一种电网电压闪变包络参数提取方法技术

本发明专利技术公开了一种电网电压闪变包络参数提取方法，采用固定采样率采样电网电压闪变波形，改进Teager能量算子能量运算获得闪变包络调幅波分量，加余弦窗进行Chirp-Z变换，通过改进Chirp-Z变换提取闪变包络调幅波频率和调幅波幅值的校正因子，闪变包络调幅波幅值通过校正因子校正准确获得；利用改进能量算子和改进Chirp-Z变换相结合，改进能量算子简化了能量算子闪变包络解调的计算过程，提高了抗噪性；改进Chirp-Z变换实现了闪变频率分析范围灵活可调，有效克服了非同步采样下的频谱泄露和栅栏效应产生的误差；闪变包络调幅波幅值校正因子减少了能量算子带来的误差，实现了电网电压闪变包络参数实时准确测量。

【技术实现步骤摘要】
一种电网电压闪变包络参数提取方法
本专利技术属于信号处理
，特别涉及一种电网电压闪变包络参数提取方法。
技术介绍
电力负荷、尤其是冲击性负荷急剧增加，对电力系统构成了严重的污染，导致电网电压不稳定，产生电压波动和闪变，增加了电网的不稳定因素，给工业生产和社会生活造成了严重影响。电压闪变是电能质量的重要参数，是导致供、用电设备故障与失效的重要原因。对供、用电系统中的电压闪变进行准确测量，可为研究闪变根源、抑制和消除电压波动和闪变的影响等提供科学依据。电压闪变包络参数的准确估计是计算闪变值和评估闪变干扰严重性的最关键因素，许多方法已经被提出用于电压闪变包络参数的获取，其中广泛使用的是离散傅里叶变换(可以使用快速傅里叶变换FFT实现其快速计算)。但信号在非同步采样下，FFT存在固有的频谱泄露和栅栏效应，并且测量结果受采样频率和采样时间的限制。为了提高频率分辨率有必要考虑增加采样时间，但对于非稳态信号是不适合的。直接解调技术(IDDM)是FFT中广泛使用的包络解调方法，然而其需要平方根计算，易受到谐波干扰和电网频率偏移的影响。为了克服FFT方法的限制，卡尔曼滤波(KF)、最小绝对值估计(LAV)、连续小波变换(CWT)和S变换已被运用到电压闪变参数估计中来。对于卡尔曼滤波的应用，受限于其模型参数的准确估计，并且其存在计算量大的问题，难以在嵌入式实现。最小绝对值估计方法假设电压闪变频率已知，在闪变频率变动条件下，难以得到准确的测量结果，并且也存在计算量大的问题。连续小波变换难以选择合适的小波基函数，获取准确的参数模型困难，同样存在计算量大的问题。近年来，S变换因其具有时频分析能力，被运用到闪变分析中来，但该方法不仅存在计算量大的问题而且受限于频率分辨率的影响，难以准确得到电压闪变参数。Teager能量算子因其简单、快速和准确的优点已被广泛使用到闪变包络追踪中来，但其存在高频误差，且易受噪声影响。在不改变采样频率和采样时间的条件下，Chirp-Z变换提高了频率分辨率减小了测量误差，已被运用到闪变分析中。但该方法仍然存在非同步采样下矩形波截断信号引起的频谱泄露和栅栏效应，难以准确提取闪变参数，特别是邻近调幅波分量。
技术实现思路
为克服已有技术、方法的不足，本专利技术提供一种电压闪变包络参数提取方法，该方法能有效减小Teager能量算子的误差及非同步采样条件下频谱泄露和栅栏效应产生的误差，克服电网频率波动、谐波和间谐波及噪声对测量结果的影响，实现快速实时、高准确度的电压波动包络参数的提取。一种电网电压闪变包络参数提取方法，包括以下几个步骤：步骤1：对被测的电压闪变信号进行采样和模数转换得到离散信号u(n)，利用改进型Teager能量算子对离散信号进行能量运算，获得含有闪变包络调幅波分量的离散序列ψ[u(n)]，电压闪变信号采样频率为fs和采样点数N；所述改进型Teager能量算子的离散形式为：ψ[x(n)]＝x2(n)-x(n-k)x(n+k)(1)其中，n为离散采样时刻，n-k和n+k分别表示该采样点时刻n的前后k个采样点值，k的取值范围为1～8；【闪变是指人眼对由一定频率的电压波动所引起的照明异常而产生的直观视觉感受，是由电网电压的幅值波动变化所引起的。通常将闪变看作是以电网中的工频电压为载波，以电压波动分量作为调幅波，调制该载波电压均方根或峰值的结果。Teager能量算子是Teager在语音建模时提出的一种非线性算子，只用信号的三个样点即可快速跟踪信号的幅值和角频率变化，对信号频率和幅值追踪能力强，但信号的所有变化都反映到能量算子中，因此其对噪声和电压突变敏感。在本技术方案中，所选用的改进型Teager能量算子不是采用紧密相邻的三个点进行计算，而是取信号相隔k进行计算。】