智能电网的电力系统信号处理

本书特色
本书与智能电网有着特殊的关系，提供了一个清晰和可理解的说明，包括如何应用数字信号处理（DSP）和计算智能（CI）技术来解决电力系统中的问题。
其独特的覆盖范围弥补了DSP、电力和能源工程系统之间的差距，展示了许多不同的DSP和IC技术在典型和预期的系统条件下的应用，以及一些实际的电力系统示例。

关于本书
本书讨论了电力系统DSP的全新进展，使工程师和研究人员能够了解当前的技术状况并开发新工具。具体包括以下方面：
•概述电力系统和电信号，描述在电力系统问题中常见的DSP基本概念；
•几种信号处理工具在相关问题中的应用，着眼于功率信号估计和分解、模式识别技术和电力系统信号变化的检测；
•关于测量、电能质量、监测、保护和控制以及广泛监测的DSP的描述；
•一个配有实际信号数据的配套网站，以及MATLAB®代码、DSP算法和信号样本的几个示例，用于进一步处理、理解和分析。
本书可以成为公用事业工程师以及研究人员和研究生调查、设计和操作未来智能电网的实用指南。本书旨在促进信号处理分析的学习和应用以及对能源系统的电能质量、保护和控制的理解。

配合本书的网站
为了配合本书，已经建立了两个网站，这两个网站包含了附加的典型非线性负载波形的MATLAB文件。这些可以通过不同的技术进行信号处理以获得进一步的理解。两种基于MATLAB的时变谐波分解技术也可以在网站上进行波形处理。
请访问http:// www.ufj f.br/ps cope-eng/d igital-sig nal-process ing-to-sm art-grids /
密码：dspsgrid
或者http://ww w.wiley.com/go /signal_pr ocessing
欢迎读者们为信号和MATLAB脚本发送额外的波形，波形将包含在Paulo Fernando Ribeiro教授的pfribeiro@iee e.org的数据库中。

本书主要介绍了信号处理技术在电力系统中的使用，并在智能电网环境中扩展了它的应用。全书分为以下3个部分：首先，描述了未来智能电网背景下，不同的电力系统应用中使用信号处理的目的，提供了电力系统事件和现象的综合清单，介绍了信号采集实现过程及其产生的问题；其次，介绍了用于信号处理的数学理论和基本概念以及相应算法，包括离散变换、数字信号处理方法、时变方法、估计算法等；*后，本书从频域和时域两方面介绍信号处理技术在未来智能电网中的基本应用过程，包括参数分析、信号分解、模式识别、信号检测，并针对电力系统中时变谐波和不对称、不平衡问题，给出了具体的应用实例。

Paulo Fernando Ribeiro在曼彻斯特大学电气工程专业取得博士学位，并且一直工作于学术、工业管理、电力系统领域内的电力公司和研究机构、电力电子和电力质量工程、电网规划、供电企业的战略研究、输电和配电系统建模、空间电力系统、应用于可再生能源发电中的电力电子学、柔性交流输电系统、应用于电力系统的信号处理、超导磁储能系统和智能电网领域。他的从业经历包括在美国、欧洲和巴西的大学任教，并在佛罗里达州立大学的高级电力系统中心（CAPS）、EPRI和NASA 担任研究职位。他是IEEE和IET的杰出讲师和会士，并且已经写了超过200篇同行评议的论文、技术书籍的章节。他是IEC、CIGRE和IEEE技术委员会的一名活跃成员，分别是谐波概率和时变方面的IEEE特别小组主席和IEC77A工作第9组（电能质量测量方法）、CIGRE4112（电力质量监测指南：测量地点、数据的处理和显示）的成员。
Carlos Augusto Duque于1986年在巴西联邦大学取得了电气工程专业学士学位，分别于1990年和1997年在里约热内卢的天主教大学取得电气工程理学硕士和博士学位。自1989年起，他一直是巴西联邦大学（UFJF） 电子工程系的教授。2007～2008年，他作为一名访问学者加入了佛罗里达州立大学高级电力系统中心。他的主要研究工作是在电力系统的信号处理领域，包括电力质量协同处理器的开发、时变谐波分析仪和用于同步估算的信号处理。他目前是应用于电力系统、UFJF的信号处理研究小组的负责人和巴西国家能源研究所的联合研究员。他已经写了超过120篇同行评议的论文和技术书籍的章节，并且是几项专利的作者。
Paulo Márcio da Silveira于2001年在圣卡塔琳娜联邦大学获得电子工程专业的DSc（理学博士） 学位。他拥有电力系统设备、变电所、保护和电能质量问题、电力系统研究的运行和装置的开发以及应用于电力应用程序的电能质量监控算法的工业设计、学术和研究经验。他从事故障识别、故障定位、保护继电器、电能质量和能量计量等方面的传输以及配电系统建模、监测、测量和信号处理的研究。他曾在电力质量和电力系统保护方面担任顾问，通过巴西电力管理机构（ANEEL） 对不同的巴西公用事业进行研究。在2007年，Silveira博士在美国塔拉哈西的佛罗里达州立大学的高级电力系统中心作访问研究员，当时他正在进行实时数据模拟。他是巴西伊塔朱巴联邦大学（UNIFEI）的副教授，他同时也是电力系统保护研究生课程的协调员、智能电网研究中心（CERIn）的电气兼容性的协调员以及UNIF EI电气和能源系统研究所的负责人。
Augusto Santiago Cerqueira于2002年在巴西里约热内卢联邦大学获得了电气工程专业的DSc学位。2004年，他在巴西联邦大学（UFJF）开始他的学术和研究活动，目前他是一名副教授。他的学术和研究活动主要涉及电子仪器、数字信号处理、电力系统的计算智能和实验高能物理学。他参与并协调了与电能质量问题相关的研究项目，应用信号处理和计算智能技术来进行电力质量监测和诊断。他是欧洲核子研究中心（欧洲核子研究组织）大型强子对撞机的UFJF小组的协调员，该小组负责对实验高能物理仪器、信号处理以及主要用于信号探测和估计的计算智能进行研究。

