基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法技术

基于三角‑矩形混合卷积窗及加速粒子群优化算法的间谐波检测方法，其步骤如下：首先，通过电力互感器将电网电流/电压信号转换为二次侧离散信号；其次，构造与该信号长度一致的三角‑矩形混合卷积窗，将其与信号相乘；然后，对加窗信号进行离散傅里叶变换，并在频域中找到合适的谱线构造插值公式；继而，按照常规的插值算法，预计算出局部区域内所有正弦波的参数；最后，将预计算的结果整理成矩阵，作为初始粒子代入加速的PSO算法。通过迭代对粒子进行优化，从而获得精度较高的谐波参数。该方法避免了分解受主瓣干扰的频谱，通过进化类算法优化预计算的解。因此，该方法能够稳定提高检测精度，且具较强泛用性。

【技术实现步骤摘要】
基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法
本专利技术属于电力系统谐波信号检测
，具体是一种基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法。
技术介绍
谐波检测是电能质量检测的重要任务之一。随着大量非线性元件引入电网，间谐波的治理越来越重要。相较于常规的谐波检测，频率不规律的间谐波易在频域中造成主瓣干扰。由于传统的插值DFT算法通过频域内的谱线计算谐波参数，主瓣干扰的出现会严重降低其检测精度。在间谐波的治理问题上，小波变换及类似的原子算法能够较好地分解频域信息。相较于传统的插值DFT算法，该类方法避免了分析受干扰谱线。但该类方法的问题在于，算法中的基底并不与正弦波的频谱完全一致。这导致频域中的分解过程始终无法达到尽善尽美。因此，在解决间谐波造成的主瓣干扰问题上，现有算法还有较大改善空间。
技术实现思路
为解决间谐波与相邻正弦波频率相近所造成的主瓣干扰现象，本专利技术公开了一种基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法。该方法先采用插值DFT算法，预计算出一组较大致合理的数值解，再运用加速的PSO算法对该解的精度进行优化。相较于单纯的频域谱线分析方法而言，该方法能够避免分析受干扰谱线；且在重构频域中各矢量时，能够脱离基底的限制，生成与正弦波轮廓更贴近的谱线。因此，该算法具有更好的检测精度。本专利技术采取的技术方案为：基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法，包括以下步骤：步骤1：通过电流互感器，将高压侧电流转换到低压侧可供仪器采样的离散信号；步骤2：构造与离散信号长度一致的混合卷积窗，并对该混合卷积窗的主瓣进行多项式拟合，获得大致的主瓣轮廓；步骤3：将步骤2所构造出的窗函数与离散信号相乘，并对乘积进行离散傅里叶变换DFT，获得信号的频谱信息；步骤4：搜索频域上各峰值，判断局部是否存在主瓣干扰现象；步骤5：对于存在主瓣干扰的区域，选择受主瓣干扰较轻的谱线建立插值公式，进而预计算出一组谐波参数的解；步骤6；以步骤5中预计算的解作为初始值，通过加速的PSO算法改善其精度。步骤1中，所述离散信号通常为电流信号，特殊情况下也包含电压信号。由于计算机、开发版等仪器无法处理连续信号，因此需通过采样仪器将连续信号转换成离散信号，然后运用仪器进行分析。通常检测中，通过采样所获得的信号为离散电流信号，少数情况下，也对离散电压信号进行检测。其特征在于，该信号为能够被仪器或计算机识别的、离散的电流或电压信号。步骤2中，所述混合卷积窗的阶数允许为4、8、16，且构成该卷积窗的各单元只能为三角窗或矩形窗。在窗的阶数方面，高阶的卷积窗能够较好地抑制频谱泄漏、旁瓣干扰等误差，使后续的PSO算法避免不必要的分析；而在卷积单元的选择方面，三角窗和矩形窗所对应的离散傅里叶变换，在单个频点上仅生成一个相量，这一特征有助于提高PSO算法的计算效率。其特征在于，混合卷积窗的阶数通常在4阶以上。且构成该窗的单元只能为三角窗或矩形窗。步骤2中，所述多项式拟合以各谱线的响度作为自变量；以该谱线对应的频率作为因变量。在已知某频点的响度的情况下，可通过此多项式预估出该点相距频谱峰值的宽度，这有助于在插值计算中，根据所采用谱线的频率定位出一条与理论频点相近的谱线，作为计算偏移量的依据。其特征在于：以各谱线的响度作为自变量，以谱线对应的频率作为因变量，用于根据所取得的谱线响度，预估出一个大致的峰值位置。步骤4中，判断是否存在主瓣干扰的依据为：首先，判断任意两个峰值之间的距离是否小于半个主瓣宽度，若小于，则存在主瓣干扰。其理由在于，谐波对应的频率位于局部峰值附近，该谐波的辐射范围为，以频点为中心、左右各半个主瓣宽度的区域。若两个峰值之间的距离小于半个主瓣宽度，则二者之间必定存在一部分相互重叠的主瓣。若大于，则须进一步分析。将各峰值处的谱线轮廓与主瓣轮廓对比，若轮廓偏差较大，则存在主瓣干扰；反之，则不存在主瓣干扰。其理由在于，根据图1(a)和图1(b)可得知，频域中两个主瓣的谱线相互叠加时，叠加后的轮廓与单个正弦波的轮廓相差极大。故可以此为依据，判断二者之间是否发生主瓣干扰。步骤5中，对“受主瓣干扰较轻的谱线”的选择依据为：1)、当局部仅有两个正弦波，二者相互干扰时；应选择取偏向峰值外侧、响度在160dB附近的数根谱线建立插值公式；2)、当部存在的间谐波数量较多时；最左、最右侧的正弦波应选取偏向峰值外侧、响度在160dB附近的数根谱线建立插值公式，位于中部的正弦波选择峰值附近的谱线建立插值公式。步骤5中，预计算出一组谐波参数的解，其特征在于：该解是一个维度为z′×3的矩阵，z′为局部范围内存在的正弦波个数，且每一行矩阵中，包括该正弦波的频率、幅值、相角等参数。其理由在于，由于该粒子包含了局部频域内的所有正弦波参数的估计值，可根据该数值重构出局部频域内各频点对应的和矢量。在PSO算法中，可通过比较该和矢量与实际变换得到的矢量之间的差距，对粒子的适应度做出评价，从而进一步优化其数值。步骤6中，PSO算法包括PSO本身的特征和加速算法的特征，其中：PSO算法本身的特征在于：1)、群体中第i个粒子的格式为：其中：p(i)为第i个粒子；对于存在z′个正弦波的主瓣干扰区域，其参数整理如下。f为频率列相量，有：为第z′个正弦波的频率预计算值；A为幅值列相量，有：为第z′个正弦波的幅值预计算值；为相角列相量，有：为第z′个正弦波的相角预计算值；2)、该算法的目标函数为：实际频域内各矢量的幅值、相角，与根据粒子数据重构出的各矢量幅值、相角之间相对误差的均值，即：其中：X(kg′)为实际离散傅里叶变换得到的矢量；为根据粒子数据重构得到的矢量；g为所观测的局部频域中，第g支谱线的编号；kg′为第g支谱线的调整频率；符号arg[·]表示矢量的相角；Fit(i)为第i个粒子的适应度，该数值越小越好。PSO加速的特征体现在3个方面：1)采用变惯性权重：ω＝ωSt-(ωSt-ωEd)×(t/Tmax)2其中：ωSt为初始权重，建议取值0.9；ωEd为终止权重，建议取值0.4；t为迭代次数；Tmax为最大迭代次数。由于谐波检测对算法实时性有一定要求，建议Tmax的取值不超过100。2)仅选择三角窗或矩形窗作为构成卷积窗的单元；3)当频率的数值精度低于10-5时，将其数值锁定在10-5量级上。本专利技术一种基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法，有益效果如下：(1)、能够广泛地优化其他计算结果：加速的PSO算法建立在预计算的结果基础上。对于其他插值DFT算法，只要其结果可整理为频率、幅值、相角等参数，PSO算法均可对其精度进行优化。且该优化能够使参数的相对误差降低至少两个数量级。(2)、具有较高的误差抗性：本专利技术中所采用的窗为高阶卷积窗，此类窗的旁瓣数值普遍较低。这一特性能够有效避免频谱泄露误差以及采样造成的白噪声误差。(3)、能够处理严重的主瓣干扰问题：当频谱受到严重主瓣干扰时，局部的谱线上往往受到两个甚至两个以上的正弦波干扰。此时，常规的分解方法难以对各成份进行分离，或分离精度较低。而PSO算法从重构谱线的角度出发，避免了分解受干扰的谱线。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：图1(a)为受到主瓣干扰的信号的频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于三角‑矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：通过电流互感器，将高压侧电流转换到低压侧可供仪器采样的离散信号；步骤2：构造与离散信号长度一致的混合卷积窗，并对该混合卷积窗的主瓣进行多项式拟合，获得大致的主瓣轮廓；步骤3：将步骤2所构造出的窗函数与离散信号相乘，并对乘积进行离散傅里叶变换DFT，获得信号的频谱信息；步骤4：搜索频域上各峰值，判断局部是否存在主瓣干扰现象；步骤5:对于存在主瓣干扰的区域，选择受主瓣干扰较轻的谱线建立插值公式，进而预计算出一组谐波参数的解；步骤6；以步骤5中预计算的解作为初始值，通过加速的PSO算法改善其精度。

