基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法技术

基于多项式拟合以及非干扰区间划分的间谐波检测方法，首先，通过电力互感器将电网信号转换为二次侧离散信号；其次，通过特定的窗函数及离散傅里叶变换获得该信号的频谱信息；然后，采用类信噪比公式计算出频谱小包附近谱线相对于峰值处的响度；以一定数值的响度作为阈值截断小包，将截断的长度作为依据分辨主瓣类型；继而，通过多项式拟合构造一侧谱线的对称轴，将谱线对称至另一侧并划分出非干扰区域；最后，根据非干扰区域内的谱线建立插值公式并求解偏移量。以偏移量为依据即可推算出谐波的幅值、频率、相角等参数。本发明专利技术能够判别信号的频域内是否出现主瓣干扰，在出现主瓣干扰的情况下也能有效划分出不受干扰或受干扰较小的区域。

Interharmonics detection method based on polynomial fitting and non interference region partition

Based on polynomial fitting and non-interference interval partition, firstly, the power network signal is transformed into the second-side discrete signal by the power transformer; secondly, the spectrum information of the signal is obtained by the specific window function and discrete Fourier transform; then, the spectrum packet is calculated by the similar signal-to-noise ratio formula. The loudness of the nearby spectral lines relative to the peak value is taken as the threshold truncation packet, and the truncated length is used as the basis to distinguish the main lobe type. Then, the symmetrical axis of one spectral line is constructed by polynomial fitting, and the spectral line is symmetrical to the other side and divided into non-interference regions. The spectral line is used to establish the interpolation formula and solve the offset. Based on the offset, we can calculate the amplitude, frequency, phase angle and other parameters of the harmonic. The invention can distinguish whether the main lobe interference occurs in the frequency domain of the signal, and can effectively divide the area which is not disturbed or is less disturbed when the main lobe interference occurs.

