CN112730982A - 一种混合直流输电系统的谐波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种混合直流输电系统的谐波检测方法，包括步骤：S1、利用S变换处理原始信号，从而得到变换后的模时频矩阵；S2、对模时频矩阵中频段信号的能量进行计算；S3、设定频段信号的能量阈值，若频段信号的能量大于阈值，则进入步骤S4，否则为谐波、简谐波不超标；S4、对频段信号进行谐波特性判别，若为暂态信号，则进入步骤S5，否则为稳态信号，进入步骤S6；S5、对暂态信号采用希尔伯特‑黄变换HHT进行计算；S6、对稳态信号采用加窗插值快速傅里叶变换FFT计算；S7、获取采样时间段内的谐波检测结果。本发明用于混合直流输电系统的谐波检测计算，具有自动判别信号内所含谐波特性，计算精度高，实用性好的特点。

Description

一种混合直流输电系统的谐波检测方法

技术领域

本发明涉及电力系统谐波测量领域，尤其涉及一种混合直流输电系统的谐波检测方法。

背景技术

随着电力需求的不断增长、光伏和风能等新能源的快速发展以及直流输电技术的不断进步，特高压直流输电得到了广泛关注和极大的发展。

随着电力系统中直流输电系统的加入，让交、直流输电并存成为常态，但其中运用了大量电力电子变换器件，它们在工作过程中会产生大量谐波、间谐波，其不仅将谐波污染引入了电力系统，而且增加了系统结构的复杂性，导致谐波及其分布计算的难度增加。并且谐波的存在将导致系统的元件损耗增加、设备工作异常、电网相关保护误动，甚至引发设备故障和电网事故，因此，对现有的混合直流输电系统中的谐波进行检测研究势在必行。但是由于现有的谐波治理都建立在稳态谐波分量检测的基础上，降低了谐波治理的效果，因此，研究暂态信号的谐波与间谐波的高精度测量方法具有重要的现实意义。

现有的谐波的检测方法主要分为小波变换、prony算法、快速傅里叶变换(FFT)、希尔伯特-黄变换(HHT)等。小波变换虽具有时频局部性的特点，能识别暂态信号，但是由于频带混叠现象、小波基函数难以选取的问题，难以得到广泛应用。prony算法具有很高的频率分辨率，但是其无法识别突变信号且对噪声极其敏感，稳定性差。快速傅里叶变换(FFT)实现简单，稳定性和实用性好，并能够通过加窗插值等方法抑制频谱泄漏和栅栏效应，在谐波检测中应用最为广泛。但是快速傅里叶变换(FFT)是对一定时间窗内的信号进行卷积，获取的结果可以近似为该时间段的一种平均结果，对幅值、频率突变信号的检测效果较差。希尔伯特-黄变换(HHT)是一种完全自适应的时频分析方法，可以分析非线性、非平稳信号，适合于暂态信号的检测。但是，希尔伯特-黄变换(HHT)相比于加窗插值快速傅里叶变换(FFT)，对稳态信号的检测精度较低，影响部分稳态信号的测量精度，无法达到最优的谐波检测效果。

发明内容

为解决现有技术所存在的技术问题，本发明提供一种混合直流输电系统的谐波检测方法，通过对暂态信号采用希尔伯特-黄变换HHT进行计算，对稳态信号采用加窗插值快速傅里叶变换FFT计算，从而得到采样时间段内的谐波检测结果，且对两种信号都能取得较高的检测精度。

本发明采用以下技术方案来实现：一种混合直流输电系统的谐波检测方法，包括以下步骤：

S1、利用S变换处理原始信号，从而得到变换后的模时频矩阵；

S2、对模时频矩阵中频段信号的能量进行计算；

S3、设定频段信号的能量阈值，若频段信号的能量大于阈值，则进入步骤S4，否则为谐波、简谐波不超标；

S4、对频段信号进行谐波特性判别，若为暂态信号，则进入步骤S5，否则为稳态信号，进入步骤S6；

S5、对暂态信号采用希尔伯特-黄变换HHT进行计算；

S6、对稳态信号采用加窗插值快速傅里叶变换FFT计算；

S7、获取采样时间段内的谐波检测结果。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明通过对暂态信号采用希尔伯特-黄变换HHT进行计算，对稳态信号采用加窗插值快速傅里叶变换FFT计算，从而得到采样时间段内的谐波检测结果，可用于混合直流输电系统的谐波检测计算，具有自动判别信号内所含谐波特性，计算精度高，实用性好。

