一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鷈md的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方法，包括以下步驟：1).原始暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)預(yù)處理；2).構(gòu)造高頻補(bǔ)償信號(hào)；3).暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)IMF分量提??；4).暫態(tài)擾動(dòng)起止時(shí)刻定位；5).暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)成分分析。本發(fā)明用高頻補(bǔ)償信號(hào)迭代EMD方法分解出IMF分量，采用HT變換和幅度解調(diào)方法進(jìn)行分解得出信號(hào)的瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)頻率和相位，能夠?qū)崟r(shí)分析暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)，對(duì)暫態(tài)擾動(dòng)起止時(shí)刻進(jìn)行定位，并分析其中包含的諧波成分。該方法能夠有效地對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行定位和分析，進(jìn)而對(duì)電能質(zhì)量的治理提供參考數(shù)據(jù)，以保證電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析 方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電能質(zhì)量信號(hào)分析和監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及各種典型的暫態(tài)電能質(zhì) 量信號(hào)的快速分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有電力系統(tǒng)中的能源類(lèi)型除傳統(tǒng)的火力發(fā)電、水力發(fā)電、核電外還包括風(fēng)力、太 陽(yáng)能發(fā)電等新能源，另外電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)荷類(lèi)型多樣，導(dǎo)致電能質(zhì)量的穩(wěn)定問(wèn)題日益突 出。各種典型的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)，如電壓驟升、驟降、瞬變、諧波、暫態(tài)振蕩及暫態(tài)脈沖等， 本質(zhì)上是電能質(zhì)量隨著時(shí)變系統(tǒng)的運(yùn)行狀況而表現(xiàn)出的動(dòng)態(tài)特性。這些電能質(zhì)量問(wèn)題會(huì)引 起設(shè)備發(fā)熱，降低效率;導(dǎo)致電源故障，影響生產(chǎn)。因此，一種能夠快速準(zhǔn)確的分析暫態(tài)電能 質(zhì)量信號(hào)的方法是很必要的，由此可以設(shè)計(jì)相應(yīng)的對(duì)策，減少電能質(zhì)量問(wèn)題造成的損害。
[0003] 目前常用電能質(zhì)量信號(hào)分析方法中快速傅立葉變換(FFT)計(jì)算量大，分析精度受 到數(shù)據(jù)窗的限制，且存在無(wú)法反映振蕩的阻尼特性及瞬時(shí)頻率的缺點(diǎn)；短時(shí)傅立葉變換 (STFT)是一種基于固定的窗函數(shù)的變換，它的分辨率是固定的，不能兼顧頻率與時(shí)間分辨 率的需求;小波變換(WT)能將時(shí)域和頻域結(jié)合起來(lái)描述觀(guān)察信號(hào)的時(shí)頻特征，但小波的基 函數(shù)一旦選定，就要用來(lái)分析所有的數(shù)據(jù);而暫態(tài)信號(hào)具有非平穩(wěn)性，需要選擇不同的基函 數(shù)。基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法的希爾伯特一黃變換(HHT)能夠?qū)?fù)雜信號(hào)序列簡(jiǎn)單化、平穩(wěn)化處 理，適用于處理暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)。但由于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)本身固有的局 限性，當(dāng)暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中存在頻率在一個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)、幅頻比不符合要求或信號(hào)能量 相差較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)模態(tài)混疊問(wèn)題。導(dǎo)致HHT方法分析暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中的振蕩、脈沖及諧 波等成分時(shí)容易出現(xiàn)模態(tài)混疊，提取出的暫態(tài)信號(hào)成分不準(zhǔn)確?？梢?jiàn)，這些分析方法不能滿(mǎn) 足暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服已有暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方法的快速性較差、準(zhǔn)確性較差的不足，本 發(fā)明提供一種快速性良好、準(zhǔn)確性較高的基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào) 分析方法。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方法，包括如下步驟：
