一種基于hht分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法
【專利摘要】一種基于HHT分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法，包括：對實(shí)測電網(wǎng)波形信號進(jìn)行EMD分解，分別得到表征動態(tài)電壓波動的調(diào)制波和穩(wěn)態(tài)的諧波、間諧波信號；針對表征動態(tài)電壓波動的調(diào)制波信號，對其分別進(jìn)行Hilbert變換與反變換，得到新的解析信號，求解其瞬時幅值，再對瞬時幅值信號進(jìn)行EMD分解，得到各個調(diào)幅波信號，通過Hilbert變換求解動態(tài)電壓波動的幅值和頻率參數(shù)信息；針對穩(wěn)態(tài)諧波、間諧波信號，直接進(jìn)行Hilbert變換，得到諧波、間諧波的幅值和頻率參數(shù)信息；根據(jù)所得動態(tài)電壓調(diào)幅波與穩(wěn)態(tài)諧波、間諧波波形信息，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到最終用于電能表動態(tài)測試的數(shù)字信號表達(dá)式。
【專利說明】
-種基于HHT分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于HHT分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法，屬電力儀表測試
技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，我國智能電網(wǎng)已進(jìn)入全面建設(shè)階段，智能電能表作為智能電網(wǎng)的重要組 成部分在用電信息采集系統(tǒng)中得到廣泛普及與應(yīng)用。作為連接電網(wǎng)與客戶的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，智 能電能表的電能計量特性，直接影響電能供需雙方的經(jīng)濟(jì)利益。
[0003] 隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，對電能表的計量性能提出了新的要求。一是由于風(fēng)能、 太陽能、潮軟能等新能源引入電網(wǎng)，電網(wǎng)中的新型電源呈現(xiàn)較大動態(tài)特性。二是電力系統(tǒng)中 的非穩(wěn)定負(fù)載越來越多，使電網(wǎng)中的用電負(fù)荷也呈現(xiàn)動態(tài)特性。由于動態(tài)負(fù)荷的不斷增加， 其所引起的電能計量出現(xiàn)偏差的問題變得越來越突出與重要。
[0004] 但是，長久W來，國內(nèi)外對電能表計量特性的測試都是在穩(wěn)態(tài)測試信號條件下進(jìn) 行，測試信號對電網(wǎng)中所包含的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)信號成分的反映也不夠全面，因此，電能表測試 信號的擬合需要更加基于電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況，才能使對電能表動態(tài)誤差特性的分析更加精 確合理。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是，針對現(xiàn)有電能表測試信號存在的問題，本發(fā)明提出一種基于皿T 分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法，能夠使測試信號包含實(shí)際電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)信號成 分，更為準(zhǔn)確地反映電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，對電能表動態(tài)誤差特性的分析更加精確合理。
[0006] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種基于HHT分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法，包括W下步驟：
[000引（1)對實(shí)測電網(wǎng)波形信號進(jìn)行EMD分解，分別得到表征動態(tài)電壓波動的調(diào)制波和穩(wěn) 態(tài)諧波、間諧波信號，調(diào)制波信號頻率為基波頻率，穩(wěn)態(tài)諧波信號頻率為基波整數(shù)倍，間諧 波信號頻率為基波非整數(shù)倍；
[0009] (2)針對表征動態(tài)電壓波動的調(diào)制波信號，對其分別進(jìn)行化化ert變換與反變換， 得到新的解析信號，求解其瞬時幅值，再對瞬時幅值信號進(jìn)行EMD分解，得到各個調(diào)幅波信 號，通過化化ert變換求解動態(tài)電壓波動的幅值和頻率參數(shù)信息；
[0010] (3)針對穩(wěn)態(tài)諧波、間諧波信號，直接進(jìn)行Hi化ert變換，得到穩(wěn)態(tài)諧波、間諧波的 幅值和頻率參數(shù)信息；
[0011] (4)根據(jù)所得調(diào)幅波與諧波、間諧波波形信息，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到最 終用于電能表測試的數(shù)字信號表達(dá)式。
[0012] 本發(fā)明所述的EMD分解即經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過程;對含有多種信號成分的復(fù)雜波形，進(jìn) 行EMD分解，得到一系列經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)，即多種信號成分的IMF函數(shù)，滿足其極大值與極小值 的包絡(luò)線關(guān)于時間軸對稱，且過零點(diǎn)個數(shù)與極大、極小值個數(shù)至多相差1的條件，從而能夠 進(jìn)行接下來的化化ert變換并計算其瞬時幅值與頻率。