附图说明

图1是本发明的谐波检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本发明一种混合直流输电系统的谐波检测方法，主要包括以下步骤：

S1、利用S变换处理原始信号，从而得到变换后的模时频矩阵。

利用S变换将一维信号映射到二维时频域中，获取信号频率与时间之间的关系，可处理非平稳信号，且不易受到噪声的影响。S变换定义为：

其中，S为信号的S变换，τ为控制参数即控制高斯窗函数在时间轴上的位置，f为频率，g(t)为高斯窗函数，t为时间，j为虚数。

S2、对模时频矩阵中频段信号的能量进行计算。

S3、设定频段信号的能量阈值，若频段信号的能量大于阈值，则进入步骤S4，否则为谐波、简谐波不超标。

频段信号的能量阈值可以根据实际工程需求进行设定，当计算获得频段信号的能量大于阈值时，即认为该频段信号为所关注频段信号。

S4、对频段信号进行谐波特性判别，若为暂态信号，则进入步骤S5，否则为稳态信号，进入步骤S6。

谐波特性判别方法是通过遍历搜索、计算该频段信号内每个时间采样点的数据，若相邻时间采样点的数据偏差超过该频段能量值的5％，则认为该频段信号发生突变，为暂态信号，否则，为稳态信号。

S5、对暂态信号采用希尔伯特-黄变换HHT进行计算。

对暂态信号利用希尔伯特-黄变换HHT进行计算，首先对暂态信号进行经验模态分解EMD，从而获取M个固有模态分量，每个固有模态分量近似为单频率分量，可进行希尔伯特变换。

暂态信号x(t)的希尔伯特变换Y(t)及其反变换X(t)可以表示为：

可获取解析信号为：

Z(t)＝X(t)+iY(t)＝A(t)e^iθ(t)

其中，Z(t)为解析信号，A(t)为信号的瞬时幅值，i为虚数，θ(t)为相位。

A(t)及θ(t)具体公式如下：

瞬时频率f(t)为：

S6、对稳态信号采用加窗插值快速傅里叶变换FFT计算。

采用加窗插值快速傅里叶变换FFT算法处理稳态信号，对稳态信号计算速度快，且计算精度高。由于电网中频率存在波动，且间谐波为基波的非整数倍，很难对信号进行同步采样，当非同步采样时，快速傅里叶变换FFT会产生频谱泄漏现象和栅栏效应，导致检测结果存在很大误差，加窗插值快速傅里叶变换FFT算法能较好抑制频谱泄漏和栅栏效应，从而提高谐波检测精度。

为了减少频率泄露，对稳态信号进行加hanning窗处理，hanning窗为：

其中，w(n)为窗函数，n值为0,1,2,…,N-1，N为信号总采样点数。

对稳态信号x(n)进行加窗处理，x_w(n)＝x(n)w(n)，离散傅里叶变换后并忽略负频点处谱峰的旁瓣影响，得到DFT表达式为：

其中，x_w(n)是加窗后的信号，X(k)是x_w(n)的离散傅里叶变换，m是信号中所含频率分量，j是虚数，W是窗函数的离散傅里叶变换，A_m是分量m的幅值，

是分量m的相位，f_m是分量m的频率，Δf是频率分辨率，f_s是采样频率，k值为0,1,2,…,N-1；其中，Δf＝f_s/N。

对加窗后的稳态信号进行快速傅里叶变换FFT处理，利用双谱线插值的原理，采用多项式逼近的方法获取加hanning窗双谱线插值快速傅里叶变换FFT的幅值修正公式：

A＝(y₁+y₂)(2.35619403+1.15543682α²+0.32607873α⁴+0.07891461α⁶)/N

其中，y₁、y₂分别为最大值和次大值谱线，A为双谱线插值后的幅值，α为快速傅里叶变换FFT幅值修正系数，α＝y-y₁-0.5；其中，y为信号的实际峰值。

稳态信号的频率修正公式为：

f＝(k₁+α+0.5)f_s/N

稳态信号的相位修正公式为：

θ＝arg[X(k₁)]-π·(α+0.5)