[0007] 1).原始暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)預(yù)處理
[0008] 以在電力系統(tǒng)關(guān)鍵電氣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)作為輸入，首先對(duì)信 號(hào)進(jìn)行均一化預(yù)處理，其次，采用快速傅立葉變換FFT對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得出暫 態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的所有頻率；
[0009] 2).構(gòu)造高頻補(bǔ)償信號(hào)
[0010]以步驟1)中預(yù)處理后的信號(hào)為輸入，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法EMD進(jìn)行分解，得到基波 分量的固有模態(tài)函數(shù)MF分量，并將該頂F分量進(jìn)行HT變換求出基波的幅值、頻率及相位，其 次，結(jié)合步驟1)中暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的所有頻率及基波的幅值和相位構(gòu)造出相應(yīng)的 高頻補(bǔ)償信號(hào)；
[0011] 3).暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)頂F分量提取
[0012]以步驟1)中預(yù)處理后的信號(hào)為輸入，首先，減去步驟2)中得出的基波成分，并利用 高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分解，得出真實(shí)的頂F分量；
[0013] 4).暫態(tài)擾動(dòng)起止時(shí)刻定位
[0014]以步驟3)中真實(shí)頂F分量為輸入，其中，第一個(gè)MF分量為提取出的暫態(tài)信號(hào)，對(duì)該 MF分量進(jìn)行HT變換得出瞬時(shí)頻率，瞬時(shí)頻率的突變時(shí)刻即為暫態(tài)擾動(dòng)的起止時(shí)刻；
[0015] 5).暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)成分分析
[0016]以步驟3)中真實(shí)MF分量為輸入，首先，使用高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法分解出的 部分IMF分量中包含一個(gè)占主導(dǎo)的高頻分量和一個(gè)低頻分量，采用幅度解調(diào)方法進(jìn)行分解， 其次，IMF分量為單一成分的直接進(jìn)行HT變換，得出信號(hào)的瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)頻率和相位，最 后，將相同頻率的信號(hào)進(jìn)行合并，即可求出原始信號(hào)中的所有組成成分。
[0017] 進(jìn)一步，所述步驟1)中，暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)均一化預(yù)處理是用Decimal scaling標(biāo) 準(zhǔn)化方法將采集到的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)，即通過(guò)原始數(shù)據(jù)中的最大絕對(duì)值來(lái)決定移動(dòng)小數(shù) 點(diǎn)的位數(shù)，將待分析的數(shù)據(jù)均一化到[-1，1 ]區(qū)間。
[0018] 再進(jìn)一步，所述步驟2)中，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)方法是一種利用信號(hào)的局部特征 時(shí)間尺度，從原始信號(hào)中提取出若干階固有模態(tài)函數(shù)MF和一個(gè)殘余分量的分解方法;對(duì)原 始信號(hào)X (t)進(jìn)行EMD分解的步驟為：
[0019] 2.1)，根據(jù)信號(hào)x(t)的局部極大值和局部極小值求出其上、下包絡(luò)的平均值C1，將 X (t)與上、下包絡(luò)線(xiàn)均值C1的差記為P1，則有P1 = X (t) -C1;如果P1滿(mǎn)足MF分量的條件，則 P1就是X(t)的第1個(gè)頂F分量供(1):若不滿(mǎn)足，則將P1視作新的X(t)，重復(fù)前面的過(guò)程，直到 P1滿(mǎn)足頂F分量的條件為止；
[0020] 2.2)將識(shí)(1)從原始信號(hào)奴〇中分離出來(lái)，得到殘余分量信號(hào)汕=5(/)，(1):，然后 用以1)代替信號(hào)奴〇，重復(fù)上述步驟，得到奴〇的〇^分量<2)、0(3)..#(11)，直到第11階 的殘余函數(shù)r(n)成為單調(diào)函數(shù)，不能再篩分出IMF分量；