目　　录
译者序
原书前言
本书作者
配合本书的网站
原书致谢
第1章　绪论1 　
1.1　简介1
1.2　未来电网2 　
1.3　动力和目标3 　
1.4　信号处理框架5
1.5　小结8 　
参考文献9
第2章　电力系统与信号处理10 　
2.1　简介10
2.2　动态过电压11 　　
2.2.1　持续过电压11
2.2.2　雷击过电压12 　　
2.2.3　操作过电压14 　　
2.2.4　电容器组切换16
2.3　故障电流与直流分量19 　
2.4　电压跌落与电压骤升23
2.5　电压波动25 　
2.6　电压、电流不平衡26 　
2.7　谐波与间谐波27
2.8　电力变压器的励磁涌流37 　
2.9　变压器过励40
2.10　互感器的暂态过程41 　　
2.10.1　电流互感器饱和（保护措施） 41 　　
2.10.2　电容式电压互感器暂态46
2.11　铁磁谐振49
2.12　频率波动49 　
2.13　其他现象与对应信号50 　
2.14　小结50 　
参考文献51
第3章　互感器与采样系统52 　
3.1　简介52 　
3.2　感应式电压互感器53 　
3.3　电容式电压互感器56 　
3.4　电流互感器58 　
3.5　非传统互感器62 　　
3.5.1　电阻分压型电压互感器62 　　
3.5.2　光学电压互感器63 　　
3.5.3　罗氏线圈63 　　
3.5.4　光学电流互感器64 　
3.6　模－数转换处理66 　　
3.6.1　监测与控制67 　　
3.6.2　保护69 　　
3.6.3　电能质量69 　
3.7　噪声的数学模型70 　
3.8　采样与抗混叠滤波71 　
3.9　电力系统工程中的采样频率73 　
3.10　智能电网的背景与结论73 　
参考文献74
第4章　离散变换75 　
4.1　简介75 　
4.2　用傅里叶级数表示周期信号75 　　
4.2.1　级数系数的计算78 　　
4.2.2　指数傅里叶级数79 　　
4.2.3　指数系数和三角系数的关系80 　　
4.2.4　电力系统中的谐波81 　　
4.2.5　傅里叶级数的性质83 　
4.3　傅里叶变换84 　　
4.3.1　简介与实例84 　　
4.3.2　傅里叶变换的性质88
4.4　采样定理89 　
4.5　离散时间傅里叶变换92 　　
4.5.1　DTFT对93 　　
4.5.2　DTFT的性质93 　
4.6　DFT 95 　　
4.6.1　采样傅里叶变换98 　　
4.6.2　DFT定理99 　
4.7　递归DFT 99 　
4.8　DFT的滤波解释102 　　
4.8.1　DFT滤波器的频率响应104 　　
4.8.2　非同步采样105 　
4.9　z变换107 　　
4.9.1　有理z变换109 　　
4.9.2　有理传递函数的稳定性111 　　
4.9.3　一些常用的z变换对111 　　
4.9.4　z变换的性质112 　
4.10　小结113 　
参考文献113
第5章　基本电力系统信号处理114 　
5.1　简介114 　
5.2　线性时不变系统114 　　
5.2.1　LTI系统

