一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的電壓異常特征識(shí)別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析領(lǐng)域，具體是涉及一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 的電壓異常特征識(shí)別方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電力電子設(shè)備的應(yīng)用日益廣泛，隨之帶來各種隨機(jī)性、非線 性、沖擊性、波動(dòng)性以及暫態(tài)性的電力信號(hào)，電力系統(tǒng)電能質(zhì)量日益遭受越來越為嚴(yán)重的污 染。鑒于此，負(fù)載端（用戶端)對(duì)供電可靠性和電能質(zhì)量分析的要求也日趨增加。另一方面， 電壓異常信號(hào)的存在，給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的不良影響。例如:伺服電機(jī)的不正常運(yùn)行，減 少電力設(shè)備的使用壽命，增加電能損耗，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致供電故障等。
[0003] 針對(duì)電力系統(tǒng)電壓異常擾動(dòng)信號(hào)問題，國(guó)內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了深入細(xì)致的研究工作， 提出了眾多提取特征信息的方法，如:傅里葉變換法、小波變換法、加窗傅里葉變換、S變換 等，取得了一些效果的同時(shí)也存在一定不足之處。例如：
[0004] 基于傅里葉變換及其一系列改進(jìn)的分析方法，存在一定的頻譜泄漏現(xiàn)象和柵欄效 應(yīng)，只能分析平穩(wěn)信號(hào)，對(duì)暫態(tài)和突變擾動(dòng)信號(hào)往往采用加窗算法對(duì)其進(jìn)行修正，然而窗函 數(shù)的選取需要依據(jù)信號(hào)特點(diǎn)，窗函數(shù)選取的不適當(dāng)可能會(huì)造成信號(hào)失真；
[0005] 基于小波變換的分析方法，在電能質(zhì)量擾動(dòng)處理方面得到較為廣泛的應(yīng)用，然而 其極易受信號(hào)噪聲影響，不適應(yīng)對(duì)時(shí)域變化為主的擾動(dòng)信號(hào)；
[0006] S變換是一種新型的時(shí)頻域分析方法，近年來在電力信號(hào)特征信息提取方面取得 長(zhǎng)足發(fā)展，然而其算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分析長(zhǎng)信號(hào)時(shí)對(duì)系統(tǒng)硬件要求高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的電壓異常特征識(shí)別 方法，為實(shí)現(xiàn)從海量電壓擾動(dòng)信號(hào)中自動(dòng)提取并正確分類電能質(zhì)量檢測(cè)分析。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：
[0009] -種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的電壓異常特征識(shí)別方法，包括以下步驟：
[0010]步驟A:信號(hào)處理器對(duì)電力系統(tǒng)電壓信號(hào)設(shè)定采樣周期為T，并進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣和量 化得到原始信號(hào)v(t)，其中? = 1、2、3···πι，所述m根據(jù)實(shí)際設(shè)備采樣率設(shè)定，所述采樣周期單 位為s，所述電壓信號(hào)單位為V;
[0011] 步驟B:對(duì)原始信號(hào)v(t)采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到各階頂F模態(tài)分量；
[0012] 步驟C:對(duì)原始信號(hào)v(t)的第一個(gè)MF模態(tài)分量采用希爾伯特-黃變換得到瞬時(shí)頻 率圖和瞬時(shí)幅值圖。
[0013] 進(jìn)一步的，在步驟C后面設(shè)有步驟D，其中：
[0014] 步驟D:依據(jù)希爾伯特-黃變換圖中的突變點(diǎn)、幅值變化、瞬時(shí)頻率走勢(shì)特征信息對(duì) 電壓異常信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別。
[0015] 進(jìn)一步的技術(shù)方案:所述步驟B:對(duì)原始信號(hào)v(t)采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到各階MF 模態(tài)分量的具體步驟為：
[0016] S101:第1次篩選:對(duì)原始信號(hào)v(t)所有局部極大值點(diǎn)和所有局部極小值點(diǎn)用三次 樣條函數(shù)進(jìn)行插值，并擬合上、下包絡(luò)線；
[0017] S102:求取上、下包絡(luò)線的平均值曲線MKt)，則原始信號(hào)奴〇與％(〇之差即為卩丄 (t)J/ft^Pi(t) = v(t)-Mi(t);