[0021] 2.3)對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行EMD分解后，得到的IMF分量和殘余分量在數(shù)學(xué)形式上表達(dá) 為，
[0023]其中，IMF分量</)代表信號(hào)從高到低不同頻率的成分，突出了數(shù)據(jù)的局部特征， 而r(n)代表信號(hào)的殘余分量，體現(xiàn)了信號(hào)中的緩慢變化量。
[0024]所述步驟2)中，HT(Hilbert)變換為計(jì)算MF分量的幅值、頻率和相位等電氣參數(shù) 的方法，過(guò)程如下：
[0025]設(shè)X(t)為一時(shí)間序列，其HT變換Y(t)定義為
[0026]上式中P為柯西主值，通常取1;HT變換后得到的信號(hào)是一個(gè)與原始信號(hào)頻率獨(dú)立 的且有90度相移的正交信號(hào)，即X(t)和Y(t)組成了一個(gè)共輒復(fù)數(shù)對(duì)，相應(yīng)的解析信號(hào)Z(t) 為，2(1:)=父(1:)+」_￥(1:)=€[(1：)6']0(1:)，其中，€[(1：)為瞬時(shí)幅值，
；θ(?)為瞬時(shí)
[0027]由此，瞬時(shí)頻率為，
[0029] 所述步驟2)中，所述高頻補(bǔ)償諧波的構(gòu)造過(guò)程為:設(shè)步驟1)中采用快速傅立葉變 換(FFT)對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得出的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的頻率為&、&、~ f n，分別為基波和各高頻信號(hào)的頻率(f〇<fi<~<fn)，步驟b中用ΗΤ方法求出基波的瞬時(shí) 幅值、頻率和相位分別為Αο、<??〇，則補(bǔ)償高頻信號(hào)為馬(0 = 4+ %)，其中，fmk為 補(bǔ)償高頻信號(hào)的頻率且滿(mǎn)足fmk = 2 X fn-k，k = 1，2…(n-1)。
[0030] 所述步驟3)中，所述高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法的步驟如下：
[0031] 3.1)設(shè)步驟3)中減去基波成分后的信號(hào)為S(t)，對(duì)S(t)進(jìn)行高頻諧波補(bǔ)償?shù)玫絊 (tHMKt)，用標(biāo)準(zhǔn)EMD方法對(duì)補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行分解得到第一個(gè)IMF分量頂Fi，令(Mt) = MFrMi⑴，獲得剩余分量n (t) = S (t) -& (t);
[0032] 3.2)用剩余分量^(〇替換5(〇，同時(shí)依次用11{(〇仏=2,3~11-1)替換施(〇;
[0033] 3.3)重復(fù)步驟3.1)、3.2)直到所有諧波成分均被分解，此時(shí)令Cn(t) = MF2,即得 到包含各高頻信號(hào)的全部頂F分量&(t)、C2(t)-"Cn(t)。
[0034] 所述步驟4)中，所述幅度解調(diào)的過(guò)程為：
[0035]設(shè)包含一個(gè)占主導(dǎo)的高頻分量和一個(gè)低頻分量的IMF分量的組成為 尸(〇=也丨11(?>/ +灼)+價(jià)仏(《/ + %)，其中厶、8為幅值，〇1、(〇2為頻率且有〇2>〇1，的、6為相 位。對(duì)F⑴作HT變換，得到F H(t);相應(yīng)的解析信號(hào)為印) + = ^ ， 其中a(t)為瞬時(shí)幅值，0(t)為瞬時(shí)相位；
[0036]首先，根據(jù)包絡(luò)檢波的原理，由a(t)的局部極大值和局部極小值采用三次樣條擬 合法求出其上包絡(luò)Tmax及下包絡(luò)·^，得出高、低頻成分的幅值為
[0037]其次，解析信號(hào)的瞬時(shí)頻率ω (t)定義為
[0042] 由解析信號(hào)得出ω (t)的極大值時(shí)刻tmax和極小值時(shí)刻tmin，再結(jié)合上一步求出的 幅值A(chǔ)、B，計(jì)算出ω!、ω2、約.及?^&
[0043] 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：1、本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的電能質(zhì)量信號(hào)分析方法如 傅立葉變換、小波變換、EMD分解等存在依賴(lài)于數(shù)據(jù)窗、基函數(shù)或者存在模態(tài)混疊現(xiàn)象等問(wèn) 題;分辨率隨信號(hào)的特征變化，具有自適應(yīng)性，在時(shí)域還是頻域均具有良好的分辨率。2、該 方法可對(duì)暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中的暫態(tài)擾動(dòng)發(fā)生的起止時(shí)刻精確定位;提取出物理意義明確 的暫態(tài)信號(hào);得到暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的基波、諧波、間諧波的瞬時(shí)幅值、頻率、相位等 電氣參數(shù);從而對(duì)整個(gè)暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)進(jìn)行定量描述，有利于電能質(zhì)量治理，減少電能質(zhì) 量問(wèn)題造成的損害，具有工程實(shí)用價(jià)值;3、該方法能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)中各種典型的暫態(tài)電能 質(zhì)量信號(hào)，如電壓驟升、驟降、瞬變、諧波、暫態(tài)振蕩及暫態(tài)脈沖等快速準(zhǔn)確的分析;計(jì)算簡(jiǎn) 單，可用于實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析。
