CN104808035A - 一种基于广义双曲s变换的电压暂降检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于广义双曲S变换的电压暂降检测方法，包括以下步骤：(1)被测电压信号采样；(2)对采样信号进行广义双曲S变换；(3)根据S模矩阵，求取基频电压幅值；(4)将基频电压幅值与设定的电压暂降阈值进行比较，判断是否发生电压暂降；(5)若发生电压暂降，则提取特征量，对电压暂降的起止时刻、相位跳变进行检测分析。与现有的检测方法相比，由于本发明采用的是广义双曲S变换，对原始的双曲窗函数进行了改进，引入了窗宽调整因子和窗宽变化率调整因子，因此可以灵活调整时频分辨率，降低检测信号对噪声的敏感度，能够精确检测出电压暂降的幅值、起止时刻以及相位跳变。本发明在电力系统故障检测中具有广泛的应用前景。

Description

一种基于广义双曲S变换的电压暂降检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于广义双曲S变换的电压暂降检测方法，属于电能质量信号分析与处理领域。

背景技术

近年来，随着电力工业和高新技术的发展，各种高度自动化与智能化的现代工业设备广泛应用于电力系统中，它们对高质量电能供应的依赖性越来越大，即使几个周期的供电中断或电压跌落都将影响这些敏感设备的正常工作。在各种电能质量问题中，电压暂降是敏感设备异常工作的主要因素。一般认为，70％以上的电能质量问题是由电压暂降引起的。电压暂降可能导致计算机程序紊乱、生产过程停止、调速装置失灵及保护设备误动作等，不仅造成用户的经济损失，还可能导致重大人身伤亡事故。因此，仅仅考虑谐波、三相不平衡、电压偏差等传统电能质量指标的检测已经不能满足现代电力用户的要求，对电压暂降的检测已成为电能质量研究领域的重要问题。

目前，国内外已有较多的方法可用来实现电压暂降的检测。传统的均方根值法、dq变换法虽然能够较快的跟踪电压幅值的变化，但无法实现电压暂降起止时刻的精确定位；离散小波变换可以对暂降扰动进行定位，但很难从小波系数中提取到暂降幅值的特征；短时傅里叶变换存在需要对窗口类型进行选择以及窗宽固定的缺陷；S变换是小波变换和短时傅里叶变换的发展，不仅克服了两者的缺陷，而且变换过程无损可逆，双曲S变换对S变换进行了一定的改进，它的窗函数是不对称的，在高频部分具有更高的分辨率，但是仍存在时频分辨率变化模式固定，容易受噪声影响的缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种时频分辨率变化模式可调，不易受噪声影响的电压暂降检测方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于广义双曲S变换的电压暂降检测方法，其步骤如下：(1)将电压信号输入电力系统分析仪中进行采样，得到被测电压采样信号U(kT)；(2)对步骤(1)中所得到的电压采样信号进行广义双曲S变换，得到S变换复数矩阵；(3)对步骤(2)中S变换复数矩阵中的每个元素求模，得到S模矩阵，根据S模矩阵求取基频电压幅值U；(4)选取0.9U_N为电压暂降的阈值，将基频电压幅值U与暂降阈值0.9U_N进行比较。若U大于或等于0.9U_N，则没有发生电压暂降；若U小于0.9U_N，则发生了电压暂降；(5)发生电压暂降后，可继续由步骤(2)得到的S变换复数矩阵提取特征量，对电压暂降的起止时刻、相位跳变进行检测分析。

所述步骤(2)中，所述广义双曲S变换采用的窗函数为广义的双曲窗函数，其表达式为

$W_{\mathrm{hy}}=\frac{2\mathrm{\μ}{\left|f\right|}^{\mathrm{\γ}}}{\sqrt{2\mathrm{\π}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}}\exp \left\{\frac{-{\left(\mathrm{\μ}{\left|f\right|}^{\mathrm{\γ}}\right)}^2{X}^2}{2}\right\}$

$X=\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2\mathrm{\α\β}}t+\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{2\mathrm{\α\β}}\sqrt{t^2+{\mathrm{\λ}}^2}$

其中，α、β分别为前向锥度、后向锥度；λ为窗函数的曲率，与时间同量纲；μ为窗宽调整因子，表征广义双曲S变换窗宽的选择模式；γ为窗宽变化率调整因子，表征窗口宽度的变化速率；通过改变参数μ和γ，可灵活调整广义双曲S变换的时频分辨率及其变化模式。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明由于采用广义双曲S变换，避免了窗口的选择，改善了窗函数固定的缺陷，时频表示中的各频率分量与原始信号保持着直接的相位关系，使得在电压暂降检测分析中可以提取大量的特征量，精确地检测电压暂降的幅值、起止时刻以及相位跳变；2、本发明由于采用的窗函数是广义双曲窗函数，在高频时，时间域的窗函数很窄，时间分辨率很高，由于窗函数的不对称性，提高了频率分辨率。同时，由于对原始的双曲窗函数进行了改进，引入了窗宽调整因子和窗宽变化率调整因子，因此可以灵活地调整时频分辨率及其变化模式，降低检测信号对噪声的敏感度。本发明可广泛应用于电力系统的电压暂降检测中。

