專利名稱：一種基于Hilbert-Huang變換的電能質(zhì)量分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于Hilbert-Huang變換的電能質(zhì)量分析儀。
背景技術(shù)：
電能作為人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的一種商品，需要講求質(zhì)量，高質(zhì)量的電能對(duì)保證電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量和人們正常生活都有著重要的意義。所以，對(duì)電能質(zhì)量的檢測(cè)分析就顯得非常重要。現(xiàn)代電能質(zhì)量分析裝置所分析的對(duì)象多為一些穩(wěn)態(tài)指標(biāo)的傳統(tǒng)電能質(zhì)量，電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)的實(shí)用化分析裝置發(fā)展緩慢。隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，為分析暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題提供了有效的途徑。傅立葉變換是最常用的電力系統(tǒng)信號(hào)分析方法，王利猛等在文獻(xiàn)[王利猛，李國(guó)慶，王振浩，石磊.基于80C196和VC的電網(wǎng)諧波檢測(cè)與分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn).電測(cè)與儀表，2009， 46(521) :57-59.]研制了一套基于傅立葉算法的諧波分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)只適于穩(wěn)態(tài)諧波分析，不適宜非平穩(wěn)的時(shí)變諧波信號(hào)分析，而且功能單一。小波變換分析方法是目前電力系統(tǒng)暫態(tài)信號(hào)分析領(lǐng)域最為廣泛的方法之一，該方法對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)變性給予了恰當(dāng)?shù)拿枋?，改進(jìn)了傅立葉變換方法的不足，鄭賀偉和胡鵬程在文獻(xiàn)[鄭賀偉，胡鵬程.基于虛擬儀器的暫態(tài)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).電測(cè)與儀表，2010,47(30) :52-55.]以小波變換為核心算法，開(kāi)發(fā)出一套暫態(tài)電能質(zhì)量分析系統(tǒng)，但小波分析最終理論依據(jù)依然是傅立葉變換，因而不可避免地暴露出某些局限性，影響了系統(tǒng)的實(shí)用性。所以，可以從尋求性能更為優(yōu)異的信號(hào)分析方法作為主算法來(lái)開(kāi)發(fā)出電能質(zhì)量分析儀，以提高分析儀的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Hilbert-Huang變換是一種新的信號(hào)處理方法，該理論突破了傅立葉變換的局限， 是一種自適應(yīng)的具有良好時(shí)頻聚集性的方法。目前，該方法在實(shí)際電力系統(tǒng)分析中得到了較好的應(yīng)用。Hilbert-Huang變換應(yīng)用于電能質(zhì)量分析，基本是以Matlab編寫(xiě)腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，不適于實(shí)際分析，因此，有必要開(kāi)發(fā)相關(guān)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提出一種基于Hilbert-Huang變換的電能質(zhì)量分析儀。該分析儀以 Hilbert-Huang變換為核心算法，既能準(zhǔn)確捕捉非平穩(wěn)電能質(zhì)量的瞬時(shí)特性，獲取其突變參數(shù)，以分析電能質(zhì)量的暫態(tài)擾動(dòng)；又能實(shí)現(xiàn)對(duì)穩(wěn)態(tài)的諧波信號(hào)檢測(cè)分析。該分析儀包含兩種檢測(cè)分析模式仿真分析模式與實(shí)測(cè)分析模式。通過(guò)與PSCAD/EMTDC仿真數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的理論研究；通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)，以分析電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況。本發(fā)明所分析的電能質(zhì)量問(wèn)題有電壓暫升，電壓暫降，電壓中斷，暫態(tài)振蕩，暫態(tài)脈沖，諧波等。本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的。一種基于Hilbert-Huang變換的電能質(zhì)量分析儀，包括電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分和電能質(zhì)量分析部分電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取，主要功能為信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集；電能質(zhì)量分析部分具有數(shù)據(jù)接口模塊、算法模塊、顯示存儲(chǔ)模塊， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的分析，其具體工作步驟包含