【附圖說(shuō)明】
[0044] 圖1為本發(fā)明的基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方法流程圖。
[0045] 圖2為本發(fā)明采用的高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0046] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0047] 參照?qǐng)D1和圖2,一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方法，包 括如下步驟：
[0048] 1).原始暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)預(yù)處理
[0049] 以在電力系統(tǒng)關(guān)鍵電氣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)作為輸入，首先對(duì)信 號(hào)進(jìn)行均一化預(yù)處理，其次，采用快速傅立葉變換FFT對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得出暫 態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的所有頻率；
[0050] 2).構(gòu)造高頻補(bǔ)償信號(hào)
[0051]以步驟1)中預(yù)處理后的信號(hào)為輸入，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法EMD進(jìn)行分解，得到基波 分量的固有模態(tài)函數(shù)MF分量，并將該頂F分量進(jìn)行HT變換求出基波的幅值、頻率及相位，其 次，結(jié)合步驟1)中暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的所有頻率及基波的幅值和相位構(gòu)造出相應(yīng)的 高頻補(bǔ)償信號(hào)；
[0052] 3).暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)頂F分量提取
[0053]以步驟1)中預(yù)處理后的信號(hào)為輸入，首先，減去步驟2)中得出的基波成分，并利用 高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分解，得出真實(shí)的頂F分量；
[0054] 4).暫態(tài)擾動(dòng)起止時(shí)刻定位
[0055]以步驟3)中真實(shí)頂F分量為輸入，其中，第一個(gè)MF分量為提取出的暫態(tài)信號(hào)，對(duì)該 MF分量進(jìn)行HT變換得出瞬時(shí)頻率，瞬時(shí)頻率的突變時(shí)刻即為暫態(tài)擾動(dòng)的起止時(shí)刻；
[0056] 5).暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)成分分析
[0057]以步驟3)中真實(shí)MF分量為輸入，首先，使用高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法分解出的 部分IMF分量中包含一個(gè)占主導(dǎo)的高頻分量和一個(gè)低頻分量，采用幅度解調(diào)方法進(jìn)行分解， 其次，IMF分量為單一成分的直接進(jìn)行HT變換，得出信號(hào)的瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)頻率和相位，最 后，將相同頻率的信號(hào)進(jìn)行合并，即可求出原始信號(hào)中的所有組成成分。
[0058] 進(jìn)一步，所述步驟1)中，暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)均一化預(yù)處理是用Decimal scaling標(biāo) 準(zhǔn)化方法將采集到的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)，即通過(guò)原始數(shù)據(jù)中的最大絕對(duì)值來(lái)決定移動(dòng)小數(shù) 點(diǎn)的位數(shù)，將待分析的數(shù)據(jù)均一化到[-1，1 ]區(qū)間。
[0059] 再進(jìn)一步，所述步驟2)中，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)方法是一種利用信號(hào)的局部特征 時(shí)間尺度，從原始信號(hào)中提取出若干階固有模態(tài)函數(shù)MF和一個(gè)殘余分量的分解方法;對(duì)原 始信號(hào)X (t)進(jìn)行EMD分解的步驟為：
[0060] 2.1)，根據(jù)信號(hào)x(t)的局部極大值和局部極小值求出其上、下包絡(luò)的平均值C1，將 X (t)與上、下包絡(luò)線(xiàn)均值C1的差記為P1，則有P1 = X (t) -C1;如果P1滿(mǎn)足MF分量的條件，則 P1就是x(t)的第1個(gè)MF分量列：I若不滿(mǎn)足，則將P1視作新的x(t)，重復(fù)前面的過(guò)程，直到 P1滿(mǎn)足頂F分量的條件為止；
