基于频移集合经验模态分解的谐波检测方法及检测系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于频移集合经验模态分解的谐波检测方法及检测系统。该方法采用希尔伯特变换将信号变换，然后通过频移满足集合经验模态分解的条件，从而解决高次谐波分离问题。该方法能够克服谐波检测环境下间歇信号干扰问题，同时能够提高适用范围；有效解决了高次谐波间因频率相近不能完全分离的问题，而且能够准确的表达信号在时频面上的各类信息。该系统利用工控机和DSP作为核心器件。以工控机作为主机，实现复杂算法的检测并验证其效果，同时采用数据采集卡实现对谐波信号的采集；以DSP作为从机，用于验证复杂算法的实用性，采用锁相环电路，克服了电网频率波动影响，能够精确检测出电网电压频率，从而提高了谐波检测的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及数字信号处理技术，具体地说是一种基于频移集合经验模态分解的谐波检测方法及谐波检测系统。
技术介绍
电力负载多元化和复杂化之后，快速实时检测以及暂态信号的在线监测跟踪已经成为新的需要，传统对稳态谐波的检测正逐歩发展为对非稳态谐波的检测，谐波检测算法也趋向于复杂化和智能化的方向发展，传统的函数分析方法比较单一，无法适应于所有复杂情况。目前，针对谐波检测的应用中，以傅里叶变换、小波变换和经验模态分解为主要的信号处理技术。传统的基于傅里叶变换的信号处理技术在处理信号时，把信号从整个时域变换到频域，用信号所包含的全部频率成分来描述信号在频域内的变化，不能够反映出局部信号频率的瞬时变化，在处理非线性信号时具有难以避免的局限性，并且受到测不准原理(Uncertaintyprinciple)的限制。后来人们提出的加窗傅里叶变换在某种程度上克服了傅里叶变换的缺点，实现了分析信号的局部性质，但是一旦窗口大小选定，就不能随意调整，且依旧存在测不准原理的限制，不能在时间和频率两方面同时达到很高的分辨率。小波变换虽然在处理非线性和非平稳信号的能力上有了进一步提高，但其本质上还是一种窗口可调的傅里叶变换，不可避免地具有窗函数的局限性，仍受测不准原理限制，无法精确更直观的描述信号随时间变化的状态，且小波变换存在着众多的小波基函数，而各小波基函数的使用范围不一致，也就造成了小波基选择的问题。经验模态分解是近年来流行的一种非线性非稳态信号处理方法，该方法从信号自身特征出发，将信号分解成为一系列的本征模态函数，能够准确的表达信号在时频面上的各类信息，且打破了测不准原理的限制。但是该方法由于自身分解条件限制，在谐波检测应用中存在着模态混叠问题，影响了信号的分解后的时域特性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供是一种基于频移集合经验模态分解的谐波检测方法及检测系统。该方法采用希尔伯特(Hilbert)变换将信号变换，然后通过频移满足集合经验模态分解(EEMD)的条件，从而解决高次谐波分离问题。该方法能够克服谐波检测环境下间歇信号干扰问题，同时能够提高适用范围；有效解决了高次谐波间因频率相近不能完全分离的问题，而且能够准确的表达信号在时频面上的各类信息。该系统利用工控机和DSP作为核心器件。将工控机作为主机，实现复杂算法的检测并验证其效果，同时采用数据采集卡实现对谐波信号的采集；以数字信号处理器(DSP)作为从机，用于验证复杂算法的实用性，采用锁相环电路，克服了电网频率波动影响，能够精确检测出电网电压频率，保证了在整周期内采集到完整的采样点数，从而提高了谐波检测的精度。本专利技术解决所述系统技术问题的技术方案是，提供一种谐波检测系统，其特征在于该系统包括主机和从机；所述主机包括核心处理器模块和主机数据采集模块；所述主机数据采集模块包括主机电压传感器、主机电流传感器和数据采集卡；所述主机电压传感器和主机电流传感器分别与数据采集卡连接；所述数据采集卡与核心处理器模块连接；所述从机包括从机数据采集模块、数据处理模块、通讯模块、显示模块和电源模块；所述数据处理模块分别与从机数据采集模块、通讯模块、显示模块和电源模块连接；所述电源模块与从机数据采集模块连接；所述核心处理器模块通过通讯模块与从机连接；所述从机数据采集模块包括从机电压传感器、从机电流传感器、信号调理电路和锁相环电路；所述从机电压传感器和从机电流传感器分别与信号调理电路连接；所述从机电压传感器与锁相环电路连接；所述信号调理电路与数据处理模块连接；锁相环电路的输出与数据处理模块连接。