【技术实现步骤摘要】
基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法
本专利技术属于电力系统谐波信号检测
，尤其涉及一种基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法。
技术介绍
随着用户对电能质量要求的提高，如何精确地检测并过滤谐波显得尤为重要。目前，有源滤波技术能够较好地治理谐波问题。该技术中一个重要环节是采用离散傅里叶变换(DFT)处理信号，从而分析出谐波相关的信息。近年来，各种高级窗函数以及各种复杂的插值公式被引入傅里叶变换的线路中，常规谐波的检测精度已能够达到较为理想水平。“频谱泄漏”以及“栅栏效应”所造成的误差均能被有效抑制。然而，这些工具在面对间谐波所造成的“主瓣干扰”时，其检测进度仍有较大的改善空间。存在的问题主要有两方面：(1):主瓣干扰会对常规谐波的谱线造成巨大影响。这使得插值过程中所选用的谱线无法准确描述该谐波的信息，导致所计算出的结果与理论值之间存在较大偏差。(2):目前许多方法的思路，都是从混合的谱线中分离出两种谐波谱线。这类“分离主瓣式”的方法未必能够精准、完美地分离两种谐波。无论是分离的量不足，还是分离的量过多，都会对检测结果的精度造成影响。同时，由于谐波检测对结果的精度要求极高，此类方法未必能够充分满足其精度要求。考虑以上因素，本专利技术专利公开一种新的间谐波检测方法。该方法针对间谐波所造成的主瓣干扰问题，采用多项式拟合以及划分非干扰区域等手段，提高间谐波的参数检测精度。
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多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法，该方法能够有效分辨频域内的主瓣干扰现象，且能够分别检测出相互干扰的两个正弦波的参数，具有较好的间谐波检测能力。本专利技术采取的技术方案为：基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法，包括以下步骤：步骤1：通过电流互感器，将电网中的电流转化为二次侧可供仪器测量的信号，再通过采样获得一定长度的离散信号。步骤2：构造与离散信号长度一致的唯主瓣类窗函数。并对该窗的主瓣进行多项式拟合，得到主瓣频率与响度之间的关系。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，通过类信噪比公式计算出峰值附近谱线相较于峰值的响度，所得响度图类似“小包”状。步骤5；以一定数值的响度作为阈值截断各小包，通过所截断的宽度判断该频域内是否存在主瓣干扰。步骤6；对于存在主瓣干扰的小包，将其一侧的阈值以下、-300dB以上的谱线按对称轴翻转至另一侧。并以对称的结果为依据，划分出非干扰区间。步骤7；采用非干扰区间中的谱线建立插值公式，计算出偏移量δ，继而求解出谐波对应的频率、幅值、相角。所述步骤1中，所述离散信号为电流信号、或者电压信号。所述步骤2中，唯主瓣类窗特征为：仅主瓣的峰值高于-300dB，所有旁瓣峰值均低于-300dB。允许零星波动的频点数值高于-300dB，但波动值不得高于-280dB。所述步骤2中，多项式拟合为：以各谱线数值相对于k＝0Hz谱线数值的响度作为自变量；以该谱线对应的频率作为因变量。所述步骤2中，多项式拟合以各谱线的数值相对于谱线数值的响度作为自变量，以谱线对应的频率作为因变量，通过最小二乘法计算出其表达式。其结果形似：其中：h为拟合项数，ch为每项相应的系数；H为最大项数，该参数的选择可视检测精度而定，一般7至10次即可；x为主瓣上谱线的响度，单位为dB；r(x)为响度为x的谱线对应的频率，单位为Hz。所述步骤3中，离散傅里叶变换的所选参数与窗函数的阶数有关，以8阶Blackman-Harris自卷积窗为例，所采用的DFT公式为：其中，x(n)为离散信号；w(n)为离散的窗函数。所述步骤4中，类信噪比公式为：G＝20·lg(s/n)。其中，s为各谱线数值，n为局部最大值。所述步骤5中，阈值为：其数值比旁瓣的响度高80dB左右，且能够保证所有谐波的旁瓣在波动状态下，均无法超过该数值。所述步骤5中，判断存在主瓣干扰的依据为：以阈值截断单个正弦波频域小包所得的宽度为基础，向上增加1至2根谱线作为裕度。若实际截断宽度大于该数值，则存在主瓣干扰；反之则不存在主瓣干扰。所述步骤6中，按对称轴翻转为：通过步骤2建立的关系式求解出对称轴。将小包单侧的谱线：其数值在阈值以下、-300dB以上，以对称轴为基准进行对称。所述“按对称轴翻转”分为两个步骤：Step1对称轴的构造部分，其特征为：以小包某一侧的谱线(其数值在阈值以下、-300dB以上)数值作为基础，通过多项式拟合计算出对应的“宽度”。然后将谱线的频率向小包内侧偏移相应宽度。平均各偏移结果，将均值所对应的谱线作为对称轴。Step2谱线对称部分，其特征为：将小包某一侧的谱线(其数值在阈值以下、-300dB以上)按照对称轴，对称至另一侧。所述步骤6中，边界划分方法为：将对称结果最外侧的谱线，以及结果同侧的第一根响度低于-300dB的谱线作为边界。所述步骤7中，建立插值公式为：所采用谱线位于非干扰区域中，且位于偏向小包内部的一侧。本专利技术一种基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法，有益效果如下：(1)、能够辨明主瓣干扰：本专利技术所公布的算法通过截断频域上的小包，来判断是否存在主瓣干扰。该方法以不受主瓣干扰的正弦波的截断宽度为依据，计算出划分阈值。该阈值能够定量比较实际的截断宽度，从而准确判断是否存在主瓣干扰。(2)、对频谱泄露抗性强：通常而论，唯主瓣类窗在频域中的旁瓣数值普遍较低。这一特性有利于减少频谱泄漏，提高谐波参数检测精度。(3)、检测精度高：相比与常规的“分离主瓣式”间谐波检测方法，本专利技术所公布的方法通过划分非干扰区域，避开了主瓣干扰的影响范围，同时也不会产生由于分离不够充分或分离过于激进带来的计算误差。因此该方法具有较高检测精度。附图说明图1为本专利技术检测方法流程图。图2(a)为三种唯主瓣类窗函数的整体频谱图。图2(b)为三种唯主瓣类窗函数旁瓣处的局部放大图。图3为以一定数值的响度作为阈值截断频域中的小包示意图。图4为通过多项式拟合构造的对称轴、以及谱线对称的过程图。图5为非干扰区域内的谱线与理论频点之间的关系图。具体实施方式基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法，包括以下步骤：步骤1；获取含有间谐波的离散信号。此处定义该信号如式(1)所示：其中：N为信号总长度，各采样点n＝0,1,2,...,N-1。fz、Az、分别为第z次谐波的频率、幅值、相角，Z为总谐波次数；Ts为相邻两个采样点之间的时间间隔，若采样频率为Fs，则Ts＝1/Fs。步骤2；构造与离散信号一致的唯主瓣类窗函数。此处以8阶Blackman-Harris自卷积窗为例，其表达式为：w(n)＝[(b*b)*(b*b)]*[(b*b)*(b*b)](2)其中符号b指长度为N/8单个Blackman-Harris窗，表达式见公式(3)所示。其中：M为单个窗总长度，有M＝N/8；aq(q＝0,1,2,3)为Blackman-Harris窗的各项系数：a0＝0.35875、a1＝0.48829、a2＝0.14128、a3＝0.01168。将8个窗函数按照式(2)的次序卷积后，即可得到最终的8阶卷积窗w(n)。对其本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：通过电流互感器，将电网中的电流转化为二次侧可供仪器测量的信号，再通过采样获得一定长度的离散信号；步骤2：构造与离散信号长度一致的唯主瓣类窗函数；并对该窗的主瓣进行多项式拟合，得到主瓣频率与响度之间的关系；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，通过类信噪比公式计算出峰值附近谱线相较于峰值的响度，所得响度图类似“小包”状；步骤5；以一定数值的响度作为阈值截断各小包，通过所截断的宽度判断该频域内是否存在主瓣干扰；步骤6；对于存在主瓣干扰的小包，将其一侧的阈值以下、‑300dB以上的谱线按对称轴翻转至另一侧；并以对称的结果为依据，划分出非干扰区间；步骤7；采用非干扰区间中的谱线建立插值公式，计算出偏移量δ，继而求解出谐波对应的频率、幅值、相角。