附图说明

图1是本发明的电压暂降检测流程图；

图2是本发明的广义双曲S变换的计算流程图；

图3是本发明的电压暂降检测波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的阐述。

如图1所示，本发明的电压暂降检测方法其步骤如下：

(1)将电压信号输入电力系统分析仪中进行采样，得到被测电压采样信号U(kT)；

(2)对步骤(1)中所得到的电压采样信号进行广义双曲S变换，广义双曲S变换的离散化形式为

$\left\{\begin{array}{c}S[\mathrm{jT},\frac{n}{\mathrm{NT}}]=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}H\left[\frac{m+n}{\mathrm{NT}}\right]G(m,n)\exp \left(i2\mathrm{\πmj}\right),n\≠0\\ S[\mathrm{jT},0]=\frac{1}{N}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}H\left[\frac{m}{\mathrm{NT}}\right],n=0\end{array}\right.$

式中，j、m、n取值分别为0，1，...，N-1，T为采样时间。

其窗函数的表达式为

$G(m,n)=\frac{2\mathrm{\μ}{\left|f\right|}^{\mathrm{\γ}}}{\sqrt{2\mathrm{\π}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}}\exp \left\{\frac{-{\left(\mathrm{\μ}{\left|f\right|}^{\mathrm{\γ}}\right)}^2{X}^2}{2n^2}\right\}$

$X=\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2\mathrm{\α\β}}t+\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{2\mathrm{\α\β}}\sqrt{t^2+{\mathrm{\λ}}^2}$

其中，α、β分别为前向锥度、后向锥度；λ为窗函数的曲率，与时间同量纲；μ为窗宽调整因子，表征广义双曲S变换窗宽的选择模式；γ为窗宽变化率调整因子，表征窗口宽度的变化速率；通过改变参数μ和γ，可灵活调整广义双曲S变换的时频分辨率及其变化模式。

离散形式的广义双曲S变换在具体实现时可以借助于快速傅里叶算法和卷积定理，因此十分快捷。如图2所示，其具体实现步骤如下：

1)计算采样电压信号快速傅里叶变换

2)计算各频率下广义双曲窗函数的快速傅里叶变换G_HS(m，n)；

3)对于频率n，平移频谱到

4)按频率、采样点计算 $B(m,n)=U\left(\frac{m+n}{\mathrm{NT}}\right)*G_{\mathrm{HS}}(m,n);$

5)计算B(m，n)的快速傅里叶反变换得到S变换谱

经过如上广义双曲S变换，得到S变换复数矩阵；

(3)对步骤(2)中S变换复数矩阵中的每个元素求模，得到S模矩阵，根据S模矩阵求取基频电压幅值U；

(4)选取0.9U_N为电压暂降的阈值，将基频电压幅值U与暂降阈值0.9U_N进行比较。若U大于或等于0.9U_N，则没有发生电压暂降；若U小于0.9U_N，则发生了电压暂降，检测的电压暂降波形如图3所示；

(5)发生电压暂降后，可继续由步骤(2)得到的S变换复数矩阵提取特征量，对电压暂降的起止时刻、相位跳变进行检测分析；起止时刻可由基频斜率曲线上的极值点定位，相位跳变可由S变换复数矩阵中基频对应的相位序列反应。

由此可见，通过灵活调整时频分辨率及其变化模式，并对广义双曲S变换的特征量进行有效提取和运算，能够精确地检测出电压暂降的幅值、起止时刻以及相位跳变。

上述实施例仅为本发明的应用，并非用于限定本发明的实施范围。凡基于本发明技术方案上的变换和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种基于广义双曲S变换的电压暂降检测方法，其步骤如下：

(1)将电压信号输入电力系统分析仪中进行采样，得到被测电压采样信号U(kT)；

(2)对步骤(1)中所得到的电压采样信号进行广义双曲S变换，得到S变换复数矩阵；

(3)对步骤(2)得到的S变换复数矩阵中的每个元素求模，得到S模矩阵，根据S模矩阵求取基频电压幅值U；

(4)选取0.9U_N为电压暂降的阈值，将基频电压幅值U与暂降阈值0.9U_N进行比较。若U大于或等于0.9U_N，则没有发生电压暂降；若U小于0.9U_N，则发生了电压暂降；

(5)发生暂降后，可继续由步骤(2)得到的S变换复数矩阵提取特征量，对电压暂降的起止时刻、相位跳变进行检测分析。

2.如权利要求1所述的一种基于广义双曲S变换的电压暂降检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述广义双曲S变换采用的窗函数为广义的双曲窗函数，其表达式为：

$W_{\mathrm{hy}}=\frac{2\mathrm{\μ}{\left|f\right|}^{\mathrm{\γ}}}{\sqrt{2\mathrm{\π}(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})}}\exp \left\{\frac{-{\left(\mathrm{\μ}{\left|f\right|}^{\mathrm{\γ}}\right)}^2{X}^2}{2}\right\}$

$X=\frac{\mathrm{\α}+\mathrm{\β}}{2\mathrm{\α\β}}t+\frac{\mathrm{\α}-\mathrm{\β}}{2\mathrm{\α\β}}\sqrt{t^2+{\mathrm{\λ}}^2}$

式中，α、β分别为前向锥度、后向锥度；λ是窗函数的曲率，与时间同量纲；μ为窗宽调整因子；γ是窗宽变化率调整因子。

3.如权利要求1或2所述的一种基于广义双曲S变换的电压暂降检测方法，其特征在于：广义双曲窗函数是非对称可调的，通过改变参数μ和γ，可灵活调整广义双曲S变换的时频分辨率及其变化模式，且能够有效降低检测信号对噪声的敏感程度。