[0013] 本發(fā)明所述的化化ert變換，對任一連續(xù)時間信號進(jìn)行化化ert變換，信號各頻率 分量的幅度保持不變，相位出現(xiàn)90°位移，變換后信號與原信號組成一共輛復(fù)數(shù)對，獲得新 的解析信號，從而能夠進(jìn)行瞬時幅值與頻率信息的提取。
[0014] 本發(fā)明所述的最小二乘法，對于給定的一組數(shù)據(jù)，通過約束所有數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合點(diǎn) 的誤差平方和最小，從而確定擬合函數(shù)模型具體的參數(shù)值，得到擬合曲線。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是，由于目前國內(nèi)外對電能表計量特性的測試都是在穩(wěn)態(tài)測試 信號條件下進(jìn)行，測試信號對電網(wǎng)中所包含的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)信號成分的反映也不夠全面，因 此，電能表測試信號的擬合需要更加基于電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況。
[0016] 而本發(fā)明通過從電網(wǎng)實(shí)測波形中提取其穩(wěn)態(tài)與動態(tài)信號成分，包括電壓波動與諧 波、間諧波信息，擬合其具體參數(shù)得到數(shù)字信號并用于電能表測試，能夠使測試信號更為準(zhǔn) 確地反映電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，對電能表動態(tài)誤差特性的分析更加精確合理。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明方法的原理框圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明的EMD分解流程圖；
[0019 ]圖3為本發(fā)明的分解得到的調(diào)制波成分；
[0020] 圖4為本發(fā)明的分解得到的諧波、間諧波成分；
[0021] 圖5為本發(fā)明的多個調(diào)幅波混合信號波形；
[0022] 圖6為本發(fā)明的調(diào)幅波瞬時幅值波形；
[0023] 圖7為本發(fā)明的瞬時頻率波形；
[0024] 圖8為本發(fā)明的諧波、間諧波瞬時幅值波形；
[0025] 圖9為本發(fā)明的諧波、間諧波瞬時頻率波形。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如圖1和圖2所示。圖1為本發(fā)明實(shí)施原理圖，圖2為本發(fā)明 的EMD分解流程圖。
[0027] 本實(shí)施例一種基于HHT分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法具體實(shí)施如下：
[0028] (1)首先對電網(wǎng)實(shí)測波形信號進(jìn)行EMD分解，得到波形信號中包含的表征動態(tài)電壓 波動的調(diào)制波與穩(wěn)態(tài)諧波、間諧波的IMF信號。
[0029] 電網(wǎng)實(shí)際波形中包含有多種信號成分，包括經(jīng)多個低頻調(diào)幅波調(diào)制的基波信號和 諧波、間諧波信號，波形信號形式如下：
[0030]
[0031] 其中，HH為調(diào)幅波幅值與基波額定電壓幅值之比，fi為調(diào)幅波頻率，時為基波工頻， mj為諧波、間諧波幅值與基波額定電壓幅值之比，f J為諧波、間諧波頻率。
[0032] EMD分解提取波形信號的IMF分量過程具體如下：
[0033] 首先求取混合信號u(t)極大值m(t)與極小值U2(t)的均值：
[0034] "=非'I (1:)+ "2")) 么
[0035] 取其與u(t)的差值為：
[0036] h = u(t)-n
[0037] 用h替代u(t)重復(fù)上述過程，直到h滿足IMF函數(shù)的特征，即極大值與極小值的包絡(luò) 線關(guān)于時間軸對稱，且過零點(diǎn)個數(shù)與極大、極小值個數(shù)至多相差1的條件，此時h即可視為第 一個IMF信號Cl。
[0038] 取原信號u(t)與Cl的差值為：
[0039] r = u(t)-ci
[0040] 用差值r替代u(t)繼續(xù)進(jìn)行W上操作，W此類推，得到多個IMF信號C2、C3等等，迭代 至r呈單調(diào)遞減趨勢即可停止，此時有：
[0041]
I.
[0042] 最終分解獲得混合信號u(t)的多個IMF信號分量，郵頻率為基波工頻的調(diào)制波信
號 巧多個諧波、間諧波信號
J
[0043] 圖3所示為分解得到的調(diào)制波成分；圖4所志責(zé)A傭浩卸的諧淋」訝諧淋巧分。
[0044] (2)針對表征動態(tài)電壓波動的調(diào)制波信號
'對其進(jìn)行 HHbed變換，變換后信號與原信號組成一共輛復(fù)數(shù)對，得到新的解析信號。
[0045] 對于連續(xù)時間信號X(t)的化化ert變換具體如下：
[0046]
[0047] 取X(t)和Y(t)組合，可得到新的共輛復(fù)數(shù)信號：
[004引 z(t) =X(t)+jY(t) =a(t)e"(t)
[0049]其中，a(t)、0(t)分別為其瞬時幅值和相位信息：
[(K)加]
[0051] 則瞬時頻率如下：
[0化2]
[0化3]因此，對于調(diào)制波信號
，進(jìn)行化化ert變換后，新的解 析信號的瞬時幅值即為直流分量與多個調(diào)幅波之和：
[0化4]
[0055]取瞬時幅值a(t)，去除直流分量后，即可得到多個調(diào)幅波的混合信號