本书是由那些对电力系统（PS）和信号处理（SP） 有共同兴趣、专业知识和激情的朋友之间的合作而写出来的。一般而言，它是由应用于电能质量（PQ） 和电力系统的SP项目所演进的结果。
目前，与应用程序的交叉使用和SP对系统性能进行分析和诊断的应用的相关的计算能力快速增长，并导致了新的方法、理论和模型的空前发展。
作者已经认识到了SP更广泛应用的潜力，特别是在目前智能电网（SG） 技术运用下的电力系统现代化全面发展。
电网日益复杂，需要进行密集、全面的信号监测，然后进行必要的信号处理， 以进行表征、识别、诊断和保护，以及对某些现象和事件的性质进行更准确的调查。SP也可以用于预测和预期系统行为。
电气工程SP是一种重要的工具，用于澄清、分离、分解和揭示电力系统操作的复杂物理现实的不同方面和维度，在这种情况下，不同的现象通常是复杂的、本质上的聚合而不能简单地去解决。
SP可以通过电气系统的分析性来获得，它有助于揭示和描述电参数、系统现象和事件的多样性、统一性、意义和内在目的。
随着电网变得越来越复杂，建模和仿真变得越来越不能够捕捉到电网中众多独立和相互交织的元器件的影响。SP处理的是实际的系统，而不是建模抽象或减小影响（尽管它可能与模拟相关联），因此，可以通过多种分析工具来阐明整体的各个方面。因此，SP允许工程师检测和测量电网的行为和本质。
今天，绝大多数模拟信号都被转换成数字信号。在电力系统的环境中，这种转换是由大量的二次智能数字设备完成的，这些数字设备执行控制、计量、保护、监督或与系统的其他组件进行通信的任务。此外，这种智能设备的质量也因其执行数字信号处理（DSP）的能力而增强。
DSP用来描述数学、算法和技术，将信号转换成一个方便的数字形式后，通过数学、算法和技术对信号进行处理，以满足各种各样的需求，如增强的视觉图像、识别和发出声音以及压缩数据以便于存储和传输［１］。
本书的目的是进一步促进DSP在电力系统中的使用，并在智能电网的环境中扩展它的应用，介绍、讨论和应用于典型和期望的系统条件的各种技术。图１给出了在传统和智能电网的电力系统环境中典型的电力系统信号波形的伽马射线样本。第１章描述了在未来智能电网的背景下，在不同的电力系统应用中使用信号处理的目的，提供诊断解决方案和相关性所需的各种数字测量和数据分析技术。第２章提供了电力系统事件和现象的综合清单，包括时变的电压和电流信号， 描述了这些信号的幅值、相位和波形。很明显，许多信号可以用一个数学表达式来表示（例如，直流衰减、故障、波形畸变）。
第３章描述了与电压变压器、电流互感器、模拟滤波器和模拟—数字转换器有关的不同方面。这些元器件是噪声和误差的来源，并施加了速度限制。由于电力系统信号采集系统缺乏信息，本章阐述了在一般信号处理文献中普遍忽略的一些重要要求。
第４章介绍了电力系统信号处理的分析和合成中必不可少的离散变换。本章描述了离散时间傅里叶变换（DTFT）、离散傅里叶变换（DFT） 和ｚ变换以及连续变换的概要。尽管这些变换在一些教科书中得到了广泛的提及，但是作者的重点是将这些变换在特定的和通用的电力系统中的应用。
第５章涵盖了电力系统信号处理的基本方面。其中包括数字信号运算符（延时、加法器、乘法器）、数字信号运算（调制、滤波、相关和卷积）、有限脉冲响应滤波器和无限脉冲响应滤波器。本章将使用几个电力系统应用程序来说明或解释这些概念。
图１　电力系统在智能电网背景下的电力系统信号
第６章介绍了多速率和采样频率变化的方法，这是电力系统中用来改变采样频率或分析信号的一种常见的时变方法。这样的例子就是使用滤波器组或小波变换（滤波器组和小波变换将在第９章中介绍，但在第６章中介绍了实现这些结构的数字原则）。此外，本章还讨论了电力系统应用的离线和实时频率变化。
在第７章中，重点是算法，它能够估计诸如相量、频率、RMS（方均根）、谐波和瞬变（衰减指数） 等参数，用于实时和离线应用。本章给出了估计理论的基本概念，包括克拉美罗界（CRLB）、MVU估计量、BLUE和LSE估计量。智能电网环境是一种高复杂性的电信号，需要正确、准确地测量。
第８章涵盖了频谱分析、参数和非参数频谱估计的基本概念，讨论了参数估计中常见的误差，包括混叠、扇形损失和频谱泄漏。在讨论的参数方法中，有Prony、PisaRenko、MUSIC和ESPRIT的方法。
第９章介绍了对电力系统应用基于滤波器组和小波变换进行的时间－频率分解的统一观点，介绍了短时傅里叶变换（STFT），并讨论了滤波器组理论的基本原理及其与小波的关系。另外还介绍了小波的基本理论和相关的信号处理技术，给出了电力系统应用中如何选择母小波的指导。
第１０章介绍了模式识别，作为对即将到来的电力智能电网环境的操作和控制的一个重要的启用工具。本章重点介绍了为未来的电网提供必要的工具所需要的主要方面和必要的步骤。
第１１章介绍了利用贝叶斯框架进行检测理论的基本方面，并讨论了高斯白噪声的确定性信号检测。
第１２章讨论了小波分析在发电和负荷曲线中确定波动模式的应