CN113092931A - 一种电网谐波源定位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网谐波源定位检测方法，所述方法包括如下步骤：步骤一、采用窗函数法设计FIR数字低通滤波器滤除带外高频电磁干扰；步骤二、经HHT算法对电网系统内的传输谐波干扰进行检测。本发明的方法通过滤除电网带外高频电磁干扰，并依HHT算法做谐波检测及定位，处理方法运算量低，系统结构简洁，频率分辨率高，成本较低。该方法采用HHT方法实现了对谐波频率和幅值的检测，以及对电能质量扰动信号(电压凹陷、电压凸起、电压间断、暂态震荡、暂态脉冲等)的扰动时间、频率和幅值的检测。

Description

一种电网谐波源定位检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于预处理的选频谐波检测方法。

背景技术

电能质量问题主要包括谐波畸变问题和电力系统发生故障及投切操作等所伴随的暂态现象，如电压凹陷、电压凸起、电压间断、暂态震荡、暂态脉冲等。对于电力系统中的暂态现象不少学者提出了许多采用小波技术解决这个问题的方法，并取得了较好的效果，但是小波变换的分析效果极大程度依赖于小波基的选择。对于谐波的检测方法已经有许多文献进行了深入的研究，常用的谐波检测方法是快速傅立叶变换(FFT)。存在的问题是：计算量大，实时性不够好，而且对间谐波的检测有频谱泄漏和栅栏现象等缺点。

在配电系统中，为了监测并治理电力系统中非线性负荷产生的大量谐波，就要从谐波源定位入手。谐波源的定位实质上就是检测配电系统侧和用户侧对公共耦合点谐波电流和电压进行研究。当系统侧的影响较大时，就把系统侧视为谐波源，同样，当用户侧的影响较大时就把用户侧视为谐波源。谐波源定位方法主要包括：谐波功率潮流方向法；谐波阻抗检测法；神经网络法；电流矢量法；参考阻抗法等。谐波功率潮流方向法又有很多分支：有功率方向法、无功率方向法、同步检测判别法、临界阻抗法、无功率变化法等。基于谐波阻抗的检测方法主要包括：微分方程法，最小二乘系统辨识法，波动量法，双线性回归估计法等。在谐波源定位研究中，运维管理人员发现，基于最小二乘法的谐波源定位方法对四种工况(非主要谐波源存在注入干扰、量测矩阵存在误差、网络存在环路、网络接有补偿电容器)的适应性好，但要增加测量点；谐波最大化的谐波源定位方法可以减少测量点，能够在注入干扰和网络存在环路及误差时还有较好的表现，但这种方法会在网络有补偿电容时，准确性下降，这就需要通过测量网络上补偿电容的谐波电流来减小其影响。

在实际应用中，用人工神经网络法来处理配电网故障诊断问题时也有一些缺点：推理能力弱，适应性差，网络训练还需要大量的样本。

遗传算法是运用的全局优化的思想来解决配电网的故障诊断问题的，这种方法较为适合处理复杂故障等问题。在配电网故障诊断过程中运用这种方法可以做到全局最优化和局部最优化的结果，具有较高的容错能力，遗传算法也有自己的缺点即如何能更好更快的建立数学模型。

HHT方法(Hilbert-Huang Transform)是近年来应用于非平稳信号分析的一种新方法。该法具有如下特点：

①通过EMD(Empirical Mode Decomposition)分解的信号展开，幅度和频率调制也被清楚地分开，从而打破了固定幅度和固定频率的Fourier变换的限制，得到了一个可变幅度和可变频率的信号描述方法。

②EMD分解的基函数是一系列可变幅度和可变频率的正余弦函数，它是由信号分解中自适应得到的。

③基于信号局部特征的分解方法—EMD的引入使得瞬时频率这一概念具有了实际的物理意义，而且与频率的经典定义方法(信号相位的导数)相一致，从而可以给出信号频率变化的精确表达。所以它是一种分析非平稳信号的通用方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种电网谐波源定位检测方法，该方法采用HHT方法实现了对谐波频率和幅值的检测，以及对电能质量扰动信号(电压凹陷、电压凸起、电压间断、暂态震荡、暂态脉冲等)的扰动时间、频率和幅值的检测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种电网谐波源定位检测方法，包括如下步骤：