A、電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電壓互感器或電流互感器二次側(cè)電壓或電流進(jìn)行濾波，再通過(guò)霍爾傳感器將其轉(zhuǎn)化為適于A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)；以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)串口通信的方式將得到的數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)電能質(zhì)量分析部分，后者一般即為含有分析軟件的計(jì)算機(jī)。B、Hilbert-Huang 變換分析軟件部分經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)接口獲取實(shí)測(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)或PSCAD/EMTDC仿真數(shù)據(jù)后，即可進(jìn)入以Hilbert-Huang變換為核心的算法模塊實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的分析，并由顯示輸出模塊輸出檢測(cè)結(jié)果。具體做法是對(duì)數(shù)據(jù)x(t)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，原信號(hào)x(t)分為一系列具有瞬時(shí)頻率意義的固有模態(tài)函數(shù)的組合。對(duì)于暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)高頻分量的固有模態(tài)函數(shù)進(jìn)行 Hilbert-Huang變換，求取瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率，則能檢測(cè)出擾動(dòng)發(fā)生終止時(shí)刻，擾動(dòng)起至?xí)r的高頻突變量，擾動(dòng)幅值與頻率變化過(guò)程等詳細(xì)信息；對(duì)穩(wěn)態(tài)諧波信號(hào)，則對(duì)每一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)求幅值和頻率，所求結(jié)果對(duì)應(yīng)原信號(hào)的每一個(gè)諧波成分。Hilbert-Huang分析具體做法是對(duì)電能質(zhì)量信號(hào)x(t)，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，可分解成η個(gè)具瞬時(shí)頻率意義的固有模態(tài)函數(shù)4(1 = 1,2,……，η)與一個(gè)余量r的和，表示為
權(quán)利要求
1. 一種基于Hilbert-Huang變換的電能質(zhì)量分析方法，包括電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分和電能質(zhì)量分析部分電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取，主要功能為信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集；電能質(zhì)量分析部分具有數(shù)據(jù)接口模塊、算法模塊、顯示存儲(chǔ)模塊， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的分析，其具體工作步驟包含A、電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集信號(hào)調(diào)理電路對(duì)電壓互感器或電流互感器二次側(cè)電壓或電流進(jìn)行濾波，再通過(guò)霍爾傳感器將其轉(zhuǎn)化為適于A/D轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)；以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)RS-232串口通信的方式將得到的數(shù)據(jù)傳輸給后臺(tái)電能質(zhì)量分析部分；B、Hilbert-Huang變換分析電能質(zhì)量分析部分部分經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)接口獲取實(shí)測(cè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)或PSCAD/EMTDC仿真數(shù)據(jù)后，即進(jìn)入以Hilbert-Huang變換為核心的算法模塊實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的分析，并由顯示輸出模塊輸出檢測(cè)結(jié)果；其方法是對(duì)數(shù)據(jù)x(t)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解；對(duì)于暫態(tài)擾動(dòng)信號(hào)，通過(guò)對(duì)高頻分量的固有模態(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert-Huang變換，求取瞬時(shí)幅值和瞬時(shí)頻率，檢測(cè)出擾動(dòng)發(fā)生終止時(shí)刻，擾動(dòng)起至?xí)r的高頻突變量，擾動(dòng)幅值與頻率變化過(guò)程詳細(xì)信息；對(duì)穩(wěn)態(tài)諧波信號(hào)，則對(duì)每一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)求幅值和頻率，所求結(jié)果對(duì)應(yīng)原信號(hào)的每一個(gè)諧波成分；HiIbert-Huang分析電能質(zhì)量具體做法是對(duì)電能質(zhì)量信號(hào)χ (t)，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，分解成η個(gè)具瞬時(shí)頻率意義的固有模態(tài)函 mCi(i = 1,2,……,η)與一個(gè)余量r的和，表示為ηi=l求取固有模態(tài)函數(shù)Ci的瞬時(shí)幅值與瞬時(shí)頻率，首先求Ci (t)的Hilbert變換c》) 邙)=丄「^^t-τ構(gòu)造Ci(t)的解析函數(shù)Zi (t)Zl{t) = Cl{t) + jCl{t)分別得到幅值函數(shù)％(t)與相位函數(shù)約⑴ _ ,、cm參arctanW相應(yīng)可以求出瞬時(shí)頻率fi(t)1 2π 1 2π dtC、模態(tài)混疊處理在對(duì)暫態(tài)振蕩信號(hào)和諧波信號(hào)分析時(shí)，經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解有時(shí)不能實(shí)現(xiàn)正確篩分，所得分解結(jié)果失去意義，需對(duì)分析方法進(jìn)行改進(jìn)；對(duì)暫態(tài)振蕩信號(hào)分析發(fā)生模態(tài)混疊，采用疊加高頻強(qiáng)信號(hào)的方法改善模態(tài)混疊問(wèn)題; 即直接用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解獲得第一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)，求其瞬時(shí)頻率與瞬時(shí)幅值，所得頻率可反應(yīng)振蕩頻率，并據(jù)所求的頻率值與幅值構(gòu)造高頻強(qiáng)信號(hào)為△ χ (t)，疊加到原信號(hào)，對(duì)疊加后的新信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，用得到的新的高頻固有模態(tài)函數(shù)減去所加高頻強(qiáng)信號(hào)，再通過(guò)求商的瞬時(shí)幅值得到振蕩的幅值變化；針對(duì)諧波信號(hào)分析發(fā)生模態(tài)混疊采用基于傅立葉變換的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)方法，具體做法為 先對(duì)信號(hào)進(jìn)行傅立葉變換分析，將各頻率成分對(duì)應(yīng)的幅值按最大值歸一化，以歸一化后幅值大于指定值的頻率點(diǎn)作為濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)，生成濾波器對(duì)各頻率點(diǎn)濾波，使各固有模態(tài)函數(shù)分離開(kāi)，再分別進(jìn)行Hilbert-Huang分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Hilbert-Huang變換的電能質(zhì)量分析方法，其特征在于 采用Hilbert-Huang變換作為電能質(zhì)量分析的核心算法，通過(guò)對(duì)信號(hào)分解，求取固有模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)幅值與瞬時(shí)頻率，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的分析。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Hilbert-Huang變換的電能質(zhì)量分析方法，其特征在于 暫態(tài)振蕩信號(hào)分析時(shí)模態(tài)混疊處理過(guò)程中疊加高頻強(qiáng)信號(hào)的自動(dòng)生成 afflax與fmax分別為原信號(hào)χ (t)經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解得到的第一個(gè)固有模態(tài)函數(shù)的瞬時(shí)幅值最大值與瞬時(shí)頻率最大值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Hilbert-Huang變換的電能質(zhì)量分析方法，其特征在于 基于傅立葉變換的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)方法中濾波器的自適應(yīng)生成對(duì)原信號(hào)χ (t)進(jìn)行傅立葉變換
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于Hilbert-Huang變換的電能質(zhì)量分析儀，包括電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分和電能質(zhì)量分析部分。電能質(zhì)量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集部分實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的獲取，主要功能為信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集；電能質(zhì)量分析部分以Hilbert-Huang變換為核心算法，可實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量暫態(tài)擾動(dòng)特性檢測(cè)與諧波分析。本發(fā)明中，建立了改善暫態(tài)振蕩分析的模態(tài)混疊時(shí)疊加高頻強(qiáng)信號(hào)自動(dòng)構(gòu)造方法與改善諧波分析的模態(tài)混疊時(shí)濾波器的自適應(yīng)設(shè)計(jì)方案。使分析儀既能在仿真分析模式下與PSCAD/EMTDC仿真數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的理論研究；又可在實(shí)測(cè)分析模式中與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量檢測(cè)，分析電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況。
文檔編號(hào)G01R23/165GK102323480SQ20111013071
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者劉志剛, 李文帆 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)