一种电网电压闪变包络参数提取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于信号处理技术领域，特别涉及一种电网电压闪变包络参数提取方法。
【背景技术】
[0002] 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，可为研宄闪变根源、抑制和消除电压波动 和闪变的影响等提供科学依据。
[0003] 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。
[0004] 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。
【发明内容】
[0005] 为克服已有技术、方法的不足，本发明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。
[0006] 一种电网电压闪变包络参数提取方法，包括以下几个步骤：
[0007] 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 列步[u(n)]，电压闪变信号采样频率为fs和采样点数N;
[0008] 所述改进型Teager能量算子的离散形式为：
[0009] ^[x(n) ] =x2 (n)-x(n-k)x(n+k) (1)
[0010] 其中，n为离散米样时刻，n-k和n+k分别表不该米样点时刻n的前后k个米样点 值，k的取值范围为1~8 ;
[0011] 【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。
[0012] 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。
[0013] 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。】
[0014] 步骤2 :利用余弦时域窗w(n)对离散序列iHu(n)]进行加权处理，得到加权后的 离散序列s(n);
[0015] 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)；
[0016] 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：
[0017]
【主权项】
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 步[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： 1I5[x(n) ] =X2 (n)-X(n-k)x(n+k) 其中，n为离散米样时刻，n-k和n+k分别表不该米样点时刻n的前后k个米样点值，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it[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，9i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 ?MAfff1)，[f\，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XezT(k)用多项式逼近的方法获得闪变包络调幅波频率心的 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： fj=kiAfz+fx= (q+kn+0. 5)Afz+f1 其中，峰值点h附近幅值最大和次最大的谱线分别kn和ki2,kn<kki2=kn+l， 最大和次最大的谱线对应的幅值分别为Yil= |XezT(kn)I和yi2= |XezT(ki2) |，1^为闪变包 络调幅波频率A对应频谱的位置，I=(f^f1VAfz，AfzS频率分辨率，Afz= (fh-f^)/ M;n为闪变包络调幅波频率频谱位置调节参数，niki-kn- 0.5，n取值范围为 [_0.5,0.5]，I为闪变包络调幅波频率频谱位置求取设定参数，I= (yn -yi2v(yn+yi2);
将n在[-〇. 5, 〇. 5]内取一组值，由I=h(n)得到对应的I的值，调用polyfiUn，I，P)函数进行反拟合，P是拟合逼近多项式的阶数，求出多项式HU)的系 数； 所述闪变包络调幅波幅值的校正因子Ki:
式中，DQ= 2JTfQ/fs，Qi= 2JTfi/f；，fQ为基波频率； 步骤5 :利用所述校正因子1修正获得准确的闪变包络调幅波分量的幅值mi: nh=(-v/i+ >'/2)(N/. L，l-K,)' ^in) 其中，g(n)表示与闪变包络调幅波频率频谱位置调节参数n有关的多项式；
化式Hii=N,(yii+yjgf^n)得出对应的g(n)值，调用p〇lyfit(n,g(n),p)函数求出 多项式g(n)的系数。
2. 根据权利要求1所述的一种电网电压闪变包络参数提取方法，其特征在于，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。
3. 根据权利要求1所述的一种电网电压闪变包络参数提取方法，其特征在于，所述含 有闪变包络调幅波分量的离散序列步[u(n)]计算公式如下：
其中，％、Qtl分别为电网基波电压的幅值和初相角；0r分别为第i项闪变包络调 幅波的波动系数和初相角；h为闪变包络调幅波的项数；&为闪变包络调幅波分量的频率； 步Jn)为直流分量，力2 (n)为闪变包络调幅波分量，力3 (n)为二次谐波分量，力4 (n)为闪变 包络调幅波幅值调制的二次谐波分量。
4. 根据权利要求1所述的一种电网电压闪变包络参数提取方法，其特征在于，所述余 弦时域窗为：
5. 根据权利要求4所述的一种电网电压闪变包络参数提取方法，其特征在于，所述余 弦时域窗5项1阶Rife-Vincent窗。
【专利摘要】本发明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。
【IPC分类】G01R19-00
【公开号】CN104714075
【申请号】CN201510061174
【发明人】高云鹏, 李峰, 曹一家, 陈婧, 李林, 柯盼盼, 滕召胜, 黎灿兵
【申请人】湖南大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年2月5日