步骤一、采用窗函数法设计FIR数字低通滤波器滤除带外高频电磁干扰，具体设计步骤为：

(1)根据滤波器指标计算出理想低通滤波器的数字截止频率；

(2)根据阻带衰减指标，选择合适的窗函数，并根据过渡带的宽度计算出滤波器的长度N；

(3)写出理想滤波器的冲激响应表达式，写出窗函数的表达式；

(4)利用窗函数截取理想FIR滤波器的冲激响应，得到FIR数字低通滤波器的冲激响应h(n)；

步骤二、经HHT算法对电网系统内的传输谐波干扰进行检测，具体步骤如下：

a、经验模态分解

用经验模态分解(EMD)方法从原信号中提取IMF，提取IMF过程为：

(1)根据信号s(t)的局部极大值和局部极小值求出其上包络v₁(t)及下包络v₂(t)的平均值：

(2)考察s(t)与m₁₁的差h₁₁：

s(t)-m₁₁＝h₁₁；

若h₁₁不是IMF，将h₁₁视为新的s(t)，重复式(2)k次，则有：

h_1k＝h_1(k-1)-m_1k；

式中，h_1k为第k次筛选所得数据；h_1(k-1)为第k-1次筛选所得数据；m_1k为h_1(k-1)上下包络之平均值；

(3)利用S_D的值判断每次筛选结果是否为IMF分量：

当h_1k满足S_D的值要求，则令：

c₁＝h_1k；

c₁视为一个IMF，作：

s(t)-c₁＝r；

(4)视r为新的s(t)，重复(步骤(1)-步骤(3)，依次得到第二个IMFc₂，第三个IMFc₃…，直到r(t)基本呈单调趋势或|r(t)|很小可视为测量误差时即可停止，于是：

b、Hilbert变换

实信号X(t)的Hilbert变换定义为正变换：

反变换：

得到解析信号Z(t)：

Z(t)＝X(t)+jY(t)＝a(t)e^jθ(t)；

式中，a(t)为瞬时幅值；θ(t)为相位；

瞬时频率按下式计算：

c、根据a(t)和f(t)进行电能质量扰动信号和谐波的检测。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的方法通过滤除电网带外高频电磁干扰，并依HHT算法做谐波检测及定位，处理方法运算量低，系统结构简洁，频率分辨率高，成本较低。

2、本发明的方法适用于配电系统中需要监测电力系统中非线性负荷所产生的大量谐波，并对谐波进行定位、治理的应用场合。

附图说明

图1为本发明电网谐波源定位检测处理流程框图；

图2为HHT流程框图；

图3为低通滤波器的幅频特性损耗函数曲线；

图4为低通滤波器的单位脉冲响应函数；

图5为信号的时域波形；

图6为EMD分解后的形式；

图7为Hilbert变换之后的谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种电网谐波源定位检测方法，该方法的基本原理是：首先，设计FIR数字低通滤波器滤除带外高频电磁干扰。然后，经HHT算法对电网系统内的传输谐波干扰进行检测。FIR滤波器能在设计任意幅频特性的同时保证严格的线性相位特性，可以较好地用于HHT谐波电流检测中。完成滤波器的设计后，可以选择DSP或FPGA等器件进行实现，然后即可用于实际谐波检测中。处理流程如图1所示。具体包括如下步骤：

一、预处理低通滤波器的设计

采用窗函数法来设计FIR数字低通滤波器，具体设计步骤为：

(1)根据滤波器指标计算出理想低通滤波器的数字截止频率；

(2)根据阻带衰减指标，选择合适的窗函数，并根据过渡带的宽度计算出滤波器的长度N；

(3)写出理想滤波器的冲激响应表达式，写出窗函数的表达式；

(4)利用窗函数截取理想FIR滤波器的冲激响应，得到FIR数字低通滤波器的冲激响应h(n)。

这里给出通过FDATool工具设计的结果(见图3和图4)，其中低通滤波器的通带截止频率为3000Hz，阻带截止频率为4500Hz，模拟信号采样频率12000Hz，通带最大衰减为3dB，阻带最小衰减微40dB。

二、HHT变换做谐波检测

1、经验模态分解

用经验模态分解(EMD)方法从原信号中提取的固有模态函数—IMF(IntrinsicMode Function)，突出了原信号的局部特征信息。IMF具有如下特点：①其极值点和过零点的数目应该相等或至多差1。②分别连接其局部极大值和局部极小值所形成的两条包络线的均值在任一点处为零。提取IMF过程为：

(1)根据信号s(t)的局部极大值和局部极小值求出其上包络v₁(t)及下包络v₂(t)的平均值：

(2)考察s(t)与m₁₁的差h₁₁：

s(t)-m₁₁＝h₁₁ (2)；

若h₁₁不是IMF，将h₁₁视为新的s(t)，重复式(2)k次，则有：

h_1k＝h_1(k-1)-m_1k (3)；

式中，h_1k为第k次筛选所得数据；h_1(k-1)为第k-1次筛选所得数据；m_1k为h_1(k-1)上下包络之平均值；

(3)利用SD的值判断每次筛选结果是否为IMF分量：

式中，S_D的值常取0.2～0.3；

当h_1k满足S_D的值要求，则令：

c₁＝h_1k (5)；

c₁视为一个IMF，作：

s(t)-c₁＝r (6)；

(4)视r为新的s(t)，重复步骤(1)-步骤(3)，依次得到第二个IMFc₂，第三个IMFc₃…，直到r(t)基本呈单调趋势或|r(t)|很小可视为测量误差时即可停止，于是：