本专利技术解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种基于频移集合经验模态分解的谐波检测方法，该方法应用所述谐波检测系统，其特征在于具体步骤如下：(1)对主机数据采集模块和从机数据采集模块采集的数据进行集合经验模态分解的方法处理，得到各个信号模态函数；(2)对各个信号模态函数通过相关度进行判断是否发生混叠现象：对于均为正弦信号且正弦信号间存在正交特性的谐波信号，若相关度为0，则表示两个正弦信号完全不相关，不混叠；由于集合经验模态分解存在误差，所以选取相关度为0.01作为阈值判断；对各个信号模态函数做相关度对比，若不存在混叠现象，则确定分解结果为单频信号；若发生混叠，相关度也会增大，则继续后续程序；(3)保留非混叠信号，重组混叠信号：非混叠信号即单频信号保留，将混叠的信号数据部分进行重组，后续程序只针对混叠信号数据进行分解；(4)对混叠的信号数据进行快速傅立叶变换测频，选取最低频率的两个信号作为参考：通过FFT测频，可以得到信号频域上的频率和幅值的信息，选取最低频率的两个信号即信号x1和信号x2，用于后续计算；(5)计算幅度比和频率比，得到频率偏移值：根据EEMD的分解条件，两个信号x1和x2之间的频率比至少为两倍关系即f1≥2f2，同时还要满足信号x1的频率f1与幅值a1的乘积需大于信号x2的频率f2与幅值a2的乘积，即a1f1≥a2f2；所以选取临界点作为分解参考值，即a1f1＝a2f2；由于两个信号是混叠信号，不满足EEMD分解条件，故先计算两信号的幅度比p，即a2/a1＝p(p≥2,1＜f1/f2＜2)；频率偏移值fm满足a1(f1-fm)＝a2(f2-fm)，从而计算出对于幅度比，如果幅度比在两倍之内，同时频率比满足两倍，那么就满足分解条件；(6)混叠的信号数据进行Hilbert变换得到解析信号：对混叠数据x(t)进行Hilbert变换得到从而构造解析信号构造解析信号的好处是：不含有负频率；在研究信号的时频分析时，使用解析信号可以减轻正负频率在Ω＝0附近的交叉干扰，通常在进行频域分析时只取其正频率；其中傅里叶变化也是将信号变为复数形式的常用的方法，而傅里叶变化的一个重要性质就是其共轭对称性，具有正负频率对称结构，所以对于谐波检测系统来说，Hilbert更实用；(7)为了满足EEMD分解条件，对解析信号进行频率偏移处理：对步骤6)Hilbert变换后得到解析信号z(t)进行频率偏移处理，即频率偏移后信号中的实数部分，即满足EEMD分解条件；(8)对频率偏移后的数据进行EEMD处理：对步骤7)求得的频率偏移后满足EEMD分解条件的实数部分进行EEMD分解处理；(9)对分解后的信号模态函数进行频率偏移反变换，恢复信号原始频率特性：对分解后的信号模态函数进行Hilbert变换，求得对应模态函数的解析信号，然后对解析信号进行频率偏移反变换，即乘以取其实数部分，即得到分离的固有模态原始的频率特性；(10)重复步骤2)，若不存在混叠现象，则确定分解结果为单频信号；若发生混叠，则继续步骤3)；(11)分解结束，将保留的单频信号依次显示出来；保留的单频信号就是基波信号和谐波信号。与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：(1)本方法采用EEMD方法克服了谐波检测中EMD由于间歇信号干扰导致的分解中出现模态混叠的问题，同时提高了其分解性能，扩大其适用范围。同时对高次谐波间的密频问题，通过Hilbert频移对EEMD在高频谐波间频率较密集而发生的模态混叠问题进行了改进，从而增强了EEMD能够在谐波检测中适用性，实现了在时域上更直观的显示当前谐波的状态，打破了传统方法的在谐波检测中的局限性和本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种谐波检测系统，其特征在于该系统包括主机和从机；所述主机包括核心处理器模块和主机数据采集模块；所述主机数据采集模块包括主机电压传感器、主机电流传感器和数据采集卡；所述主机电压传感器和主机电流传感器分别与数据采集卡连接；所述数据采集卡与核心处理器模块连接；所述从机包括从机数据采集模块、数据处理模块、通讯模块、显示模块和电源模块；所述数据处理模块分别与从机数据采集模块、通讯模块、显示模块和电源模块连接；所述电源模块与从机数据采集模块连接；所述核心处理器模块通过通讯模块与从机连接；所述从机数据采集模块包括从机电压传感器、从机电流传感器、信号调理电路和锁相环电路；所述从机电压传感器和从机电流传感器分别与信号调理电路连接；所述从机电压传感器与锁相环电路连接；所述信号调理电路与数据处理模块连接；锁相环电路的输出与数据处理模块连接。

