一种改进的经验模态分解的谐波分析法制造技术

本发明专利技术涉及一种改进的经验模态分解的谐波分析法。该分析法包括：中央处理器设定采样周期，对电力系统信号进行实时采样和量化得到原始信号x[t]；将原始信号x[t]经验模态分解得到各个IMF模态分量，对各个IMF模态分量采用HHT变换得到瞬时频率图；计算IMF模态分量间的频率差，找出开始发生模态混叠的各个IMF模态分量；从原始信号x[t]中去除发生模态混叠之前的所有IMF模态分量；对余下信号进行频谱分析，并对处在2倍频内的IMF模态分量进行频带滤波；对滤波后的IMF模态分量采用HHT变换得到瞬时频率和幅值图。本发明专利技术可以从HHT变换图谱中清晰辨析出电力系统信号的不同特征，为电力系统谐波分析提供一种有效、快捷分析方式。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统谐波分析领域，具体是涉及一种改进的经验模态分解的谐波分析法。
技术介绍
随着电网不断接入非线性负载，比如大型电力电子器件、分布式电源，电网受端侧电能质量问题不容忽视，使得电网谐波成分日趋复杂，谐波含量随机性和非平稳性增加，给电能质量和谐波分析带来困扰。谐波的存在给电力系统带来种种不好的影响，例如：降低电力设备的使用寿命，导致电力系统保护装置误动作，增加电网电能损耗，增加电能计量复杂度等。针对电力系统谐波检测和分析问题，国内外学者进行了大量的研究，根据提取谐波原理从频域和时域两方面提出不同的分析方法，如：傅里叶变换法、小波变换法、模拟滤波器法、瞬时无功功率理论法，取得了一些效果的同时也存在一定不足之处。例如：基于傅里叶变换及其一系列改进的分析方法，存在一定的频谱泄漏现象和栅栏效应，而且无法定位暂态信号发生、结束的时间，算法结构复杂，对电路硬件要求高；基于小波变换的分析方法，但是小波变换往往对低频段进行分解，造成高频段分辨率较低，降低了高次谐波的检测精度，此外小波检测很大程度依赖对小波基的选择，降低了算法的自适应；模拟滤波器法对电路元件参数要求较高，实时性差，精度也比较低；基于瞬时无功功率的检测法检测结果误差大，对于单相电路的检测算法复杂，不易实现。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种改进的经验模态分解的谐波分析法，该方法可以针对电力系统非线性、非平稳信号进行处理，从希尔伯特-黄变换谱中可以清晰辨析出信号的不同特征，为电力系统谐波分析提供一种有效、快捷分析方式。为了实现本专利技术的目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种改进的经验模态分解的谐波分析法，包括以下步骤：步骤A：中央处理器设定采样周期为T，对电力系统信号进行实时采样和量化得到原始信号x[t]，其中t＝1、2、3…m，所述m根据实际设备采样率设定,所述电力系统信号是电压信号或电流信号，其中电压信号单位为V，电流信号单位为A，采样周期单位为s；步骤B：将原始信号x[t]采用经验模态分解得到各个IMF模态分量，对各个IMF模态分量采用希尔伯特-黄变换得到瞬时频率图；步骤C：计算IMF模态分量间的频率差，找出开始发生模态混叠的各个IMF模态分量；从原始信号x[t]中去除发生模态混叠之前的所有IMF模态分量，得到x′[t]；步骤D：对x′[t]进行频谱分析，并对处在2倍频内的IMF模态分量进行频带滤波；对滤波后的IMF模态分量采用希尔伯特-黄变换得到此IMF模态分量的瞬时频率和幅值图。