一种基于TLS-ESPRIT电力信号扰动分析方法与流程

本发明涉及电力技术领域，具体涉及一种基于tls-esprit电力信号扰动分析方法。

背景技术：

电力系统中的正常电压和电流信号应为标准正弦波。但由于各种信号扰动，理想状态的电压、电流信号在供电系统中较难维持，使电网中的电流和电压波形畸变较多。受干扰的电流和电压信号主要包括两部分，基波分量和谐波分量，基波分量是指具有与电力系统提供的电压频率相同的电压频率的正弦信号。谐波分量是指正弦信号，其频率是电源系统提供的电压频率的整数倍。此外，在某些环境中，非整数谐波信号可能出现在电气负载中。

因此，通过使用新算法，精确谐波和间谐波参数的分析为谐波和间谐波的分析和控制提供了可靠的保证。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的问题，提供一种基于tls-esprit电力信号扰动分析方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于tls-esprit电力信号扰动分析方法，包括谐波间谐波检测、仿真实验、实际数据分析和结论步骤，所述谐波间谐波检测步骤包括构建信号数学模型和子空间提取，子空间提取通过具有最小范数的扰动信号干扰信号子空间，减少信号子空间中噪声的影响，子空间提取使用两个干扰来干扰相邻信号子空间并将扰动范数的平方和保持为最小，子空间提取可以同时修正两个子空间中存在的噪声，进一步提升计算的精确度；所述仿真实验步骤包括仿真信号计算和matlab仿真环境模拟。

进一步地，所述信号数学模型为x(n)＝as(n)+u(n)，其中s(n)是一个初始信号，不会添加任何噪声并包含分谐波信号，含有p次谐波信号，u(n)为高斯白噪声，其中ωk为角频率，为初始相位，ak为幅值。

进一步地，所述仿真信号的数学公式为：

x(t)＝0.08cos(2π×30t)+0.8cos(2π×50t)+0.3coscos(2π×170t)+0.1cos(2π×250t)+0.07cos(2π×350t)+δ(t)

其中δ(t)为高斯白噪声，信噪比snr＝30db，以1280hz的频率采样，其基波幅度为0.8；谐波频率为250hz和350hz，相应的幅值分别为0.1和0.07；间谐波频率为30hz和170hz，相应的幅值分别为0.08、0.3。

进一步地，所述matlab仿真环境模拟采用最小二乘法用于求解信号子空间并检测谐波频率幅度，得到的实验结果。

进一步地，所述实际数据分析步骤利用电能质量分析检测仪提取出电流数据，利用tls-esprit算法对采样数据进行分析，所述分析仪的采样频率为6400hz。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

本发明的基于tls-esprit电力信号扰动分析方法，结合总体最小二乘法和子空间旋转不变性实现了电力信号扰动的检测，通过仿真分析证明该算法精确有效，实现过程简单，运算量小。另外，通过对实际数据的分析证明了该算法的可行性，在实际电力信号干扰处理中具有应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图；

图2为仿真谐波信号波形图；

图3为tls-esprit频率检测结果图；

图4为实时信号波形图；

图5为算法检测的频率检测结果图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。

本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限制，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如附图1所示，一种基于tls-esprit电力信号扰动分析方法，包括谐波间谐波检测、仿真实验、实际数据分析和结论步骤，谐波间谐波检测包括构建信号数学模型和子空间提取，子空间提取通过具有最小范数的扰动信号干扰信号子空间，减少信号子空间中噪声的影响，子空间提取使用两个干扰来干扰相邻信号子空间并将扰动范数的平方和保持为最小，子空间提取可以同时修正两个子空间中存在的噪声，进一步提升计算的精确度；仿真实验包括仿真信号计算和matlab仿真环境模拟。

信号数学模型为x(n)＝as(n)+u(n)，其中s(n)是一个初始信号，不会添加任何噪声并包含分谐波信号，含有p次谐波信号，u(n)为高斯白噪声，其中ωk为角频率，为初始相位，ak为幅值。

仿真信号的数学公式为：

x(t)＝0.08cos(2π×30t)+0.8cos(2π×50t)+0.3coscos(2π×170t)+0.1cos(2π×250t)+0.07cos(2π×350t)+δ(t)