【技术特征摘要】
1.基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：通过电流互感器，将电网中的电流转化为二次侧可供仪器测量的信号，再通过采样获得一定长度的离散信号；步骤2：构造与离散信号长度一致的唯主瓣类窗函数；并对该窗的主瓣进行多项式拟合，得到主瓣频率与响度之间的关系；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，通过类信噪比公式计算出峰值附近谱线相较于峰值的响度，所得响度图类似“小包”状；步骤5；以一定数值的响度作为阈值截断各小包，通过所截断的宽度判断该频域内是否存在主瓣干扰；步骤6；对于存在主瓣干扰的小包，将其一侧的阈值以下、-300dB以上的谱线按对称轴翻转至另一侧；并以对称的结果为依据，划分出非干扰区间；步骤7；采用非干扰区间中的谱线建立插值公式，计算出偏移量δ，继而求解出谐波对应的频率、幅值、相角。2.根据权利要求1所述基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法，其特征在于：所述步骤2中，唯主瓣类窗特征为：仅主瓣的峰值高于-300dB，所有旁瓣峰值均低于-300dB；允许零星波动的频点数值高于-300dB，但波动值不得高于-280dB。3.根据权利要求1所述基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法，其特征在于：所述步骤2中，多项式拟合为：以各谱线数值相对于k＝0Hz谱线数值的响度作为自变量；以该谱线对应的频率作为因变量；所述步骤2中，多项式拟合以各谱线的数值相对于谱线数值的响度作为自变量，以谱线对应的频率作为因变量，通过最小二乘法计算出其表达式；其结果形似：其中：h为拟合项数，ch为每项相应的系数；H为最大项数，该参数的选择可视检测精度而定，一般7至10次即可；x为主瓣上谱线的响度，单位为dB；r(x)为响度为x的谱线对应的频率，单位为Hz。4.根据权利要求1所述基于多项式拟合及非干扰区域划分的间谐波检测方法，其特征在于：所述步骤3中，离散傅里叶变换的所选参数与窗函数的阶数有关，以8阶Blackma...

【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