[0061] 2.2)將供(1)從原始信號(hào)奴〇中分離出來(lái)，得到殘余分量信號(hào)41)-^(?)，(1)，然后 用r(l)代替信號(hào)x(t)，重復(fù)上述步驟，得到x(t)的頂F分量列；2)、<3)...<Kn)，直到第η階 的殘余函數(shù)r(n)成為單調(diào)函數(shù)，不能再篩分出IMF分量；
[0062] 2.3)對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行EMD分解后，得到的IMF分量和殘余分量在數(shù)學(xué)形式上表達(dá) 為，
[0064]其中，IMF分量供(/)代表信號(hào)從高到低不同頻率的成分，突出了數(shù)據(jù)的局部特征，而 r(n)代表信號(hào)的殘余分量，體現(xiàn)了信號(hào)中的緩慢變化量。
[0065]所述步驟2)中，HT(Hilbert)變換為計(jì)算MF分量的幅值、頻率和相位等電氣參數(shù) 的方法，過(guò)程如下：
[0066]設(shè)X(t)為一時(shí)間序列，其HT變換Y(t)定義為，
[0067]上式中P為柯西主值，通常取1;HT變換后得到的信號(hào)是一個(gè)與原始信號(hào)頻率獨(dú)立 的且有90度相移的正交信號(hào)，即X(t)和Y(t)組成了一個(gè)共輒復(fù)數(shù)對(duì)，相應(yīng)的解析信號(hào)Z(t) 為，2(1:)=父(1:)+」￥(1:)=€[(1：)6']0(1:)，其中，€[(1：)為瞬時(shí)幅值，
J(t)為瞬時(shí)
[0068]由此，瞬時(shí)頻率為，
[0070]所述步驟2)中，所述高頻補(bǔ)償諧波的構(gòu)造過(guò)程為:設(shè)步驟1)中采用快速傅立葉變 換(FFT)對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得出的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的頻率為&、&、~ fn，分別為基波和各高頻信號(hào)的頻率(f〇<fi<~<f n)，步驟b中用HT方法求出基波的瞬時(shí) 幅值、頻率和相位分別為Αο、辦及f 〇，則補(bǔ)償高頻信號(hào)為(0 = %，其中，fmk為 補(bǔ)償高頻信號(hào)的頻率且滿(mǎn)足fmk = 2 X fn-k，k = 1，2…(n-1)。
[0071 ]所述步驟3)中，所述高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法的步驟如下：，
[0072] 3.1)設(shè)步驟3)中減去基波成分后的信號(hào)為S(t)，對(duì)S(t)進(jìn)行高頻諧波補(bǔ)償?shù)玫絊 (tHMKt)，用標(biāo)準(zhǔn)EMD方法對(duì)補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行分解得到第一個(gè)IMF分量頂Fi，令(Mt) = MFrMi⑴，獲得剩余分量n (t) = S (t) -& (t);
[0073] 3.2)用剩余分量^(〇替換5(〇，同時(shí)依次用1辦）仏=2,3~11-1)替換施(〇，；
[0074] 3.3)重復(fù)步驟3.1)、3.2)直到所有諧波成分均被分解，此時(shí)令Cn(t) = MF2,即得 到包含各高頻信號(hào)的全部頂F分量&(t)、C2(t)-"Cn(t)。
[0075] 所述步驟4)中，所述幅度解調(diào)的過(guò)程為：
[0076] 設(shè)包含一個(gè)占主導(dǎo)的高頻分量和一個(gè)低頻分量的IMF分量的組成為 = + + + ，其中A、B為幅值，ω?Ν ω 2為頻率且有 ω2> confe、％為相 位。對(duì)F(t)作HT變換，得到FH(t);相應(yīng)的解析信號(hào)為沖= A~+ = α⑴， 其中a(t)為瞬時(shí)幅值，0(t)為瞬時(shí)相位；
[0077]首先，根據(jù)包絡(luò)檢波的原理，由a(t)的局部極大值和局部極小值采用三次樣條擬 合法求出其上包絡(luò)1，^及下包絡(luò)Tmin，得出尚、低頻成分的幅值為A = ( Tmax+Tmin)/2，B = ( Tmax_ Tmin)/2;
[0078]其次，解析信號(hào)的瞬時(shí)頻率ω (t)定義為
[0083] 由解析信號(hào)得出ω (t)的極大值時(shí)刻tmax和極小值時(shí)刻tmin，再結(jié)合上一步求出的 幅值A(chǔ)、B，計(jì)算出ω :、ω 2、約及爐2.
[0084] 本發(fā)明的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方法，是從變電站、關(guān)鍵電氣支路等地方采集原 始暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)作為待處理信號(hào)輸入，通過(guò)基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì) 量信號(hào)分析方法可以快速準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)，從而為電力系統(tǒng)中電能 質(zhì)量的分析和治理提供必要的決策，以保證電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。
[0085] 本實(shí)例以電力機(jī)車(chē)空載合閘時(shí)的合閘電流為例分析。本發(fā)明包括如下步驟：
[0086]步驟1，暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)預(yù)處理
