一种基于hht分析的电能表动态测试信号拟合方法
【专利摘要】一种基于HHT分析的电能表动态测试信号拟合方法，包括：对实测电网波形信号进行EMD分解，分别得到表征动态电压波动的调制波和稳态的谐波、间谐波信号；针对表征动态电压波动的调制波信号，对其分别进行Hilbert变换与反变换，得到新的解析信号，求解其瞬时幅值，再对瞬时幅值信号进行EMD分解，得到各个调幅波信号，通过Hilbert变换求解动态电压波动的幅值和频率参数信息；针对稳态谐波、间谐波信号，直接进行Hilbert变换，得到谐波、间谐波的幅值和频率参数信息；根据所得动态电压调幅波与稳态谐波、间谐波波形信息，利用最小二乘法进行拟合，得到最终用于电能表动态测试的数字信号表达式。
【专利说明】
-种基于HHT分析的电能表动态测试信号拟合方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种基于HHT分析的电能表动态测试信号拟合方法，属电力仪表测试
技术领域。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国智能电网已进入全面建设阶段，智能电能表作为智能电网的重要组 成部分在用电信息采集系统中得到广泛普及与应用。作为连接电网与客户的关键环节，智 能电能表的电能计量特性，直接影响电能供需双方的经济利益。
[0003] 随着智能电网的快速发展，对电能表的计量性能提出了新的要求。一是由于风能、 太阳能、潮软能等新能源引入电网，电网中的新型电源呈现较大动态特性。二是电力系统中 的非稳定负载越来越多，使电网中的用电负荷也呈现动态特性。由于动态负荷的不断增加， 其所引起的电能计量出现偏差的问题变得越来越突出与重要。
[0004] 但是，长久W来，国内外对电能表计量特性的测试都是在稳态测试信号条件下进 行，测试信号对电网中所包含的稳态与动态信号成分的反映也不够全面，因此，电能表测试 信号的拟合需要更加基于电网实际运行工况，才能使对电能表动态误差特性的分析更加精 确合理。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是，针对现有电能表测试信号存在的问题，本发明提出一种基于皿T 分析的电能表动态测试信号拟合方法，能够使测试信号包含实际电网的稳态与动态信号成 分，更为准确地反映电网的实际运行情况，对电能表动态误差特性的分析更加精确合理。
[0006] 实现本发明的技术方案如下：
[0007] -种基于HHT分析的电能表动态测试信号拟合方法，包括W下步骤：
[000引（1)对实测电网波形信号进行EMD分解，分别得到表征动态电压波动的调制波和稳 态谐波、间谐波信号，调制波信号频率为基波频率，稳态谐波信号频率为基波整数倍，间谐 波信号频率为基波非整数倍；
[0009] (2)针对表征动态电压波动的调制波信号，对其分别进行化化ert变换与反变换， 得到新的解析信号，求解其瞬时幅值，再对瞬时幅值信号进行EMD分解，得到各个调幅波信 号，通过化化ert变换求解动态电压波动的幅值和频率参数信息；
[0010] (3)针对稳态谐波、间谐波信号，直接进行Hi化ert变换，得到稳态谐波、间谐波的 幅值和频率参数信息；
[0011] (4)根据所得调幅波与谐波、间谐波波形信息，利用最小二乘法进行拟合，得到最 终用于电能表测试的数字信号表达式。
[0012] 本发明所述的EMD分解即经验模态分解过程;对含有多种信号成分的复杂波形，进 行EMD分解，得到一系列经验模态函数，即多种信号成分的IMF函数，满足其极大值与极小值 的包络线关于时间轴对称，且过零点个数与极大、极小值个数至多相差1的条件，从而能够 进行接下来的化化ert变换并计算其瞬时幅值与频率。
[0013] 本发明所述的化化ert变换，对任一连续时间信号进行化化ert变换，信号各频率 分量的幅度保持不变，相位出现90°位移，变换后信号与原信号组成一共辆复数对，获得新 的解析信号，从而能够进行瞬时幅值与频率信息的提取。