其中：f是频率，θ是相位，X(k₁)是信号的离散傅里叶变换，k₁为最大值谱线。

S7、获取采样时间段内的谐波检测结果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合直流输电系统的谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用S变换处理原始信号，从而得到变换后的模时频矩阵；

S2、对模时频矩阵中频段信号的能量进行计算；

S3、设定频段信号的能量阈值，若频段信号的能量大于阈值，则进入步骤S4，否则为谐波、简谐波不超标；

S4、对频段信号进行谐波特性判别，若为暂态信号，则进入步骤S5，否则为稳态信号，进入步骤S6；

S5、对暂态信号采用希尔伯特-黄变换HHT进行计算；

S6、对稳态信号采用加窗插值快速傅里叶变换FFT计算；

S7、获取采样时间段内的谐波检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种混合直流输电系统的谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S1中利用S变换将一维信号映射到二维时频域中，获取信号频率与时间之间的关系，S变换定义为：

其中，S为信号的S变换，τ为控制参数即控制高斯窗函数在时间轴上的位置，f为频率，g(t)为高斯窗函数，t为时间，j为虚数。

3.根据权利要求1所述的一种混合直流输电系统的谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S4中谐波特性判别是通过搜索、计算频段信号内每个时间采样点的数据，若相邻时间采样点的数据偏差超过频段能量值的5％，则认为频段信号发生突变，为暂态信号，否则，为稳态信号。

4.根据权利要求1所述的一种混合直流输电系统的谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S5中暂态信号利用希尔伯特-黄变换HHT进行计算，对暂态信号进行经验模态分解EMD，获取M个固有模态分量，每个固有模态分量为单频率分量，进行希尔伯特变换。

5.根据权利要求4所述的一种混合直流输电系统的谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S5中暂态信号x(t)的希尔伯特变换Y(t)及其反变换X(t)表示为：

获取解析信号为：

Z(t)＝X(t)+iY(t)＝A(t)e^iθ(t)

A(t)及θ(t)具体公式如下：

瞬时频率f(t)为：

其中，Z(t)为解析信号，A(t)为信号的瞬时幅值，i为虚数，θ(t)为相位。

6.根据权利要求1所述的一种混合直流输电系统的谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S6中对稳态信号进行加hanning窗处理，hanning窗为：

其中，w(n)为窗函数，n值为0,1,2,…,N-1，N为信号总采样点数。

7.根据权利要求6所述的一种混合直流输电系统的谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S6中对稳态信号x(n)进行加窗处理，x_w(n)＝x(n)w(n)，离散傅里叶变换后得到DFT表达式为：

其中，x_w(n)是加窗后的信号，X(k)是x_w(n)的离散傅里叶变换，m是信号中所含频率分量，j是虚数，W是窗函数的离散傅里叶变换，A_m是分量m的幅值，

是分量m的相位，f_m是分量m的频率，Δf是频率分辨率，f_s是采样频率，k值为0,1,2,…,N-1。

8.根据权利要求7所述的一种混合直流输电系统的谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S6中对加窗后的稳态信号进行快速傅里叶变换FFT处理，利用双谱线插值的原理，采用多项式逼近的方法获取加hanning窗双谱线插值快速傅里叶变换FFT的幅值修正公式：

A＝(y₁+y₂)(2.35619403+1.15543682α²+0.32607873α⁴+0.07891461α⁶)/N

其中，y₁、y₂分别为最大值和次大值谱线，A为双谱线插值后的幅值，α为快速傅里叶变换FFT幅值修正系数。

9.根据权利要求8所述的一种混合直流输电系统的谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S6中稳态信号的频率修正公式为：

f＝(k₁+α+0.5)f_s/N

稳态信号的相位修正公式为：

θ＝arg[X(k₁)]-π·(α+0.5)

其中：f是频率，θ是相位，X(k₁)是信号的离散傅里叶变换，k₁为最大值谱线。

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