[0087]本實(shí)例在電力機(jī)車(chē)牽引電源側(cè)采集到的實(shí)測(cè)電能質(zhì)量信號(hào)采樣頻率為20ΚΗζ，截 取用來(lái)進(jìn)行分析的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)U(t)采樣時(shí)間為0.7s，即采樣35個(gè)周波，采樣數(shù)據(jù)點(diǎn) 為14000個(gè)。
[0088]首先，對(duì)采集到的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)U(t)用Decimal scaling標(biāo)準(zhǔn)化方法將待分 析的數(shù)據(jù)均一化到[_1，1]區(qū)間，處理后的數(shù)據(jù)記為Uo(t)，其次，采用快速傅立葉變換(FFT) 對(duì)Uo( t)進(jìn)行變換，得出暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的所有頻率f 〇、f i、f r·· fn。
[0089] 步驟2,構(gòu)造高頻補(bǔ)償信號(hào)
[0090] 以步驟1中預(yù)處理后的數(shù)據(jù)Uo(t)作為輸入，根據(jù)信號(hào)Uo(t)的局部極大值和局部極 小值分別求出其局部上下包絡(luò)線(xiàn)V1、 V2,同時(shí)求出其平均值為vq=(V1+V2)/2,之后求出信號(hào) Uo(t)與VQ 差值 h = Uo(t)_vo。
[0091] 若差值h不滿(mǎn)足MF分量的條件，則將h視為新的Uo(t)，重復(fù)前面的過(guò)程，直到h滿(mǎn) 足頂F分量的條件。如果h滿(mǎn)足頂F分量的條件，則h = I! (t)，I! (t)就是Uo (t)的第一個(gè)頂F分 量。之后得出殘余分量信號(hào)⑴視為新的Uo(t)，重復(fù)以上過(guò)程依次 得至IjMF分量12(〇、13(〇 - 1"(〇，直到第11階的殘余函數(shù)1^(〇成為單調(diào)函數(shù)，不能再篩分 出IMF分量。
[0092] 其中，In( t)為基波的頂F分量，將In (t)經(jīng)HT變換得到IH( t)為，
[0094]其中，P為柯西主值，取P=1;得到相應(yīng)的解析信號(hào)W(t) = I(t)+jlH(t) = P(t)ej φ(?)。其中，iHt)為瞬時(shí)幅值，
；Φ (t)為瞬時(shí)相位
瞬時(shí)
。得出基波信號(hào)為G(t) =P〇sin(l〇t+<i) 〇)。
[0095] 用步驟1中得出的暫態(tài)信號(hào)諧波成分的頻率fhfyfn，及步驟2中得出的基波信號(hào) 的瞬時(shí)幅值β〇及相位Φ 0,構(gòu)造高頻補(bǔ)償信號(hào)為Sk(t) =0〇sin(23ifgkt+Φ 0)，其中，fgk為高頻 補(bǔ)償信號(hào)的頻率且同時(shí)滿(mǎn)足fgk = 2 Xfn-k和fgk>fn-k+1，k = 1，2···(n-1)。
[0096] 步驟3,暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)IMF分量提取
[0097] 首先，用步驟1中預(yù)處理得到的信號(hào)Uo(t)減去步驟2中得到的基波信號(hào)G(t)得信 號(hào)H(t)=Uo(t)-G(t)，然后疊加高頻補(bǔ)償信號(hào)S k(t)，對(duì)該信號(hào)用標(biāo)準(zhǔn)EMD方法進(jìn)行分解得到 第一個(gè)頂F分量頂F!，令L!(t) = MFi-Si(t)，獲得剩余分量ro(t) = H(t)七(t);
[0098] 其次，用剩余分量r〇(t)替換H(t)，同時(shí)依次用Sk(t)(k = 2,3…n-1)替換SKt)，重 復(fù)上面兩個(gè)過(guò)程直到所有諧波成分均被分解，此時(shí)令匕(〇 =頂F2,即得到包含各高頻補(bǔ)償 信號(hào)的全部頂F分量^⑴上⑴…匕⑴。
[0099]步驟4,暫態(tài)擾動(dòng)起止時(shí)刻定位
[0100] 以步驟3得出的高頻補(bǔ)償信號(hào)的IMF分量U (t)作為輸入，對(duì)其進(jìn)行HT變換，得出瞬 時(shí)頻率的突變時(shí)刻tQ1，tQ2即為暫態(tài)擾動(dòng)的起止時(shí)刻。
[0101] 步驟5,暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)成分分析
[0102] 以步驟3提取的高頻信號(hào)的全部MF分量LKthLdO - UU)為輸入，首先判斷每 個(gè)頂F分量中是否為單一頻率成分，如果是則直接用HT變換進(jìn)行分解，如果不是就用幅度解 調(diào)方法分解。
[0103]設(shè)其中包含一個(gè)占主導(dǎo)的高頻分量和一個(gè)低頻分量的信號(hào)為 沖)=如11(?/ +妁>+價(jià)1'11(￥ + %)，其中A、B為幅值，ω!、ω2為頻率且有ω2> ω!，的.、％為相 位。對(duì)F(t)ΗΤ變換，得到FH( t)。相應(yīng)的解析信號(hào)為沖)+7巧(〇 = ; +價(jià)^+~=?⑴， 其中a(t)為瞬時(shí)幅值，0(t)為瞬時(shí)相位。
[0104] 首先，由a(t)的局部極大值和局部極小值采用三次樣條擬合法求出其上包絡(luò)^及 下包絡(luò)τ2得出高、低頻成分的幅值為Α=( τι+τ2)/2，Β=(τι-τ2)/2。其次，由解析信號(hào)得出瞬
