5-12.

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

[3] GB/T 24337-2009. 電能質量.公用電網間諧波[S]. 北京:中國標準出版社,2009.

[4] GB/T 18481-2001. 電能質量 暫時過電壓和瞬態過電壓[S]. 北京:中國標準出版社,2001.

[5] GB/T 14549-1993. 電能質量 公用電網諧波[S]. 北京:中國標準出版社,1993.

[6] GB/T 12326-2008. 電能質量 電壓波動和閃變[S]. 北京:中國標準出版社,2008.

[7] GB/T 19862-2005. 電能質量監測設備通用要求[S]. 北京:中國標準出版社,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

河南城建學院2014年度科學研究基金項目(2014JYB002)

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.004

TN784

A

1000-6133(2015)06-0019-04