CN106771594A - 一种电力系统的次/超同步谐波检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力系统的次/超同步谐波检测方法，包括：提取并分离工频分量；根据模态混叠条件进行分组；提取含有最高频率谐波分量的分组信号并判断是否发生模态混叠；发生模态混叠时进行频移调制，经验模态分解得到该组所含的各次/超同步谐波对应的固有模态函数；进行幅值相位和频率补偿；希尔伯特变换得到该组次/超同步谐波的瞬时频率和幅值；分离该组次/超同步谐波；重复上述步骤直至分离所有分组。本发明具有如下优点：基于信号调制的频移方法，通过增大两个次/超同步谐波分量的频率比，扩展经验模态分解的信号分解范围，适用于电力系统次/超同步谐波的实时精确检测。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统动态监测与电能质量技术领域，具体涉及一种电力系统的次/超同步谐波检测方法。
背景技术
近年来，风电、光伏等新型可再生能源发电迅速扩展，其渗透率不断提高，由风电机组控制器与交流电网之间的相互作用引起的次同步振荡问题日益凸显，影响电网和设备的安全运行，甚至造成严重的稳定性事故或设备损伤，危害极大。
次同步振荡在电网中主要表现为幅值较大的持续增长(发散)或恒幅的次同步和/或超同步电流、电压和功率谐波，准确检测次/超同步谐波的幅值、频率等特征参数，有助于深入分析电力系统次同步振荡特性，从而有效抑制振荡，保障机组及电力系统稳定运行。
电力系统次/超同步谐波具有非线性、非平稳性特性，而传统的傅里叶方法不能准确得到振荡模式的时变特性，因此难以有效检测次/超同步谐波。1998年，美国宇航局Norden E.Huang等人提出了针对非线性、非平稳信号的自适应分析方法——希尔伯特·黄变换(Hilbert-Huang Transform，HHT)，HHT分为两步，第一步为经验模态分解(EmpiricalMode Decomposition,EMD)，第二步为希尔伯特变换。其中EMD是HHT的核心部分，将信号中多个组成分量分解成一系列固有模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)，使得每一瞬间每一个IMF只有一个频率，然后经过希尔伯特变换得到有实际物理意义的每一个IMF的瞬时幅值和瞬时频率。但EMD方法应用中存在端点效应、模态混叠等问题，尤其是当信号中两个组成分量的频率在2倍频内时，EMD无法将两者分解开，产生模态混叠现象，降低了频率分辨率。由于次/超同步谐波与基波或者次/超同步谐波之间的频率接近2倍频或在2倍频内，因此这个缺点制约了HHT在次/超同步谐波检测中的应用。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种电力系统的次/超同步谐波检测方法，解决模态混叠问题。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种电力系统的次/超同步谐波检测方法，包括以下步骤：S1：假设实测信号包含工频分量和多个次/超同步谐波分量，如果工频分量幅值超过频率与其相近的次/超同步谐波幅值预设倍数时，将所述工频分量从原信号中提取并分离；S2：通过对所述实测信号进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，得到所述实测信号所含的各次/超同步谐波的大致频率，将频率比小于频率比阈值的两个谐波分量分为一组，直接进行EMD会发生混叠，将剩余谐波分量根据各自频率所在区间进行分组；从而将所述实测信号所含的次/超同步谐波分量全部进行分组；S3：提取含有所述实测信号未分离部分最高频率谐波分量的分组信号，根据预设混叠设定条件判断所述分组信号是否使用信号频移方法进行调制；S4：如果所述分组信号不需要调制，EMD得到所述分组所含的各次/超同步谐波对应的IMF，如果所述分组信号需要调制，则对经过调制的信号进行EMD，得到所述分组所含的各次/超同步谐波经过调制后对应的IMF；S5：对所有IMF的幅值、相位和频率根据预设补偿条件进行补偿；S6：对补偿后的函数进行希尔伯特变换得到所述分组所含的各次/超同步谐波的瞬时频率和瞬时幅值；S7：将所述分组信号从所述实测信号中分离；S8：重复S3-S7，直至将所述实测信号中全部分组进行分离。
根据本发明实施例的电力系统的次/超同步谐波检测方法，通过增大两个次/超同步谐波分量的频率比，扩展EMD的信号分解范围，适用于电力系统次/超同步谐波的实时精确检测