【技术特征摘要】
1.一种谐波检测系统，其特征在于该系统包括主机和从机；所述主机包括核心处理器模块和主机数据采集模块；所述主机数据采集模块包括主机电压传感器、主机电流传感器和数据采集卡；所述主机电压传感器和主机电流传感器分别与数据采集卡连接；所述数据采集卡与核心处理器模块连接；所述从机包括从机数据采集模块、数据处理模块、通讯模块、显示模块和电源模块；所述数据处理模块分别与从机数据采集模块、通讯模块、显示模块和电源模块连接；所述电源模块与从机数据采集模块连接；所述核心处理器模块通过通讯模块与从机连接；所述从机数据采集模块包括从机电压传感器、从机电流传感器、信号调理电路和锁相环电路；所述从机电压传感器和从机电流传感器分别与信号调理电路连接；所述从机电压传感器与锁相环电路连接；所述信号调理电路与数据处理模块连接；锁相环电路的输出与数据处理模块连接。2.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于所述主机电流传感器和从机电流传感器的型号为北京森社公司的CHB-25NP型霍尔电流传感器；所述主机电压传感器和从机电压传感器的型号为北京森社公司的CHV-25P型霍尔电压传感器。3.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于数据处理模块采用TI公司TMS320F28335浮点型DSP芯片。4.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于数据采集卡是研华1712L型PCI总线接口数据采集卡。5.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于通讯模块的芯片型号是MAX485；电源模块的型号为TPS767D301。6.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于所述锁相环电路的电路构成是：采集电压信号分别与电压比较器U1的S3引脚IN+和贴片电阻R1连接，R1的另一端与U1的S1引脚OUT连接；U1的S2引脚IN-与GND连接，U1的S1引脚OUT与贴片电阻R2连接，R2的另一端与+3.3V连接，同时U1的S1引脚OUT与贴片电容C1连接，C1的另一端与GND连接，同时U1的S1引脚OUT接入锁相器件U2的S14引脚SignalIn，U2的S9引脚与贴片电容C2连接，C2的另一端接GND，同时U2的S9引脚与贴片电阻R3连接，R3的另一端与U2的S2引脚连接，U2的S11引脚与贴片电阻R4连接，R4的另一端与GND连接，U2的S6引脚与贴片电容C3连接，C3的另一端与U2的S7引脚连接，U2的S3引脚输出信号与降压管U3连接，U3的另一端接入数据处理模块。7.根据权利要求1所述的谐波检测系统，其特征在于所述信号调理电路的电路构成是：采集信号与贴片电阻R12连接，R12另一端接入运算放大器U11的S3引脚，同时与贴片电阻R14连接；R14的另一端与贴片电阻R15连接，同时还与U11的S1引脚和贴片电容C12连接；贴片电容C11的一端分别与R15的另一端和运算放大器U12的S5脚连接，C11的另一端接地；U12的S6引脚与U12的S7引脚连接，同时还与C12的另一端连接；U12的S7引脚与数据处理模块22连接；贴片电阻R11一端与5V连接，另一端与U11的S2引脚和R13的一端连接，R13的...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙曙光，庞毅，刘建强，齐玲，张强，丁铭真，田朋，纪学玲，王佳兴，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12