基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法，步骤1：利用建立的五点改进能量算子，基于非稳态电压闪变信号的调制模型，获取非稳态电压闪变包络信号的分量v(n)；步骤2：采用变分模态分解方法对v(n)进行分析，基于能量损失系数和能量差确定自适应确定模态个数K值；步骤3：通过自适应变分模态将对v(n)分解得到K个IMF分量，对每个分量进行Hilbert变换，求取每个分量的瞬时频率f

【技术实现步骤摘要】
基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法
本专利技术涉及一种基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法。
技术介绍
随着电力电子技术的发展，越来越多的非线性和冲击性负荷注入电力系统中，导致大量短时电压波动和闪变等电能质量问题，电压闪变更多的呈现出非稳态、时变的特点，而目前大部分研究都集中在稳态情况下的闪变检测，对非稳态情况下的电压闪变研究较少。闪变包络的精确提取是分析检测闪变的前提，非稳态电压闪变信号由于其闪变幅值可能突变，其包络信号会多转折点，传统的的能量算子会在转折点出产生很大的误差，而Hilbert变换提取包络的方法会在转折点出产生边缘效应，严重影响闪变参数的检测。短时傅里叶变换(Short-TimeFourierTransform，STFT)、S变换和小波变换等方法被应用于非稳态时变信号分析，但STFT的时频窗口固定，只适合于分析特征尺度大致相同的过程，对于多尺度过程和突变过程效果较差，而S变换计算量大，运行时间长，小波变换则存在小波基选择困难的问题。希尔伯特-黄变换(Hilbert-HuangTransform，HHT)能有效处理非线性非平稳信号，可同时在时间和频率达到很高的精度，实现非稳态时变电压闪变信号的测量，而且避免了小波基选取的问题，但HHT中的核心部分经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition，EMD)方法存在的模式混淆问题，有时无法准确分解出所有闪变包络分量。为了有效解决EMD存在的问题，Dragomiretskiy等人在2014年提出了变分模态分解(VariationalModeDecomposition，VMD)。与EMD相比，该方法通过预设模式数实现多分量信号的准确分离，而且分解精度更高，现主要被应用于机械故障诊断中。因此，有必要设计一种用于分析非稳态电压闪变的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法易于实施，且检测的精度高，误差小。专利技术的技术解决方案如下：一种基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法，包括以下步骤：步骤1：利用建立的五点改进能量算子，基于非稳态电压闪变信号的调制模型，获取非稳态电压闪变包络信号的分量v(n)；步骤2：采用变分模态分解方法对v(n)进行分析，基于能量损失系数和能量差确定自适应确定模态个数K值；步骤3：通过自适应变分模态将对v(n)分解得到K个IMF分量，对每个分量进行Hilbert变换，求取每个分量的瞬时频率fj和瞬时幅值mj；步骤4：基于K个IMF分量对应的闪变分量确定闪变的起止时刻和幅值突变时刻，实现非稳态电压闪变检测；v(n)与每个分量的瞬时频率fj、瞬时幅值mj的关系为：式中，gj(n)为取值0或1的离散阶跃函数；h为波动分量的项数；mj、ωj、θj分别为第j项波动分量的幅值系数、角频率和相角。非稳态电压闪变信号的调制模型为：式中：u(t)表示非稳态电压闪变信号，U0为基波电压幅值，ω0、θ0分别为基波电压角频率和初相角；A(t)表示幅度值变化的信号；v(t)为闪变包络信号；h为波动分量的项数；mj、ωj、θj分别为第j项波动分量的幅值系数、角频率和相角；gj(t)为取值0或1的阶跃函数；非稳态电压闪变信号的离散调制模型表达式为式中：u(n)表示离散非稳态电压闪变信号；ω0＝2πf0/fs，ωj＝2πfi/fs，f0为基波频率，fs为采样频率，fj为第j项闪变包络信号的频率，gj(n)为取值0或1的离散阶跃函数；h为波动分量的项数；mj、ωj、θj分别为第j项波动分量的幅值系数、角频率和相角。上式中u(n)即为非稳态电压闪变信号，v(n)为闪变包络信号的分量，瞬时频率和瞬时幅值分别为fj和mj。由于本专利研究的是非稳态电压闪变信号，因此fj和mj其可能随时间发生变化，通过瞬时频率曲线和瞬时幅值曲线就可以得到非稳态电压闪变信号的组成，从而达到分析非稳态电压闪变信号的目的。知晓各个闪变分量的瞬时频率和瞬时幅值曲线信息就能得到闪变包络信号的分量v(n)，从而得到非稳态电压闪变信号u(n)。v(n)是非稳态电压闪变信号u(n)的一部分，v(n)加上1，再乘以载波电压U0cos(ω0n+θ0)就能得到非稳态电压闪变信号。(相位信息在闪变计算闪变值时不需要用到，因此不用考虑相位，第j项闪变分量的相位直接用θj表示就可以)。基于五点改进能量算子的包络提取表达式为：其中，v(n)为非稳态电压闪变包络信号的分量；ψ表示Teager能量算子函数，其表达式为ψ[x(n)]＝x2(n)-x(n+1)x(n-1)(4)所述基于能量损失系数和能量差确定自适应确定模态个数K值的具体实现步骤如下：(1)初始化VMD的模态数M＝1；(2)令M＝M+1，进行VMD分解；(3)计算能量损失系数e；式中u为输入的原始非稳态电压闪变信号，uk表示第k个模态函数，∑uk表示重建后的信号；模态函数也即IMF分量，VMD算法原理是将原始输入信号u分解为M个模态函数，并在各模态函数之和与原始信号相等的要求下，使每个模态函数的估计带宽之和最小，比如当模态数M＝5时，对信号进行VMD分解，会有5个IMF分量，也即5个模态函数，5个模态函数之和就等于原始输入信号u。||·||表示范数，是数学中的一种基本概念，||·||2表示2-范数，||·||2表示范数的平方。(4)重复步骤(2)～(3)，通过迭代运算直至损失系数e小于设定的阀值μ1，得到更新后的M值；μ1设为0.01；(5)将最大模态分解个数设为M，先求取原始信号的能量值E，然后计算当模态分解个数设为j时的累加能量Ej(j＝1，2，...，M)，并求取能量差值ρ，选取能量差ρ最小时的jρmin值作为最佳模态分解个数K，K＝jρmin；原始信号的能量值E计算式如下式中：u(i)表示为非稳态电压闪变信号；N为序列长度；不同模态分解层数的能量值之和大小不同，定义各模态分量能量之和与原信号能量的能量差参数计算式如下式中，Ej表示为第j个模态分量的能量。步骤3中，通过自适应变分模态分解得到K个IMF分量，对每个分量进行Hilbert变换，以第i个闪变包络分量为例，瞬时幅值求取表达式为：式中是ui(t)的共轭信号，相位求取表达式为：瞬时频率求取表达式为：步骤4中，所述得到的非稳态电压闪变信号组成由瞬时频率和瞬时幅值曲线确定】首先根据模态分解个数K确定非稳态电压闪变含有K个闪变分量，也即有K个瞬时频率曲线，通过瞬时频率曲线的开始和结束的时间点确定每个闪变分量的闪变包络信号的起止时刻，然后判断瞬时频率曲线对应的瞬时幅值曲线幅值是否发生变化，若有则结合闪变包络信号的分量v(n)突变点处最大值对应的时刻来确定幅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：利用建立的五点改进能量算子，基于非稳态电压闪变信号的调制模型，获取非稳态电压闪变包络信号的分量v(n)；/n步骤2：采用变分模态分解方法对v(n)进行分析，基于能量损失系数和能量差确定自适应确定模态个数K值；/n步骤3：通过自适应变分模态将对v(n)分解得到K个IMF分量，对每个分量进行Hilbert变换，求取每个分量的瞬时频率f