[0014] 本发明所述的最小二乘法，对于给定的一组数据，通过约束所有数据点与拟合点 的误差平方和最小，从而确定拟合函数模型具体的参数值，得到拟合曲线。
[0015] 本发明的有益效果是，由于目前国内外对电能表计量特性的测试都是在稳态测试 信号条件下进行，测试信号对电网中所包含的稳态与动态信号成分的反映也不够全面，因 此，电能表测试信号的拟合需要更加基于电网实际运行工况。
[0016] 而本发明通过从电网实测波形中提取其稳态与动态信号成分，包括电压波动与谐 波、间谐波信息，拟合其具体参数得到数字信号并用于电能表测试，能够使测试信号更为准 确地反映电网的实际运行情况，对电能表动态误差特性的分析更加精确合理。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明方法的原理框图；
[0018] 图2为本发明的EMD分解流程图；
[0019 ]图3为本发明的分解得到的调制波成分；
[0020] 图4为本发明的分解得到的谐波、间谐波成分；
[0021] 图5为本发明的多个调幅波混合信号波形；
[0022] 图6为本发明的调幅波瞬时幅值波形；
[0023] 图7为本发明的瞬时频率波形；
[0024] 图8为本发明的谐波、间谐波瞬时幅值波形；
[0025] 图9为本发明的谐波、间谐波瞬时频率波形。
【具体实施方式】
[0026] 本发明的【具体实施方式】如图1和图2所示。图1为本发明实施原理图，图2为本发明 的EMD分解流程图。
[0027] 本实施例一种基于HHT分析的电能表动态测试信号拟合方法具体实施如下：
[0028] (1)首先对电网实测波形信号进行EMD分解，得到波形信号中包含的表征动态电压 波动的调制波与稳态谐波、间谐波的IMF信号。
[0029] 电网实际波形中包含有多种信号成分，包括经多个低频调幅波调制的基波信号和 谐波、间谐波信号，波形信号形式如下：
[0030]
[0031] 其中，HH为调幅波幅值与基波额定电压幅值之比，fi为调幅波频率，时为基波工频， mj为谐波、间谐波幅值与基波额定电压幅值之比，f J为谐波、间谐波频率。
[0032] EMD分解提取波形信号的IMF分量过程具体如下：
[0033] 首先求取混合信号u(t)极大值m(t)与极小值U2(t)的均值：
[0034] "=非'I (1:)+ "2")) 么
[0035] 取其与u(t)的差值为：
[0036] h = u(t)-n
[0037] 用h替代u(t)重复上述过程，直到h满足IMF函数的特征，即极大值与极小值的包络 线关于时间轴对称，且过零点个数与极大、极小值个数至多相差1的条件，此时h即可视为第 一个IMF信号Cl。
[0038] 取原信号u(t)与Cl的差值为：
[0039] r = u(t)-ci
[0040] 用差值r替代u(t)继续进行W上操作，W此类推，得到多个IMF信号C2、C3等等，迭代 至r呈单调递减趋势即可停止，此时有：
[0041]
I.
[0042] 最终分解获得混合信号u(t)的多个IMF信号分量，邮频率为基波工频的调制波信
号 巧多个谐波、间谐波信号
J
[0043] 图3所示为分解得到的调制波成分；图4所志责A傭浩卸的谐淋」讶谐淋巧分。
[0044] (2)针对表征动态电压波动的调制波信号
'对其进行 HHbed变换，变换后信号与原信号组成一共辆复数对，得到新的解析信号。
[0045] 对于连续时间信号X(t)的化化ert变换具体如下：
[0046]
[0047] 取X(t)和Y(t)组合，可得到新的共辆复数信号：
[004引 z(t) =X(t)+jY(t) =a(t)e"(t)
[0049]其中，a(t)、0(t)分别为其瞬时幅值和相位信息：
[(K)加]
[0051] 则瞬时频率如下：
[0化2]
[0化3]因此，对于调制波信号
，进行化化ert变换后，新的解 析信号的瞬时幅值即为直流分量与多个调幅波之和：
[0化4]
[0055]取瞬时幅值a(t)，去除直流分量后，即可得到多个调幅波的混合信号
°对其进行EMD分解，过程与步骤1)相同，即可提取各个调幅波HH sin(2灶it) 的IMF信号波形。对其分别进行化化ert变换后，根据上述公式，获得各个调幅波的瞬时幅值 与瞬时频率波形。