另外，根据本发明上述实施例的电力系统的次/超同步谐波检测方法，还可以具有如下附加的技术特征：
进一步地，在步骤S2中，通过以下步骤对所述实测信号所含的次/超同步谐波分量进行分组：将所述实测信号所含的次/超同步谐波分量按照频率的高低进行降序排列，计算两个相邻谐波分量的频率比；将频率比小于预设频率比阈值的两个谐波分量分为一组，对得到的多个分组按照组成分量频率的高低进行降序排列；将频率位于两个相邻分组所含谐波频率之间的剩余谐波分量分为一组。
进一步地，在步骤S3中，使用高通滤波器得到含有最高频率谐波分量的分组信号。
进一步地，在步骤S4中，在得到所述多个IMF之后还包括：筛除包含混叠频率的IMF。
进一步地，所述预设倍数为5倍。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的电力系统的次/超同步谐波检测方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
以下结合附图描述本发明。
图1是本发明一个实施例的电力系统的次/超同步谐波检测方法的流程图。如图1所示，一种电力系统的次/超同步谐波检测方法，包括以下步骤：
S1：假设实测信号包含工频分量和多个次/超同步谐波分量，如果工频分量幅值超过频率与其相近的次/超同步谐波幅值预设倍数时，将所述工频分量从原信号中提取并分离。
具体地，实测信号s(t)中，如果工频分量幅值是频率与其相近的次/超同步谐波幅值的5倍以上，为了避免工频分量对该次/超同步谐波的特征参数提取产生干扰，将工频分量从原信号中提取并分离，具体过程如下：
首先使用带通滤波器获得所述工频分量，经过EMD得到相应的IMF，记为g(t)，进行幅值相位补偿后，通过希尔伯特变换得到所述工频分量的瞬时幅值和瞬时频率，再将所述工频分量从实测信号中分离。
S2：通过对所述分离出工频分量的实测信号进行FFT，得到所述实测信号所含的各次/超同步谐波的大致频率，将频率比小于频率比阈值的两个谐波分量分为一组，直接进行EMD会发生混叠，将剩余谐波分量根据各自频率所在区间进行分组；从而将所述实测信号所含的次/超同步谐波分量全部进行分组。
具体地，假设s(t)中含有N个次/超同步谐波分量，根据预设的频率分辨率，选择相应的数据窗长对s(t)进行FFT计算，得到N个次/超同步谐波分量的大致频率值fn(n＝1,2,…,N),其中f1>f2>f3>…>fN，将N个次/超同步谐波分量按照频率的高低进行降序排列，计算两个相邻谐波分量的频率比mn,mn＝fn/fn+1(n＝1,2,…,N-1)；根据混叠现象的产生条件，将所述实测信号所含的次/超同步谐波分量进行分组，具体过程如下：将mn(1≤n≤N-1)依次与2进行比较，若mn≤2，则将频率为fn和fn+1的组成分量分为一组，若此时mn+1≤2同时成立，由于每个次/超同步谐波分量都唯一存在于某一分组中，不再将频率为fn+1和fn+2的组成分量分为一组，而继续根据mn+2的大小考虑是否将频率为fn+2和fn+3的组成分量分为一组；假设共得到K个组，按照每组所含组成分量的频率高低，依次记为Hi(i＝1,2,…,K)；
将剩余谐波分量根据各自频率所在区间进行分组，将频率高于H1中频率最高谐波分量的剩余谐波分量分为一组；将频率低于Hi(1≤i≤K-1)中频率最低谐波分量且高于Hi+1(1≤i≤K-1)中频率最高谐波分量的剩余谐波分量分为一组；将频率低于HK中频率最低谐波分量的剩余谐波分量分为一组；假设共得到J个组，按照每组所含组成分量的频率高低，依次记为Wi(i＝1,2,…,J)。
至此，将实测信号所含的次/超同步谐波分量全部进行分组，其中，Hi(i＝1,2,…,K)分别由直接进行EMD会发生混叠的两个谐波分量组成，Wi(i＝1,2,…,J)分别由直接进行EMD互不发生混叠的若干个谐波分量组成。
S3：分离出含有实测信号未分离部分最高频率谐波分量的一组信号，根据预设混叠设定条件判断所述分组信号是否使用信号频移方法进行调制。
具体地，使用高通滤波器，得到含有最高频率谐波分量的分组信号，若该组为发生混叠的谐波分量组成的分组Hi，首先使用信号频移方法，将该组信号进行调制，具体过程如下：
将Hi中包含的两个次/超同步谐波频率分别记为fa和fb，其中fa>fb，设置调制信号为mi(t)＝Asin(2πfmit)，其中频率fmi需要满足2fb-fa<fmi<fb，幅值A为任意大于零的实数；