【技术特征摘要】
1.一种基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用建立的五点改进能量算子，基于非稳态电压闪变信号的调制模型，获取非稳态电压闪变包络信号的分量v(n)；
步骤2：采用变分模态分解方法对v(n)进行分析，基于能量损失系数和能量差确定自适应确定模态个数K值；
步骤3：通过自适应变分模态将对v(n)分解得到K个IMF分量，对每个分量进行Hilbert变换，求取每个分量的瞬时频率fj和瞬时幅值mj；
步骤4：基于K个IMF分量对应的闪变分量确定闪变的起止时刻和幅值突变时刻，实现非稳态电压闪变检测；
v(n)与每个分量的瞬时频率fj、瞬时幅值mj的关系为：式中，gj(n)为取值0或1的离散阶跃函数；h为波动分量的项数；mj、ωj、θj分别为第j项波动分量的幅值系数、角频率和相角。


2.根据权利要求1所述的一种基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法，其特征在于，非稳态电压闪变信号的调制模型为：



式中：u(t)表示非稳态电压闪变信号，U0为基波电压幅值，ω0、θ0分别为基波电压角频率和初相角；A(t)表示幅度值变化的信号；v(t)为闪变包络信号；h为波动分量的项数；mj、ωj、θj分别为第j项波动分量的幅值系数、角频率和相角；gj(t)为取值0或1的阶跃函数；
非稳态电压闪变信号的离散调制模型表达式为



式中：u(n)表示离散非稳态电压闪变信号；ω0＝2πf0/fs，ωj＝2πfi/fs，f0为基波频率，fs为采样频率，fj为第j项闪变包络信号的频率，gj(n)为取值0或1的离散阶跃函数；h为波动分量的项数；mj、ωj、θj分别为第j项波动分量的幅值系数、角频率和相角。


3.根据权利要求2所述的一种基于能量算子和变分模态分解的非稳态电压闪变检测方法，其特征在于，基于五点改进能量算子的包络提取表达式为：



其中，v(n)为非稳态电压闪变包络信号的分量；
ψ表示Teager能量算子函数，其表达式为
ψ[x(n)]＝x2(n)-x(n+1)x(n-1)(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：高云鹏，吴聪，蔡星月，李云峰，连鹏隆，滕召胜，曹一家，黎灿兵，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43