步骤2：利用余弦时域窗w(n)对离散序列ψ[u(n)]进行加权处理，得到加权后的离散序列s(n)；步骤3：对加权后的离散序列s(n)做改进型Chirp-Z变换谱分析得到离散频谱XCZT(k)；其中，所述改进型Chirp-Z变换谱分析是指对长度为N的离散序列s(n)进行谱分析，其离散频谱表达式为：【该Chirp-Z变换忽略二次谐波分量及其他闪变包络调幅波分量对第i项闪变包络调幅波分量的泄露干扰；】式中，θi为第i项闪变包络调幅波的初相角；Nz为改进型Chirp-Z变换数据长度，Nz＝fs·M/(fh-fl)，[fl,fh]为Chirp-Z变换的频带分析范围，M为改进型Chirp-Z变换的细分点数，W(·)为余弦时域窗的离散频谱函数；步骤4：对得到的离散频谱XCZT(k)用多项式逼近的方法获得闪变包络调幅波频率fi的修正算式，从而获得闪变包络调幅波幅值的校正因子Ki；所述闪变包络调幅波频率fi采用以下修正算式计算获得：fi＝kiΔfz+fl＝(η+ki1+0.5)Δfz+fl(3)【由于非同步采样造成的栅栏效应，闪变包络中的第i项闪变包络调幅波的峰值频率ki·Δfz+fl很难正处于离散谱线频点上，即ki一般不为整数；】其中，峰值点ki附近幅值最大和次最大的谱线分别ki1和ki2，ki1≤ki≤ki2＝ki1+1，最大和次最大的谱线对应的幅值分别为yi1＝|XCZT(ki1)|和yi2＝|XCZT(ki2)|，ki为闪变包络调幅波频率fi对应频谱的位置，ki＝(fi-fl)/Δfz，Δfz为频率分辨率，Δfz＝(fh-fl)/M；η为闪变包络调幅波频率频谱位置调节参数，η＝ki－ki1－0.5，η取值范围为[-0.5,0.5]，ξ为闪变包络调幅波频率频谱位置求取设定参数，ξ＝(yi1－yi2)/(yi1+yi2)；且η＝h-1(ξ)＝H(ξ)，其中，将η在[-0.5,0.5]内取一组值，由ξ＝h(η)得到对应的ξ的值，调用polyfit(η,ξ,ρ)函数进行反拟合，ρ是拟合逼近多项式的阶数，求出多项式H(ξ)的系数；所述闪变包络调幅波幅值的校正因子Ki：式中，Ω0＝2πf0/fs,Ωi＝2πfi/fs，f0为基波频率；步骤5：利用所述校正因子Ki修正获得准确的闪变包络调幅波分量的幅值mi：其中，g(η)表示与闪变包络调幅波频率频谱位置调节参数η有关的多项式；将η在[-0.5,0.5]内取一组值，由公式的简化式mi＝Nz-1(yi1+yi2)g(η)得出对应的g(η)值，调用polyfit(η,g(η),ρ)函数求出多项式g(η)的系数。优选的，采用固定采样频率fs取值范围在200Hz～64KHz，在电网频率45～55Hz范围内，fs不随电网频率同步变化。优选的，所述含有闪变包络调幅波分量的离散序列ψ[u(n)]计算公式如下：其中，U0、θ0分别为电网基波电压的幅值和初相角；mi、θi`分别为第i项闪变包络调幅波的波动系数和初相角；h为电压闪变包络调幅波的项数；fi为闪变包络调幅波分量的频率；ψ1(n)为直流分量，ψ2(n)为闪变包络调幅波分量，ψ3(n)为二次谐波分量，ψ4(n)为闪变包络调幅波幅值调制的二次谐波分量。【离散序列ψ[u(n)]的简化推导过程如下：对离散的电压闪变信号u(n)进行改进能量算子运算，可得式中，D(n)和E(n)分别为提取因子和误差因子。对于离散形式，为简化电压闪变能量算子公式，展开D(n)和E(n)中的ψ[1+v本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电网电压闪变包络参数提取方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1：对被测的电压闪变信号进行采样和模数转换得到离散信号u(n)，利用改进型Teager能量算子对离散信号进行能量运算，获得含有闪变包络调幅波分量的离散序列ψ[u(n)]，电压闪变信号采样频率为fs和采样点数N；所述改进型Teager能量算子的离散形式为：ψ[x(n)]＝x2(n)‑x(n‑k)x(n+k)其中，n为离散采样时刻，n‑k和n+k分别表示该采样点时刻n的前后k个采样点值，k的取值范围为1～8；步骤2：利用余弦时域窗w(n)对离散序列ψ[u(n)]进行加权处理，得到加权后的离散序列s(n)；步骤3：对加权后的离散序列s(n)做改进型Chirp‑Z变换谱分析得到离散频谱XCZT(k)；其中，所述改进型Chirp‑Z变换谱分析是指对长度为N的离散序列s(n)进行谱分析，其离散频谱表达式为：XCZT(k)=mi2jejθiW[2π(k-ki)/NZ]]]>式中，θi为第i项闪变包络调幅波的初相角；Nz为改进型Chirp‑Z变换数据长度，Nz＝fs·M/