进一步的技术方案：所述步骤B：将原始信号x[t]采用经验模态分解得到各个IMF模态分量，对各个IMF模态分量采用希尔伯特-黄变换得到瞬时频率图的具体步骤为：原始信号x[t]采用经验模态分解的步骤为：S101：第1次筛选：对原始信号x[t]所有局部极大值点和所有局部极小值点用三次样条函数进行插值，并拟合上、下包络线；S102：求取上、下包络线的平均值曲线M1(t)，其中t＝1、2、3…m，则原始信号x[t]与M1(t)之差即为P1(t)，即P1(t)＝x[t]-M1(t)；S103：如果P1(t)同时满足下述IMF模态分量两个条件，则其为第一个IMF模态分量，否则将其作为新的原始信号重复步骤S101到S102，得到P11(t)，所述P11(t)＝P1(t)-M11(t)，其中：M11(t)为P1(t)的上、下包络线的平均曲线；所述IMF模态分量满足的两个条件为：(1)整个时间历程内，穿越零点次数与极值点数相等或至多相差1；(2)且信号上任意一点，由局部极大值定义的上包络线和局部极小值点定义的下包络线的均值为0，即原始信号关于时间轴局部对称；S104：重复上述步骤S101到S103进行筛选，直到第k次筛选时由式(1)得到的P1k(t)满足上述IMF模态分量的两个条件：P1k(t)＝P1(1-k)(t)-M1k(t)(1)；S105：在实际计算时可以通过式(2)求取门限值SD来判断每次筛选结果是否为IMF模态分量，直到得到第一个IMF模态分量P1k(t)：SD=Σt=0m|P1(k-1)(t)-P1k(t)P21(k-1)(t)|---(2)]]>其中：m为电力系统信号的采样点数，门限值SD取0.2到0.3；S106：令C1(t)＝P1k(t)，则C1(t)即为第一个IMF模态分量，其包含了原始信号x[t]中周期最短的IMF模态分量；将C1(t)从x[t]中分离出来得到R1(t)，所述R1(t)＝x[t]-C1(t)；S107：将R1(t)作为新的原始信号重复以上步骤S101至S105n次，即可获得原始信号x[t]的n个IMF模态分量Ci(t),其中i＝1,2,3…n，且有公式Rn(t)＝Rn-1(t)-Cn(t)；S108：当Rn(t)为单调函数，从原始信号x[t]不能再分解出其他IMF模态分量时，整个分解过程结束，此时有如下公式：x[t]=Σi=1nCi(t)+Rn(t);]]>对各个IMF模态分量进行希尔伯特-黄变换得到瞬时频率图的具体步骤为：S201：将通过经验模态分解后获得的所有IMF模态分量Ci(t)进行希尔伯特-黄变换，其中i＝1,2,3…n，给定C(t)的希尔伯特-黄变换形式为：H[C(t)]=H(t)=Y(t)=1π∫-∞+∞C(λ)t-λdλ;]]>其中，λ为积分变量，C(t)为所有IMF模态分量Ci(t)的统称；S202：构造一个解析信号Z(t)：Z(t)＝C(t)+iH(t)＝A(t)eiθ(t)，其中i为单位虚数，i2＝-1。上式中：幅值函数：所述幅值单位为V；幅角函数：所述幅角单位为rad；即可得到，瞬时频率：所述频率单位为Hz。进一步的技术方案：所述步骤C：计算IMF模态分量间的频率差，找出开始发生模态混叠的各IMF模态分量；从原始信号x[t]中去除发生模态混叠之前的所有IMF模态分量，得到x′[t]的具体步骤为：步骤C1：定义频率差值为：df＝max(fl，fl+1，…，fr-m-1，fr-m)-min(fl，fl+1，…，fr-m-1，fr-m)，其中：fl和fr-m分别为希尔伯特-黄变换瞬时频率图中第l和r-m个瞬时频率点，其中0＜l,r,m＜t；...