°對其進(jìn)行EMD分解，過程與步驟1)相同，即可提取各個調(diào)幅波HH sin(2灶it) 的IMF信號波形。對其分別進(jìn)行化化ert變換后，根據(jù)上述公式，獲得各個調(diào)幅波的瞬時幅值 與瞬時頻率波形。
[0056] 圖5為多個調(diào)幅波混合信號波形；圖6為調(diào)幅波瞬時幅值波形；圖7為調(diào)幅波瞬時頻 率波形。
[0057] (3)針對穩(wěn)態(tài)諧波、間諧波信號
'由于已經(jīng)通過EMD分解得到了各個 諧波、間諧波成分的IMF信號叫sin(2郵t)，因此可W直接進(jìn)行Hilbed變換，再通過步驟(2) 的瞬時幅值與瞬時頻率公式，獲得各個諧波、間諧波的瞬時幅值與瞬時頻率波形。
[0058] 圖8為諧波、間諧波的瞬時幅值波形；圖9為諧波、間諧波的瞬時頻率波形。
[0059] (4)根據(jù)W上步驟所得調(diào)幅波與諧波、間諧波的瞬時幅值與瞬時頻率的波形信息， 利用最小二乘法進(jìn)行擬合，擬合過程具體如下：
[0060] 首先確定擬合曲線的函數(shù)模型，由于所需擬合的波形為各個調(diào)幅波與諧波、間諧 波的瞬時幅值與瞬時頻率，因此函數(shù)模型即一次函數(shù)m與f。
[0061] 然后通過確定法方程求解參數(shù)。假設(shè)擬合某一調(diào)幅波msin(2村t)的瞬時幅值m曲 線，已得瞬時幅值曲線數(shù)據(jù)(*1，1111)(1 = 1，2，...，11)，11為曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)的個數(shù)，則擬合目標(biāo)為：
[0062]
[0063]
[0064]
[00 化]
[0066]
[0067] 瞬時頻率f曲線擬合過程同上。
[0068] 最終獲得表征動態(tài)電壓波動的各個調(diào)幅波與穩(wěn)態(tài)諧波、間諧波的瞬時幅值與瞬時 頻率m與f參數(shù)值，得到由電網(wǎng)實(shí)測波形分析而來，可用于電能表動態(tài)測試的數(shù)字信號：
[0069]
[0070] 本發(fā)明通過從電網(wǎng)實(shí)測波形中提取其穩(wěn)態(tài)與動態(tài)信號成分，包括電壓波動與諧 波、間諧波信息，擬合其具體參數(shù)得到數(shù)字信號并用于電能表測試，能夠使測試信號更為準(zhǔn) 確地反映電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況，對電能表動態(tài)誤差特性的分析更加精確合理。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于HHT分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法，其特征在于，所述方法包括以下 步驟： (1) 對實(shí)測電網(wǎng)波形信號進(jìn)行EMD分解，分別得到表征動態(tài)電壓波動的調(diào)制波和穩(wěn)態(tài)諧 波、間諧波信號，調(diào)制波信號頻率為基波頻率，穩(wěn)態(tài)諧波信號頻率為基波整數(shù)倍，間諧波信 號頻率為基波非整數(shù)倍； (2) 針對表征動態(tài)電壓波動的調(diào)制波信號，對其分別進(jìn)行Hilbert變換與反變換，得到 新的解析信號，求解其瞬時幅值，再對瞬時幅值信號進(jìn)行EMD分解，得到各個調(diào)幅波信號，通 過Hilbert變換求解動態(tài)電壓波動的幅值和頻率參數(shù)信息； (3) 針對穩(wěn)態(tài)諧波、間諧波信號，直接進(jìn)行Hilbert變換，得到穩(wěn)態(tài)諧波、間諧波的幅值 和頻率參數(shù)信息； (4) 根據(jù)所得調(diào)幅波與諧波、間諧波波形信息，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到最終用 于電能表測試的數(shù)字信號表達(dá)式。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法，其特征在 于，所述EMD分解即經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過程;對含有多種信號成分的復(fù)雜波形，進(jìn)行EMD分解，得 到一系列經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)函數(shù)，即多種信號成分的IMF函數(shù)，滿足其極大值與極小值的包絡(luò)線關(guān)于 時間軸對稱，且過零點(diǎn)個數(shù)與極大、極小值個數(shù)至多相差1的條件，從而能夠進(jìn)行接下來的 Hilbert變換并計算其瞬時幅值與頻率。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法，其特征在 于，所述Hilbert變換，對任一連續(xù)時間信號進(jìn)行Hilbert變換，信號各頻率分量的幅度保持 不變，相位出現(xiàn)90°位移，變換后信號與原信號組成一共輒復(fù)數(shù)對，獲得新的解析信號，從而 能夠進(jìn)行瞬時幅值與頻率信息的提取。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于HHT分析的電能表動態(tài)測試信號擬合方法，其特征在 于，所述最小二乘法，對于給定的一組數(shù)據(jù)，通過約束所有數(shù)據(jù)點(diǎn)與擬合點(diǎn)的誤差平方和最 小，從而確定擬合函數(shù)模型具體的參數(shù)值，得到擬合曲線。
【文檔編號】G06F17/50GK106021805SQ201610394141
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】馬建, 陳克緒, 竇曉波, 楊磊
【申請人】國網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司, 東南大學(xué)