[0018] S103:如果Pi(t)同時(shí)滿足下述MF模態(tài)分量的兩個(gè)條件，則其為第一個(gè)頂F模態(tài)分 量，否則將其作為新的原始信號(hào)重復(fù)步驟S101到S102,得到Pn(t)，所述PiKOiPKO-Mn (t)，其中:MWOSPKt)的上、下包絡(luò)線的平均曲線；
[0019] 所述IMF模態(tài)分量滿足的兩個(gè)條件為：（1)整個(gè)時(shí)間歷程內(nèi)，穿越零點(diǎn)次數(shù)與極值 點(diǎn)數(shù)相等或至多相差1; (2)且信號(hào)上任意一點(diǎn)，由局部極大值定義的上包絡(luò)線和局部極小 值點(diǎn)定義的下包絡(luò)線的均值為〇，即信號(hào)關(guān)于時(shí)間軸局部對(duì)稱；
[0020] S104:重復(fù)上述步驟篩選，直到第k次篩選時(shí)由式（1)得到的plk(t)滿足頂F模態(tài)分 量的兩個(gè)條件：
[0021] Pik(t) =Pi(i-k)(t)-Mik(t) (1);
[0022] S105:在實(shí)際計(jì)算時(shí)可以通過式(2)求取門限值SD來判斷每次篩選結(jié)果是否為IMF 模態(tài)分量：
[0023]
[0024]其中:m為電力系統(tǒng)信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，門限值SD取0.2到0.3;
[0025] 3106:令(：1(〇=?11{(〇，則(：1(〇即為第一個(gè)頂?模態(tài)分量，其包含了原始信號(hào)奴〇 中周期最短的MF模態(tài)分量;將(^&)從v(t)中分離出來，得到RKt)，所述 ⑴；
[0026] SlOTd^RKt)作為新的原始信號(hào)重復(fù)以上步驟S101至S105n次，可獲得原始信號(hào)v (t)的 η 個(gè)頂 F 分量 Ci(t)，i = l，2,3…n，且有公式
[0027] S108:iRn(t)為單調(diào)函數(shù)從原始信號(hào)v(t)不能再分解出其他分量時(shí)，整個(gè)分解過 程結(jié)束，此時(shí)有如下公式：
[0028]
[0029] 進(jìn)一步的技術(shù)方案:所述步驟C:對(duì)原始信號(hào)v(t)的第一個(gè)IMF模態(tài)分量采用希爾 伯特-黃變換得到瞬時(shí)頻率圖和瞬時(shí)幅值圖的具體步驟為：
[0030] S109:將通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解后獲得的所有MF模態(tài)分量Ci(t)進(jìn)行希爾伯特-黃變 換，其中i = l，2,3…n，給定C( t)的希爾伯特-黃變換形式為：
[0031]
L其中，λ為積分變量，C( t)為所有IMF模態(tài)分 量Ci(t)的統(tǒng)稱；
[0032] S110:構(gòu)造一個(gè)解析信號(hào)Z(t):
[0033] Z(t) = C(t)+iH(t) = A(t)e10(t)，其中 i為單位虛數(shù)，i2 = _l。
[0034] 上式中：幅值函數(shù)：
，所述幅值單位為V;
[0035] 幅角函數(shù)：
述幅角單位為rad;
[0036] 即可得到，瞬時(shí)頻率：
〒述頻率單位為Hz。
[0037] 進(jìn)一步的技術(shù)方案:所述步驟D:依據(jù)希爾伯特-黃變換圖中的突變點(diǎn)、幅值變化、 瞬時(shí)頻率走勢(shì)特征信息對(duì)電壓異常信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別的具體步驟為：
[0038] S111:對(duì)電力系統(tǒng)中電壓異常信號(hào)進(jìn)行分類，所述電壓異常信號(hào)包括電壓驟降、電 壓驟升、電壓驟停、電壓諧波、電壓脈沖、電壓暫態(tài)；
[0039] S112:依據(jù)希爾伯特-黃變換圖中針對(duì)不同的電壓異常信號(hào)的突變點(diǎn)、幅值變化以 及瞬時(shí)頻率走勢(shì)的特性信息不同，分類識(shí)別出電力系統(tǒng)中電壓發(fā)生的異常情況，具體識(shí)別 方法為：
[0040] 正常時(shí)刻電壓瞬時(shí)頻率維持在50Hz，若電壓瞬時(shí)頻率經(jīng)歷先上升再下降后維持一 段平穩(wěn)時(shí)間，然后再上升再下降；相對(duì)應(yīng)的，電壓幅值先上升后經(jīng)歷同樣一段平穩(wěn)時(shí)間過程 再下降，由此表明此種異常信號(hào)為電壓驟降；
[0041 ] 正常時(shí)刻電壓瞬時(shí)頻率維持在50Hz，若電壓瞬時(shí)頻率經(jīng)歷先下降再上升后維持一 段平穩(wěn)時(shí)間，然后再下降再上升;相對(duì)應(yīng)的，電壓幅值先下降后經(jīng)歷同樣一段平穩(wěn)時(shí)間再上 升，由此表明此種異常信號(hào)為電壓驟升；
[0042]電壓驟停異常信號(hào)與電壓驟降異常信號(hào)特征信息相似，區(qū)別在于無論是電壓瞬時(shí) 頻率還是電壓幅值異常曲線變化是否收斂到零，電壓驟停異常瞬時(shí)頻率和電壓幅值收斂到 零，電壓驟降不收斂到零；
[0043] 若電壓瞬時(shí)頻率和電壓幅值在某一時(shí)刻出現(xiàn)尖峰信息，由此表明此種異常信號(hào)為 電壓脈沖；