【技术保护点】
一种改进的经验模态分解的谐波分析法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：中央处理器设定采样周期为T，对电力系统信号进行实时采样和量化得到原始信号x[t]，其中t＝1、2、3…m，所述m根据实际设备采样率设定,所述电力系统信号是电压信号或电流信号，其中电压信号单位为V，电流信号单位为A，采样周期单位为s；步骤B：将原始信号x[t]采用经验模态分解得到各个IMF模态分量，对各个IMF模态分量采用希尔伯特‑黄变换得到瞬时频率图；步骤C：计算IMF模态分量间的频率差，找出开始发生模态混叠的各个IMF模态分量；从原始信号x[t]中去除发生模态混叠之前的所有IMF模态分量，得到x′[t]；步骤D：对x′[t]进行频谱分析，并对处在2倍频内的IMF模态分量进行频带滤波；对滤波后的IMF模态分量采用希尔伯特‑黄变换得到此IMF模态分量的瞬时频率和幅值图。

【技术特征摘要】
1.一种改进的经验模态分解的谐波分析法，其特征在于，包括以下步
骤：
步骤A：中央处理器设定采样周期为T，对电力系统信号进行实时采
样和量化得到原始信号x[t]，其中t＝1、2、3…m，所述m根据实际设备采
样率设定,所述电力系统信号是电压信号或电流信号，其中电压信号单位
为V，电流信号单位为A，采样周期单位为s；
步骤B：将原始信号x[t]采用经验模态分解得到各个IMF模态分量，对
各个IMF模态分量采用希尔伯特-黄变换得到瞬时频率图；
步骤C：计算IMF模态分量间的频率差，找出开始发生模态混叠的各
个IMF模态分量；从原始信号x[t]中去除发生模态混叠之前的所有IMF模
态分量，得到x′[t]；
步骤D：对x′[t]进行频谱分析，并对处在2倍频内的IMF模态分量进
行频带滤波；对滤波后的IMF模态分量采用希尔伯特-黄变换得到此IMF
模态分量的瞬时频率和幅值图。
2.根据权利要求1所述的一种改进的经验模态分解的谐波分析法，
其特征在于，所述步骤B：将原始信号x[t]采用经验模态分解得到各个IMF
模态分量，对各个IMF模态分量采用希尔伯特-黄变换得到瞬时频率图的
具体步骤为：
原始信号x[t]采用经验模态分解的步骤为：
S101：第1次筛选：对原始信号x[t]所有局部极大值点和所有局部极
小值点用三次样条函数进行插值，并拟合上、下包络线；
S102：求取上、下包络线的平均值曲线M1(t)，其中t＝1、2、3…m，
则原始信号x[t]与M1(t)之差即为P1(t)，即P1(t)＝x[t]-M1(t)；
S103：如果P1(t)同时满足下述IMF模态分量两个条件，则其为第一个
IMF模态分量，否则将其作为新的原始信号重复步骤S101到S102，得到

\tP11(t)，所述P11(t)＝P1(t)-M11(t)，其中：M11(t)为P1(t)的上、下包络线的平均
曲线；
所述IMF模态分量满足的两个条件为：(1)整个时间历程内，穿越
零点次数与极值点数相等或至多相差1；(2)且信号上任意一点，由局部
极大值定义的上包络线和局部极小值点定义的下包络线的均值为0，即信
号关于时间轴局部对称；
S104：重复上述步骤S101到S103进行筛选，直到第k次筛选时由式
(1)得到的P1k(t)满足上述IMF模态分量的两个条件：
P1k(t)＝P1(1-k)(t)-M1k(t)(1)；
S105：在实际计算时可以通过式(2)求取门限值SD来判断每次筛选
结果是否为IMF模态分量，直到得到第一个IMF模态分量P1k(t)：
SD=Σt=0m|P1(k-1)(t)-P1k(t)P21(k-1)(t)|---(2)]]>其中：m为电力系统信号的采样点数，门限值SD取0.2到0.3；
S106：令C1(t)＝P1k(t)，则C1(t)即为第一个IMF模态分量，其包含了原
始信号x[t]中周期最短的IMF模态分量；将C1(t)从x[t]中分离出来得到R1(t)，
所述R1(t)＝x[t]-C1(t)；
S107：将R1(t)作为新的原始信号重复以上步骤S101至S105n次，即
可获得原始信号x[t]的n个IMF模态分量Ci(t),其中i＝1,2,3…n，且有公
式Rn(t)＝Rn-1(t)-Cn(t)；
S108：当Rn(t)为单调函数，从原始信号x[t]不能再分解出其他IMF模
态分量时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，陈浩，李华，储昭碧，刘冬梅，徐扬，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34