[0056] 图5为多个调幅波混合信号波形；图6为调幅波瞬时幅值波形；图7为调幅波瞬时频 率波形。
[0057] (3)针对稳态谐波、间谐波信号
'由于已经通过EMD分解得到了各个 谐波、间谐波成分的IMF信号叫sin(2邮t)，因此可W直接进行Hilbed变换，再通过步骤(2) 的瞬时幅值与瞬时频率公式，获得各个谐波、间谐波的瞬时幅值与瞬时频率波形。
[0058] 图8为谐波、间谐波的瞬时幅值波形；图9为谐波、间谐波的瞬时频率波形。
[0059] (4)根据W上步骤所得调幅波与谐波、间谐波的瞬时幅值与瞬时频率的波形信息， 利用最小二乘法进行拟合，拟合过程具体如下：
[0060] 首先确定拟合曲线的函数模型，由于所需拟合的波形为各个调幅波与谐波、间谐 波的瞬时幅值与瞬时频率，因此函数模型即一次函数m与f。
[0061] 然后通过确定法方程求解参数。假设拟合某一调幅波msin(2村t)的瞬时幅值m曲 线，已得瞬时幅值曲线数据(*1，1111)(1 = 1，2，...，11)，11为曲线数据点的个数，则拟合目标为：
[0062]
[0063]
[0064]
[00 化]
[0066]
[0067] 瞬时频率f曲线拟合过程同上。
[0068] 最终获得表征动态电压波动的各个调幅波与稳态谐波、间谐波的瞬时幅值与瞬时 频率m与f参数值，得到由电网实测波形分析而来，可用于电能表动态测试的数字信号：
[0069]
[0070] 本发明通过从电网实测波形中提取其稳态与动态信号成分，包括电压波动与谐 波、间谐波信息，拟合其具体参数得到数字信号并用于电能表测试，能够使测试信号更为准 确地反映电网的实际运行情况，对电能表动态误差特性的分析更加精确合理。
【主权项】
1. 一种基于HHT分析的电能表动态测试信号拟合方法，其特征在于，所述方法包括以下 步骤： (1) 对实测电网波形信号进行EMD分解，分别得到表征动态电压波动的调制波和稳态谐 波、间谐波信号，调制波信号频率为基波频率，稳态谐波信号频率为基波整数倍，间谐波信 号频率为基波非整数倍； (2) 针对表征动态电压波动的调制波信号，对其分别进行Hilbert变换与反变换，得到 新的解析信号，求解其瞬时幅值，再对瞬时幅值信号进行EMD分解，得到各个调幅波信号，通 过Hilbert变换求解动态电压波动的幅值和频率参数信息； (3) 针对稳态谐波、间谐波信号，直接进行Hilbert变换，得到稳态谐波、间谐波的幅值 和频率参数信息； (4) 根据所得调幅波与谐波、间谐波波形信息，利用最小二乘法进行拟合，得到最终用 于电能表测试的数字信号表达式。2. 根据权利要求1所述一种基于HHT分析的电能表动态测试信号拟合方法，其特征在 于，所述EMD分解即经验模态分解过程;对含有多种信号成分的复杂波形，进行EMD分解，得 到一系列经验模态函数，即多种信号成分的IMF函数，满足其极大值与极小值的包络线关于 时间轴对称，且过零点个数与极大、极小值个数至多相差1的条件，从而能够进行接下来的 Hilbert变换并计算其瞬时幅值与频率。3. 根据权利要求1所述一种基于HHT分析的电能表动态测试信号拟合方法，其特征在 于，所述Hilbert变换，对任一连续时间信号进行Hilbert变换，信号各频率分量的幅度保持 不变，相位出现90°位移，变换后信号与原信号组成一共辄复数对，获得新的解析信号，从而 能够进行瞬时幅值与频率信息的提取。4. 根据权利要求1所述一种基于HHT分析的电能表动态测试信号拟合方法，其特征在 于，所述最小二乘法，对于给定的一组数据，通过约束所有数据点与拟合点的误差平方和最 小，从而确定拟合函数模型具体的参数值，得到拟合曲线。
【文档编号】G06F17/50GK106021805SQ201610394141
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】马建, 陈克绪, 窦晓波, 杨磊
【申请人】国网江西省电力科学研究院, 国家电网公司, 东南大学