式(7)表明了EMD分解的完备性，n代表能够分解出IMF的个数。

2、Hilbert变换

希尔伯特-黄变换(HHT)就是先对信号进行EMD求固有模态函数IMFs，然后对各个IMF分量做希尔伯特变换，如图2所示。

因为希尔伯特变换的前提条件是：窄带信号、非复杂信号，平稳信号，但是生活中存在的大部分信号均不满足该条件，为了使用希尔伯特变换，必须将非线性平稳信号转换为平稳信号，因此，必须使用EMD进行模态的分解，再对分解得到的IMF进行希尔伯特变换，求得复信号以后再进行进一步的分析。

HHT后得到的是一种时频属性，既包括时域又包括频域的性质，是一种时频分析方法。

HHT谱：信号的希尔伯特变换后做fft，表示信号幅值在整个频率段上随时间和频率的变化规律。

HHT边谱：类似于傅里叶谱。对hilbert谱的做时间上的积分，表示信号幅值在整个频率段上随频率的变化情况，比傅里叶谱具有更高的频率分辨率。

HHT边际谱可以处理非平稳信号，如果信号中存在某一频率的能量出现，就表示一定有该频率的振动波出现，也就是说，边际谱能比较准确地反映信号的实际频率成分。

傅里叶变换只能处理平稳信号。傅里叶变换不能得到瞬时频率，即不能得到某个时刻的频率值。

HHT谱区别于傅里叶谱的地方，其得到的谱信息既包括时域，又包括频域，傅里叶变换只包括频域，没有对应的时域信息。

本发明中，实信号X(t)的Hilbert变换定义为正变换：

反变换：

得到解析信号Z(t)：

Z(t)＝X(t)+jY(t)＝a(t)e^jθ(t) (10)；

式中，a(t)为瞬时幅值；θ(t)为相位，其中：

瞬时频率按式(12)计算：

以上的EMD和与之相应的Hilbert变换的分析方法统称为Hilbert-Huang变换(HHT)。

根据a(t)和f(t)来进行电能质量扰动信号和谐波的检测。

实施例：

设经过步骤一处理后的待分析谐波信号为：

式中，A₁＝1V，A₂＝0.3V，m₁＝1，m₂＝3，f＝50Hz。

采样频率为3200Hz，分析时长为0.2秒，其中三次谐波加入时段为：0.0625～0.125秒，信号的时域波形如图5所示，EMD分解后的形式如图6所示，Hilbert变换之后的谱如图7所示。从图7中可以清楚地得到三次谐波发生和终止时间。基于HHT的信号处理方法，将非平稳的电能质量扰动信号，通过EMD分解进行平稳化处理，得到IMF，对IMF进行Hilbert变换，利用瞬时频率和幅值，检测信号的突变时间及各频率分量和幅度大小，是真正意义的时频分析。

Claims (4)

1.一种电网谐波源定位检测方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一、采用窗函数法设计FIR数字低通滤波器滤除带外高频电磁干扰；

步骤二、经HHT算法对电网系统内的传输谐波干扰进行检测。

2.根据权利要求1所述的电网谐波源定位检测方法，其特征在于所述步骤一的具体设计步骤为：

(1)根据滤波器指标计算出理想低通滤波器的数字截止频率；

(2)根据阻带衰减指标，选择合适的窗函数，并根据过渡带的宽度计算出滤波器的长度N；

(3)写出理想滤波器的冲激响应表达式，写出窗函数的表达式；

(4)利用窗函数截取理想FIR滤波器的冲激响应，得到FIR数字低通滤波器的冲激响应h(n)。

3.根据权利要求1所述的电网谐波源定位检测方法，其特征在于所述步骤二的具体步骤如下：

a、经验模态分解

用经验模态分解方法从原信号中提取IMF；

b、Hilbert变换

实信号X(t)的Hilbert变换定义为正变换：

反变换：

得到解析信号Z(t)：

Z(t)＝X(t)+jY(t)＝a(t)e^jθ(t)；

式中，a(t)为瞬时幅值；θ(t)为相位；

瞬时频率按下式计算：

c、根据a(t)和f(t)进行电能质量扰动信号和谐波的检测。

4.根据权利要求3所述的电网谐波源定位检测方法，其特征在于所述提取IMF过程为：

(1)根据信号s(t)的局部极大值和局部极小值求出其上包络v₁(t)及下包络v₂(t)的平均值：

(2)考察s(t)与m₁₁的差h₁₁：

s(t)-m₁₁＝h₁₁；

若h₁₁不是IMF，将h₁₁视为新的s(t)，重复式(2)k次，则有：

h_1k＝h_1(k-1)-m_1k；

式中，h_1k为第k次筛选所得数据；h_1(k-1)为第k-1次筛选所得数据；m_1k为h_1(k-1)上下包络之平均值；

(3)利用S_D的值判断每次筛选结果是否为IMF分量：

当h_1k满足S_D的值要求，则令：

c₁＝h_1k；

c₁视为一个IMF，作：

s(t)-c₁＝r；

(4)视r为新的s(t)，重复步骤(1)-步骤(3)，依次得到第二个IMFc₂，第三个IMFc₃…，直到r(t)基本呈单调趋势或|r(t)|很小可视为测量误差时即可停止，于是：

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