设调制后信号为li(t),li(t)＝Hi(t)mi(t),li(t)包含四个频率fa-fmi,fb-fmi,fa+fmi,fb+fmi，其中fa-fmi,fb-fmi为Hi的两个组成分量经过频移过程对应的新的频率，满足两个组成分量直接进行EMD不发生混叠的条件。
S4：如果所述分组信号不需要调制，EMD得到所述分组所含的各次/超同步谐波的IMF，如果所述分组需要调制，则对经过调制的信号进行EMD，得到所述分组所含的各次/超同步谐波经过调制后对应的IMF。
具体地，若该组次/超同步谐波不需要调制，直接进行EMD，若该组次/超同步谐波需要调制，则将调制后的信号进行EMD。在得到的若干个IMF中，经过筛选去除无效的包含混叠频率的IMF，得到该组各次/超同步谐波分别对应的仅含单一频率的IMF，记为fm(t)(m＝1,2,…)。
S5：对所有IMF的幅值、相位和频率根据预设补偿条件进行补偿。
具体地，将fm(t)(m＝1,2,…)进行幅值、相位和频率补偿，具体步骤如下：
若该组次/超同步谐波经过调制过程，则得到的fm(t)(m＝1,2)的幅值为对应的次/超同步谐波幅值与调制信号幅值A的乘积的一半，fm(t)的频率为对应的次/超同步谐波频率fm与调制信号频率fmi之差，因此根据设置的调制信号依次进行幅值补偿和频率补偿；
计算该组次/超同步谐波在步骤(3)的滤波环节中在各自频率fm(m＝1,2,…)上的幅频响应αm和相频响应将fm(t)的幅值除以αm，相位减去将补偿后的函数记为hm(t)(m＝1,2,…)。
S6：对补偿后的函数进行希尔伯特变换得到所述分组所含的各次/超同步谐波的瞬时频率和瞬时幅值。
具体地，将hm(t)(m＝1,2,…)进行希尔伯特变换，得到该组所含的次/超同步谐波的瞬时频率和瞬时幅值
S7：将所述分组信号从所述实测信号中分离。
具体地，从原信号中分离出该组次/超同步谐波，s(t)＝s(t)-∑hm(t)。
S8：重复S3-S7，直至将所述实测信号中全部分组进行分离。
另外，本发明实施例的电力系统的次/超同步谐波检测方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。
Claims (5)
1.一种电力系统的次/超同步谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：假设实测信号包含工频分量和多个次/超同步谐波分量，如果工频分量幅值超过频率与其相近的次/超同步谐波幅值预设倍数时，将所述工频分量从原信号中提取并分离；
S2：通过对所述实测信号进行快速傅里叶变换，得到所述实测信号所含的各次/超同步谐波的大致频率，将频率比小于频率比阈值的两个谐波分量分为一组，直接进行经验模态分解会发生混叠，将剩余谐波分量根据各自频率所在区间进行分组；从而将所述实测信号所含的次/超同步谐波分量全部进行分组；
S3：提取含有所述实测信号未分离部分最高频率谐波分量的分组信号，根据预设混叠设定条件判断所述分组信号是否使用信号频移方法进行调制；
S4：如果所述分组信号不需要调制，经验模态分解得到所述分组所含的各次/超同步谐波对应的IMF，如果所述分组信号需要调制，则对经过调制的信号进行经验模态分解，得到所述分组所含的各次/超同步谐波经过调制后对应的固有模态函数；
S5：对所有固有模态函数的幅值、相位和频率根据预设补偿条件进行补偿；
S6：对补偿后的函数进行希尔伯特变换得到所述分组所含的各次/超同步谐波的瞬时频率和瞬时幅值；
S7：将所述分组信号从所述实测信号中分离；
S8：重复S3-S7，直至将所述实测信号中全部分组进行分离。
2.根据权利要求1所述的电力系统的次/超同步谐波检测方法，其特征在于，在步骤S2中，通过以下步骤对所述实测信号所含的次/超同步谐波分量进行分组：
将所述实测信号所含的次/超同步谐波分量按照频率的高低进行降序排列，计算两个相邻谐波分量的频率比；将频率比小于预设频率比阈值的两个谐波分量分为一组，对得到的多个分组按照组成分量频率的高低进行降序排列；
将频率位于两个相邻分组所含谐波频率之间的剩余谐波分量分为一组。
3.根据权利要求1所述的电力系统的次/超同步谐波检测方法，其特征在于，在步骤S3中，使用高通滤波器得到含有最高频率谐波分量的分组信号。
4.根据权利要求1所述的电力系统的次/超同步谐波检测方法，其特征在于，在步骤S4中，在得到所述多个固有模态函数之后还包括：
筛除包含混叠频率的固有模态函数。
5.根据权利要求1所述的电力系统的次/超同步谐波检测方法，其特征在于，所述预设倍数为5倍。
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