[0044] 若電壓瞬時(shí)頻率在某一段時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷暫態(tài)變化過程后穩(wěn)定到信號(hào)基頻附近，并且 電壓幅值在同一時(shí)間段內(nèi)經(jīng)歷從零逐漸增加到信號(hào)幅值后趨于穩(wěn)定，由此表明此種異常信 號(hào)為電壓暫態(tài)；
[0045] 若電壓瞬時(shí)頻率在某一時(shí)間段內(nèi)經(jīng)歷劇烈抖動(dòng)，加之電壓幅值在同一時(shí)間段內(nèi)先 經(jīng)歷暫升，后電壓幅值劇烈變化后回歸穩(wěn)態(tài)，由此表明此種異常信號(hào)為電壓諧波。
[0046] 進(jìn)一步的技術(shù)方案:所述m根據(jù)實(shí)際設(shè)備采樣率設(shè)定為1000。
[0047] 本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在:該方法可以針對(duì)電力系統(tǒng)非線性、非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn) 行處理，從希爾伯特-黃變換圖譜中可以清晰辨析出信號(hào)的不同特征，實(shí)現(xiàn)了從海量電壓擾 動(dòng)信號(hào)中自動(dòng)提取并正確分類電能質(zhì)量檢測(cè)分析問題。
【附圖說明】
[0048] 圖1是本發(fā)明電壓異常信號(hào)檢測(cè)方法的流程圖。
[0049] 圖2是本發(fā)明模擬電壓驟降信號(hào)IMF1模態(tài)分量的希爾伯特-黃變換瞬時(shí)頻率和幅 值圖。
[0050] 圖3是本發(fā)明模擬電壓驟升信號(hào)IMF1模態(tài)分量的希爾伯特-黃變換瞬時(shí)頻率和幅 值圖。
[0051]圖4是本發(fā)明模擬電壓驟停信號(hào)IMF1模態(tài)分量的希爾伯特-黃變換瞬時(shí)頻率和幅 值圖。
[0052]圖5是本發(fā)明模擬電壓脈沖信號(hào)MF1模態(tài)分量的希爾伯特-黃變換瞬時(shí)頻率和幅 值圖。
[0053]圖6是本發(fā)明模擬電壓暫態(tài)信號(hào)MF1模態(tài)分量的希爾伯特-黃變換瞬時(shí)頻率和幅 值圖。
[0054] 圖7是本發(fā)明模擬電壓諧波信號(hào)IMF1模態(tài)分量的希爾伯特-黃變換瞬時(shí)頻率和幅 值圖。
【具體實(shí)施方式】
[0055] 下面結(jié)合實(shí)例和附圖，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的解釋和說明。
[0056] 實(shí)施案例：
[0057]如圖1所示，一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的電壓異常信號(hào)檢測(cè)方法，包括以下步驟： [0058]步驟A:信號(hào)處理器對(duì)電力系統(tǒng)信號(hào)設(shè)定采樣周期為T = 0.001s，并進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣 和量化得到原始信號(hào)v(t)，t = 1000;
[0059] 步驟B:對(duì)原始信號(hào)v(t)采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到各階頂F模態(tài)分量；
[0060] 對(duì)原始信號(hào)V(t)采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到各階頂F模態(tài)分量的具體步驟為：
[0061] S101:第1次篩選:對(duì)原始信號(hào)v(t)所有局部極大值點(diǎn)和所有局部極小值點(diǎn)用三次 樣條函數(shù)進(jìn)行插值，并擬合上、下包絡(luò)線；
[0062] S102:求取上、下包絡(luò)線的平均值曲線MKt)，則原始信號(hào)奴〇與％(〇之差即為卩丄 (t)J/ft^Pi(t) = v(t)-Mi(t);
[0063] S103:如果Pi(t)同時(shí)滿足下述MF模態(tài)分量的兩個(gè)條件，則其為第一個(gè)頂F模態(tài)分 量，否則將其作為新的原始信號(hào)重復(fù)步驟S101到S102,得到Pn(t)，所述PiKOiPKO-Mn (t)，其中:MWOSPKt)的上、下包絡(luò)線的平均曲線；
[0064] 所述IMF模態(tài)分量滿足的兩個(gè)條件為：（1)整個(gè)時(shí)間歷程內(nèi)，穿越零點(diǎn)次數(shù)與極值 點(diǎn)數(shù)相等或至多相差1; (2)且信號(hào)上任意一點(diǎn)，由局部極大值定義的上包絡(luò)線和局部極小 值點(diǎn)定義的下包絡(luò)線的均值為〇，即信號(hào)關(guān)于時(shí)間軸局部對(duì)稱；
[0065] S104:重復(fù)上述步驟篩選，直到第k次篩選時(shí)由式（1)得到的Plk(t)滿足頂F模態(tài)分 量的兩個(gè)條件，所述式⑴為:Plk(t) =Pl(l-k)⑴-Mlk(t);
[0066] S105:在實(shí)際計(jì)算時(shí)可以通過式(2)求取門限值SD來判斷每次篩選結(jié)果是否為IMF 模態(tài)分量：
[0067] 所述式(2)為
[0068]其中:m為電力系統(tǒng)信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，門限值SD取0.2到0.3;
[0069] 3106:令&(〇=?11{(〇，則(：1(〇即為第一個(gè)頂?模態(tài)分量，其包含了原始