時(shí)頻率ω (t)的極大值時(shí)刻h和極小值時(shí)刻t2 合上一步求出的幅值A(chǔ)、B，即可計(jì)算出(^、(^、朽及約^再次"替相同頻率的信號(hào)進(jìn)行合并， 即可求出原始信號(hào)中的所有諧波組成成分。最后，進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，輸出暫態(tài)信號(hào)、暫態(tài)擾動(dòng) 起止時(shí)刻和暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的各諧波組成成分。
[0105] 最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。顯然，本發(fā)明 不限于以上實(shí)施例，還可以有許多變形。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開(kāi)的內(nèi)容直 接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方法，其特征在于:所述分 析方法包括如下步驟： 1) .原始暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)預(yù)處理 以在電力系統(tǒng)關(guān)鍵電氣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集到的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)作為輸入，首先對(duì)信號(hào)進(jìn) 行均一化預(yù)處理，其次，采用快速傅立葉變換FFT對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得出暫態(tài)電 能質(zhì)量信號(hào)中包含的所有頻率； 2) .構(gòu)造高頻補(bǔ)償信號(hào) 以步驟1)中預(yù)處理后的信號(hào)為輸入，采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法EMD進(jìn)行分解，得到基波分量 的固有模態(tài)函數(shù)MF分量，并將該MF分量進(jìn)行HT變換求出基波的幅值、頻率及相位，其次， 結(jié)合步驟1)中暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的所有頻率及基波的幅值和相位構(gòu)造出相應(yīng)的高 頻補(bǔ)償信號(hào)； 3) .暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)頂F分量提取 以步驟1)中預(yù)處理后的信號(hào)為輸入，首先，減去步驟2)中得出的基波成分，并利用高頻 諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法對(duì)該信號(hào)進(jìn)行分解，得出真實(shí)的頂F分量； 4) .暫態(tài)擾動(dòng)起止時(shí)刻定位 以步驟3)中真實(shí)MF分量為輸入，其中，第一個(gè)MF分量為提取出的暫態(tài)信號(hào)，對(duì)該MF 分量進(jìn)行HT變換得出瞬時(shí)頻率，瞬時(shí)頻率的突變時(shí)刻即為暫態(tài)擾動(dòng)的起止時(shí)刻； 5) .暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)成分分析 以步驟3)中真實(shí)IMF分量為輸入，首先，使用高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法分解出的部分 IMF分量中包含一個(gè)占主導(dǎo)的高頻分量和一個(gè)低頻分量，采用幅度解調(diào)方法進(jìn)行分解，其 次，MF分量為單一成分的直接進(jìn)行HT變換，得出信號(hào)的瞬時(shí)幅值、瞬時(shí)頻率和相位，最后， 將相同頻率的信號(hào)進(jìn)行合并，即可求出原始信號(hào)中的所有組成成分。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方法， 其特征在于:所述步驟1)中，暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)均一化預(yù)處理是用Decimal scaling標(biāo)準(zhǔn)化 方法將采集到的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)，即通過(guò)原始數(shù)據(jù)中的最大絕對(duì)值來(lái)決定移動(dòng)小數(shù)點(diǎn)的 位數(shù)，將待分析的數(shù)據(jù)均一化到[-1，1 ]區(qū)間。3. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方 法，其特征在于:所述步驟2)中，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法(EMD)方法是一種利用信號(hào)的局部特征時(shí) 間尺度，從原始信號(hào)中提取出若干階固有模態(tài)函數(shù)IMF和一個(gè)殘余分量的分解方法;對(duì)原始 信號(hào)x(t)進(jìn)行EMD分解的步驟為： 2.1) ，根據(jù)信號(hào)x(t)的局部極大值和局部極小值求出其上、下包絡(luò)的平均值C1，將x(t) 與上、下包絡(luò)線(xiàn)均值C1的差記為P1，則有P1 = x (t) -C1;如果P1滿(mǎn)足頂F分量的條件，則P1就 是x(t)的第1個(gè)MF分量若不滿(mǎn)足，則將P1視作新的x(t)，重復(fù)前面的過(guò)程，直到P1滿(mǎn) 足頂F分量的條件為止； 2.2) 將Kl)從原始信號(hào)x(t)中分離出來(lái)，得到殘余分量信號(hào)Kl) = x(/)，⑴，然后用r (1)代替信號(hào)x(t)，重復(fù)上述步驟，得到x(t)的MF分量<K2)、<K3)...