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应用于风电场远程监控的电能质量扰动信号采样技术研究

作　者: 周超
导　师: 黄文清
学　校: 湖南大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 大型风电场电能质量数据采集交流采样压缩采样
分类号: TM614
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

风能作为一种丰富的可再生能源，清洁、无污染，取之不尽、用之不竭。利用风能发电是当今世界各国为解决能源紧缺、提高环境质量而采取的一项有效措施。随着大型风电场装机容量的不断扩大，以及风力发电自身的结构特点，风力发电场对接入电网的电能质量问题不容忽视。如何对电能质量问题进行有效分析和控制成为当前一项紧迫而重要的工作，受到国内外电工领域的广泛关注。为提高和改善风电接入电网的电能质量，要对其进行远程监控。而对风电场中的电能质量进行远程监控的重要环节是需要解决其电能质量扰动信号的高效数据采集问题。（1）通过阅读大量文献，对风电场远程监控研究现状，风电电能质量问题的定义、国内外标准、分类及风电电能质量数据压缩进行研究，对现有风电电能质量数据采集方法、交流采样和压缩采样研究方法进行了综述。阐述了论文研究的背景和意义。（2）对风电场中传统交流采样理论诸如同步采样、准同步采样和非同步采样等进行研究，在研究了风电场远程与中央监控系统组成结构及数据采集的基础上，对各种采样方法的实现及其采样效果进行了分析和比较，给出了他们各自的优点和缺点。研究了软件同步采样的几种常用算法，并对算法进行了仿真比较研究，为后续电能质量扰动信号高效数据采集提供理论依据。（3）提出了一种新的应用于监控系统数据采集模块的采样技术，即压缩采样理论并阐述了这一新理论的产生背景、研究现状、基本思想、理论框架和实现方法，对信号的稀疏表示、测量矩阵设计以及信号重构三个部分进行了着重研究：①信号的稀疏性是压缩采样的前提条件，能否高精度的重构原始信号关键取决于该信号的稀疏表示。对几种典型稀疏分解算法进行了比较和分析。②通过设计有效的测量矩阵，可以用较少的观测数据来重构原始信号。对几种常用观测矩阵进行比较研究。③压缩采样理论的核心问题是从观测得到的M(M<N)维观测向量Y中重构出N维的原始信号。对一些常见重构算法进行研究，并对它们的时间复杂度和重构精度进行了对比和分析。（4）将压缩采样理论应用于风电电能质量扰动信号数据采集，设计了以Gabor冗余原子库作为稀疏基，使用高斯随机测量矩阵进行观测和采用正交匹配追踪算法对信号进行重构的压缩采样方法。通过matlab平台对所提方法进行仿真试验，实验结果表明该方法能够较好地实现风电电能质量扰动信号的压缩与重构。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-22
  1.1 课题研究背景及意义  11-12
  1.2 风电场远程监控研究现状  12-13
  1.3 风电电能质量问题  13-15
    1.3.1 电能质量的定义  13
    1.3.2 电能质量国内外标准  13-14
    1.3.3 电能质量问题的分类  14-15
  1.4 风电场电能质量数据采集技术研究  15-20
    1.4.1 交流采样技术研究现状  15-17
    1.4.2 电能质量信号数据压缩研究现状  17-18
    1.4.3 压缩采样理论及研究现状  18-20
  1.5 本文主要研究内容  20-22
第2章应用于远程监控系统的交流采样技术  22-33
  2.1 远程与中央监控系统  22-23
  2.2 风电电能质量同步采样  23-29
    2.2.1 同步采样原理  23
    2.2.2 硬件同步采样  23-25
    2.2.3 软件同步采样  25-28
    2.2.4 同步采样方法仿真  28-29
  2.3 风电电能质量准同步采样  29-31
  2.4 风电电能质量非同步采样  31-32
  2.5 本章小结  32-33
第3章信号分解和压缩采样理论  33-46
  3.1 信号的分解  33-35
    3.1.1 傅里叶变换  33-34
    3.1.2 小波变换  34-35
  3.2 压缩采样理论  35-39
    3.2.1 压缩采样的前提条件  35-36
    3.2.2 压缩采样原理  36-37
    3.2.3 信号的稀疏变换  37-38
    3.2.4 稀疏表示  38-39
  3.3 测量矩阵的设计  39-42
    3.3.1 测量矩阵  39-40
    3.3.2 常用的测量矩阵  40-42
  3.4 信号重构  42-44
    3.4.1 最小 0-范数  42
    3.4.2 最小 1-范数  42
    3.4.3 重构算法  42-44
  3.5 本章小结  44-46
第4章风电电能质量扰动信号压缩采样  46-60
  4.1 风电电能质量扰动信号模型  46-49
    4.1.1 暂态电能质量扰动信号模型  46-48
    4.1.2 稳态电能质量扰动信号模型  48-49
  4.2 基于压缩采样的稀疏表示  49-50
  4.3 构建观测矩阵  50
  4.4 正交匹配追踪算法（OMP）的信号重构  50-54
    4.4.1 正交匹配追踪算法具体分解过程  50-51
    4.4.2 核心步骤  51-52
    4.4.3 算法流程图  52-53
    4.4.4 算法 matlab 部分源代码  53-54
  4.5 系统仿真结果及性能分析  54-59
  4.6 本章小结  59-60
结论与展望  60-62
参考文献  62-67
致谢  67-68
附录 A （攻读学位期间发表的学术论文）  68

应用于风电场远程监控的电能质量扰动信号采样技术研究

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