【技术特征摘要】
1.基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：通过电流互感器，将高压侧电流转换到低压侧可供仪器采样的离散信号；步骤2：构造与离散信号长度一致的混合卷积窗，并对该混合卷积窗的主瓣进行多项式拟合，获得大致的主瓣轮廓；步骤3：将步骤2所构造出的窗函数与离散信号相乘，并对乘积进行离散傅里叶变换DFT，获得信号的频谱信息；步骤4：搜索频域上各峰值，判断局部是否存在主瓣干扰现象；步骤5:对于存在主瓣干扰的区域，选择受主瓣干扰较轻的谱线建立插值公式，进而预计算出一组谐波参数的解；步骤6；以步骤5中预计算的解作为初始值，通过加速的PSO算法改善其精度。2.根据权利要求1所述基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法，其特征在于：步骤1中，所述离散信号包括电流信号、或者电压信号。3.根据权利要求1所述基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法，其特征在于：步骤2中，所述混合卷积窗的阶数允许为4、8、16，且构成该卷积窗的各单元只能为三角窗或矩形窗。4.根据权利要求1所述基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法，其特征在于：步骤2中，所述多项式拟合以各谱线的响度作为自变量；以该谱线对应的频率作为因变量。5.根据权利要求1所述基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法，其特征在于：步骤4中，判断是否存在主瓣干扰的依据为：首先，判断任意两个峰值之间的距离是否小于半个主瓣宽度，若小于，则存在主瓣干扰；若大于，则须进一步分析；将各峰值处的谱线轮廓与主瓣轮廓对比，若轮廓偏差较大，则存在主瓣干扰；反之，则不存在主瓣干扰。6.根据权利要求1所述基于三角-矩形混合卷积窗及加速PSO算法的间谐波检测方法，其特征在于：步骤5中，对“受主瓣干扰较轻的谱线”的选择依据为：1)、当局部仅有两个正弦波，二者相互干扰时；应选择取偏向峰值外侧、响度在1...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐艳春，杜于飞，李振兴，李振华，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42