(fh‑fl)，[fl,fh]为Chirp‑Z变换的频带分析范围，M为改进型Chirp‑Z变换的细分点数，W(·)为余弦时域窗的离散频谱函数；步骤4：对得到的离散频谱XCZT(k)用多项式逼近的方法获得闪变包络调幅波频率fi的修正算式，从而获得闪变包络调幅波幅值的校正因子Ki；所述闪变包络调幅波频率fi采用以下修正算式计算获得：fi＝kiΔfz+fl＝(η+ki1+0.5)Δfz+fl其中，峰值点ki附近幅值最大和次最大的谱线分别ki1和ki2，ki1≤ki≤ki2＝ki1+1，最大和次最大的谱线对应的幅值分别为yi1＝|XCZT(ki1)|和yi2＝|XCZT(ki2)|，ki为闪变包络调幅波频率fi对应频谱的位置，ki＝(fi‑fl)/Δfz，Δfz为频率分辨率，Δfz＝(fh‑fl)/M；η为闪变包络调幅波频率频谱位置调节参数，η＝ki－ki1－0.5，η取值范围为[‑0.5,0.5]，ξ为闪变包络调幅波频率频谱位置求取设定参数，ξ＝(yi1－yi2)/(yi1+yi2)；且η=h-1(ξ)=H(ξ),ξ=h(η)=|W(2π(-η+0.5)N2)|-|W(2π(-η-0.5)Nz)||W(2π(-η+0.5)Nz)|+|W(2π(-η-0.5)Nz)|;]]>将η在[‑0.5,0.5]内取一组值，由ξ＝h(η)得到对应的ξ的值，调用polyfit(η,ξ,ρ)函数进行反拟合，ρ是拟合逼近多项式的阶数，求出多项式H(ξ)的系数；所述闪变包络调幅波幅值的校正因子Ki：Ki=2sin2(kΩ0)+4sin2(kΩi2)[12-sin2(kΩ0)]]]>式中，Ω0＝2πf0/fs,Ωi＝2πfi/fs，f0为基波频率；步骤5：利用所述校正因子Ki修正获得准确的闪变包络调幅波分量的幅值mi：mi=(yi1+yi2)(NZ·U02·Ki)-1g(η)]]>其中，g(η)表示与闪变包络调幅波频率频谱位置调节参数η有关的多项式；将η在[‑0.5,0.5]内取一组值，由公式的简化式mi＝Nz‑1(yi1+yi2)g(η)得出对应的g(η)值，调用polyfit(η,g(η),ρ)函数求出多项式g(η)的系数。...

【技术特征摘要】
1.一种电网电压闪变包络参数提取方法，其特征在于，包括以下几个步骤：步骤1：对被测的电压闪变信号进行采样和模数转换得到离散信号u(n)，利用改进型Teager能量算子对离散信号进行能量运算，获得含有闪变包络调幅波分量的离散序列ψ[u(n)]，电压闪变信号采样频率为fs和采样点数N；所述改进型Teager能量算子的离散形式为：ψ[x(n)]＝x2(n)-x(n-k)x(n+k)其中，n为离散采样时刻，n-k和n+k分别表示该采样点时刻n的前后k个采样点值，k的取值范围为2～8；步骤2：利用余弦时域窗w(n)对离散序列ψ[u(n)]进行加权处理，得到加权后的离散序列s(n)；步骤3：对加权后的离散序列s(n)做改进型Chirp-Z变换谱分析得到离散频谱XCZT(k)；其中，所述改进型Chirp-Z变换谱分析是指对长度为N的离散序列s(n)进行谱分析，其离散频谱表达式为：式中，θi为第i项闪变包络调幅波的初相角；Nz为改进型Chirp-Z变换数据长度，Nz＝fs·M/(fh-fl)，[fl,fh]为Chirp-Z变换的频带分析范围，M为改进型Chirp-Z变换的细分点数，W(·)为余弦时域窗的离散频谱函数；步骤4：对得到的离散频谱XCZT(k)用多项式逼近的方法获得闪变包络调幅波频率fi的修正算式，从而获得闪变包络调幅波幅值的校正因子Ki；所述闪变包络调幅波频率fi采用以下修正算式计算获得：fi＝kiΔfz+fl＝(η+ki1+0.5)Δfz+fl其中，峰值点ki附近幅值最大和次最大的谱线分别ki1和ki2，ki1≤ki≤ki2＝ki1+1，最大和次最大的谱线对应的幅值分别为yi1＝|XCZT(ki1)|和yi2＝|XCZT(ki2)|，ki为闪变包络调幅波频率fi对应频谱的位置，ki＝(fi-fl)/Δfz，Δfz为频率分辨率，Δfz＝(fh-fl)/M；η为闪变包络调幅波频率频谱位置调节参数，η＝ki－ki1－0.5，η取值范围为[-0.5,0.5]，ξ为闪变包络调幅波频率频谱位置求取设定参数，ξ＝(yi1－yi2)/(yi1+...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云鹏，李峰，曹一家，陈婧，李林，柯盼盼，滕召胜，黎灿兵，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43