其中δ(t)为高斯白噪声，信噪比snr＝30db，以1280hz的频率采样，其基波幅度为0.8。谐波频率为250hz和350hz，相应的幅值分别为0.1和0.07。间谐波频率为30hz和170hz，相应的幅值分别为0.08、0.3。

matlab仿真环境模拟采用最小二乘法用于求解信号子空间并检测谐波频率幅度，得到的实验结果。

实际数据分析利用电能质量分析检测仪提取出电流数据，利用tls-esprit算法对采样数据进行分析，分析仪的采样频率为6400hz。

使用时，首先假设信号数学模型为：x(n)＝as(n)+u(n)，s(n)它是一个初始信号，不会添加任何噪声并包含分谐波信号，含有p次谐波信号。u(n)为高斯白噪声，可将s(n)可用以下形式表示式中ωk为角频率，为初始相位，ak为幅值。上式改写成复数形式为：

定义矢量：

x(n)＝[x(n),…,x(n+m-1)]^tu(n)＝[u(n),…,u(n+m-1)]^t

式中m＞p，m为时间窗口长度。

x(n)＝s(n)+u(n)＝γφⁿa

式中：

a＝[a1,a2,…,ap]^t

φ中主要包括谐波信号的频率，在雷达信号空间谱估计算法中被称为旋转因子，令：可得到s2＝s1φ，求出φ从而得到p次谐波频率。

按以下步骤实现子空间提取与实现生成数据矩阵：

式中m＞p，l＞p，l+m为总采样点的数目。计算x的协方差矩阵最小二乘法的原理如下：通过具有最小范数的扰动信号干扰信号子空间，减少信号子空间中噪声的影响，整体最小二乘法的原理是使用两个干扰来干扰相邻信号子空间并将扰动范数的平方和保持为最小。可以同时修正两个子空间中存在的噪声，进一步提升计算的精确度。算法归纳如下：

(us1+δus1)ψ＝(us2+δus2)

上式可改写成：

所以tls的解等价于：

关于上式的解最小范数解的tls解的方法，通过构造矩阵：

us12＝[us1|us2]

如果能得到一个酉矩阵f，此时使得矩阵f与us12相互正交，则f形成的信号子空间与us1、us2列向量相互正交，此矩阵可以由特征分解得出。对上式进行奇异值分解以找到正确的奇异矩阵，求出一个2n×2n的右奇异矩阵：

令满足：由式可得

ψ＝-f1f2^-1＝-e12e22^-1

矩阵ψ的特征值给出旋转因子φ，对角线元素是采样频率，φp，fs为抽样频率，谐波频率为：

仿真信号设为：

x(t)＝0.08cos(2π×30t)+0.8cos(2π×50t)+0.3coscos(2π×170t)+0.1cos(2π×250t)+0.07cos(2π×350t)+δ(t)

其中δ(t)为高斯白噪声，信噪比snr＝30db，以1280hz的频率采样，其基波幅度为0.8，谐波频率为250hz和350hz，相应的幅值分别为0.1和0.07。间谐波频率为30hz和170hz，相应的幅值分别为0.08、0.3。信号加入高斯白噪声后的波形如图2所示。

在matlab的仿真环境中，总体最小二乘法用于求解信号子空间并检测谐波频率幅度。得到的实验结果如图3所示，具体数值见表1：

表1tls-esprit幅值检测结果

实际数据分析

利用电能质量分析检测仪从炼钢厂电弧炉提取出电流数据，利用本方法所述的tls-esprit算法对采样数据进行分析。实时信号波形图如图4所示。此时分析仪的采样频率为6400hz，通过本方法提出的tls-esprit算法分析得到的实时信号幅频特性图如图5所示。

通过分析结果可得到该电流信号中含有多次谐波、间谐波信号，通过本方法的算法可以将基波和幅值较大的谐波间谐波信号分析提取出来，本组实验表明该算法能处理电弧炉实时数据，具有较好的应用前景。

结论：本方法提出将tls-esprit算法应用于电力信号干扰检测，仿真结果表明，该算法是一种有效，准确的谐波和间谐波估计算法，可为谐波分析提供新的工具。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。