<Kn)，直到第η階的殘 余函數(shù)r(n)成為單調(diào)函數(shù)，不能再篩分出IMF分量； 2.3) 對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行EMD分解后，得到的頂F分量和殘余分量在數(shù)學(xué)形式上表達(dá)為，其中，IMF分量f(〇代表信號(hào)從高到低不同頻率的成分，突出了數(shù)據(jù)的局部特征，而r(n) 代表信號(hào)的殘余分量，體現(xiàn)了信號(hào)中的緩慢變化量。4. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方 法，其特征在于:所述步驟2)中，HT (Hi lbert)變換為計(jì)算MF分量的幅值、頻率和相位等電 氣參數(shù)的方法，過(guò)程如下： 設(shè)X(t)為一時(shí)間序列，其HT變換Y(t)定義為，上式中P為柯西主值，通常取1;HT變換后得到的信號(hào)是一個(gè)與原始信號(hào)頻率獨(dú)立的且 有90度相移的正交信號(hào)，即X(t)和Y(t)組成了一個(gè)共輒復(fù)數(shù)對(duì)，相應(yīng)的解析信號(hào)Z(t)為，Z (t) =X(t)+jY(t)=a(t)ej0(t)，其中，a(t)為瞬時(shí)幅值：Q(t)為瞬時(shí)相 位，印__) = .arctaii(·^^) 由此，瞬時(shí)頻率為，5. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方 法，其特征在于:所述步驟2)中，所述高頻補(bǔ)償諧波的構(gòu)造過(guò)程為:設(shè)步驟1)中采用快速傅 立葉變換(FFT)對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行變換，得出的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)中包含的頻率為f〇、 ^、…匕，分別為基波和各高頻信號(hào)的頻率(&<&<... <fn)，步驟b中用HT方法求出基波的 瞬時(shí)幅值、頻率和相位分別為A 〇、你及f 〇，則補(bǔ)償高頻信號(hào)為馬W = 4 s in(-X/;,# + %)，其中，fmk 為補(bǔ)償高頻信號(hào)的頻率且滿(mǎn)足€* = 2\匕-1{汰=1，2...(11-1)。6. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方 法，其特征在于:所述步驟3)中，所述高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD方法的步驟如下： 3.1) 設(shè)步驟3)中減去基波成分后的信號(hào)為S(t)，對(duì)S(t)進(jìn)行高頻諧波補(bǔ)償?shù)玫絊(t)+Mi (t)，用標(biāo)準(zhǔn)EMD方法對(duì)補(bǔ)償后的信號(hào)進(jìn)行分解得到第一個(gè)頂F分量頂F!，令 (七），獲得剩余分量1"1(1:) = 5(1:)-(：1(1:); 3.2) 用剩余分量。(〇替換5(〇，同時(shí)依次用1!^)仏=2,3...11-1)替換施(〇; 3.3) 重復(fù)步驟3.1)、3.2)直到所有諧波成分均被分解，此時(shí)令以〇 =頂F2，即得到包含 各高頻信號(hào)的全部頂F分量(Mt)、C2(t). . .Cn(t)。7. 如權(quán)利要求1或2所述的一種基于高頻諧波補(bǔ)償?shù)鶨MD的暫態(tài)電能質(zhì)量信號(hào)分析方 法，其特征在于:所述步驟4)中，所述幅度解調(diào)的過(guò)程為： 設(shè)包含一個(gè)占主導(dǎo)的高頻分量和一個(gè)低頻分量的I M F分量的組成為 .F的=顏η(?/ + ρ}.) + ??.8?ι(〇?/+ρ5)、，其中Α、Β為幅值，ω?Ν ω2為頻率且有ω2> 、灼為相 位，對(duì)F (t)作ΗΤ變換，得到Fh(t);相應(yīng)的解析信號(hào)為F:(t>+ /?齡=~ 1 = ， 其中a(t)為瞬時(shí)幅值，0(t)為瞬時(shí)相位； 首先，根據(jù)包絡(luò)檢波的原理，由a(t)的局部極大值和局部極小值采用三次樣條擬合法 求出其上包絡(luò)Tmax及下包絡(luò)!：!^，得出高、低頻成分的幅值為A = (Tmax+Tmin)/2，B = (Tmax- Tmin)/2; 其次，解析信號(hào)的瞬時(shí)頻率ω (t )定義為當(dāng)奶-辦))=±1時(shí)，ω⑴分別取得最大值和最小值，即 郵順）=岣，tmax為ω (t)的極大值時(shí)刻； ?(")=砷，t證為ω (t)的極小值時(shí)亥IJ; 由解析信號(hào)得出ω (t)的極大值時(shí)刻tmax和極小值時(shí)刻tmin，再結(jié)合上一步求出的幅值 A、B，計(jì)算出ω!、ω〗、約及識(shí)2°
【文檔編號(hào)】G01R31/00GK105866571SQ201610178987
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年3月25日
【發(fā)明人】潘國(guó)兵, 歐陽(yáng)靜, 普帥帥, 徐紅偉, 陳金鑫, 毛濤濤, 吳雄增
【申請(qǐng)人】浙江工業(yè)大學(xué)