基于独立分量分析的谐波源分离研究

论文摘要

近年来,随着电力电子技术的发展及大量非线性负荷的投入使用,越来越多的谐波注入到电网中,严重干扰了电网的电能质量。为了有效的治理谐波,减少谐波污染,需要对电网中谐波源分布、谐波传播状态以及各谐波源的危害程度进行评估。独立分量分析（ICA）是20世纪90年代后期由盲信源分离技术发展起来的多通道信号处理方法,可以在对源信号没有先验知识的条件下从混合信号中估计出源信号的波形。目前ICA在生物医学信号处理、图像处理、语音处理等方面已有广泛应用,但在电力系统中的应用才刚刚开始。本文采用独立分量分析方法,在网络参数和拓扑结构未知的情况下,对谐波源进行分离,为电网信息不完备环境下的谐波源分离提供新思路。主要工作及结论如下:①概述了谐波的相关概念,对现有谐波源分离方法的优缺点进行了分析与总结。通过对这些方法的深入研究,发现在网络信息不完备的情况下,现有的谐波源分离方法无法满足要求,因此需要采用新的研究思路,突破目前的瓶颈。②介绍了盲信源分离的理论与应用,研究了独立分量分析的理论与数学模型,重点分析了独立分量分析的估计原理。③建立了谐波源分离的计算模型,找出了谐波源分离模型与独立分量分析模型的一致性,提出了采用独立分量分析进行谐波源分离的新方法。该方法利用谐波源的统计独立性,在网络参数和拓扑结构未知的情况下实现谐波源分离。通过对Infomax算法和FastICA算法的分析与比较,本文选取FastICA算法进行谐波源分离,并给出了谐波源分离的步骤。④在理论分析的基础上,用IEEE-14节点谐波测试系统进行仿真计算,并对仿真结果进行了性能评价。相应的算例和性能指标参数表明:采用独立分量分析的谐波源分离方法能够实现电网谐波源的分离,而且不管谐波采集点是否包含谐波源,分离效果相同,即测量点的选取对仿真结果没有影响。此外,谐波源的非高斯性越强,分离效果越好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 研究背景及国内外研究现状
• 1.2.1 谐波的含义及表示方法
• 1.2.2 谐波的特性
• 1.2.3 谐波的危害与治理
• 1.2.4 研究现状及出现的问题
• 1.3 本文所做的工作
• 2 谐波源分离方法
• 2.1 基于功率潮流的分离方法
• 2.1.1 有功功率分离法
• 2.1.2 无功功率分离法
• 2.1.3 临界阻抗法
• 2.2 基于谐波阻抗分析的分离方法
• 2.2.1 微分方程法
• 2.2.2 基于GPS（Global Position Sytem）技术的谐波源分离方法
• 2.2.3 “干预式”（invasive）分离法
• 2.2.4 非干预式分离方法
• 2.3 基于谐波状态估计的分离法
• 2.4 本章小结
• 3 独立分量分析方法理论
• 3.1 盲信源分离简述
• 3.1.1 盲信源分离的基本描述
• 3.1.2 盲信源分离的应用
• 3.2 独立分量分析的数学模型及基本假设
• 3.2.1 ICA 的数学模型
• 3.2.2 ICA 的基本假设
• 3.3 独立性定义
• 3.4 ICA 的估计原理
• 3.4.1 非高斯最大化
• 3.4.2 互信息的最小化
• 3.4.3 极大似然估计
• 3.5 本章小结
• 4 基于独立分量分析的谐波源分离
• 4.1 谐波状态估计与谐波源分离的数学模型
• 4.1.1 谐波状态估计的基本量测方程
• 4.1.2 谐波状态估计的数学模型
• 4.1.3 谐波源分离的数学模型
• 4.2 基于ICA 的谐波源分离算法及算法选择
• 4.2.1 Infomax 算法
• 4.2.2 固定点（FastICA）算法
• 4.2.3 算法的选择
• 4.3 信号的预处理
• 4.3.1 信号去均值
• 4.3.2 信号的白化
• 4.4 采用FASTICA 的谐波源分离步骤
• 4.4.1 谐波源的统计独立性
• 4.4.2 谐波源分离步骤
• 4.5 本章小结
• 5 算例及分析
• 5.1 IEEE-14 节点谐波测试系统介绍
• 5.2 谐波仿真数据
• 5.3 算例
• 5.4 仿真结果分析
• 5.4.1 分离效果的评价准则
• 5.4.2 算例效果分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录