一种电压闪变参数检测方法及系统与流程

1.本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种基于改进解析能量算子和新型k_b优化互卷积窗的电压闪变参数检测方法及系统。


背景技术：

2.智能电网建设与电力电子技术发展迅猛，非线性负荷、新能源的不断接入，电力系统复杂度越来越高，导致电压波动与闪变成因、波形变化越来越复杂，现有的iec闪变仪对于现场某些常见闪变现象无法检测，给闪变测量技术研究带来新的机遇与挑战。因此，在复杂电网环境下实现闪变包络信号快速检测及闪变值的准确计算，为闪变特征参数的实时、准确检测奠定应用基础，为电能质量控制、电力系统保护提供支持。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决iec闪变检测精度低的问题，提出一种计算简单，准确度高的电压闪变参数检测方法及系统，其基于改进的解析能量算子和新型k_b优化互卷积的闪变参数检测，对比iec推荐的平方检测法具有更高的检测精度，解决了现有方法对闪变参数检测精度低实时性差的技术问题。
4.本发明通过如下技术方案实现：
5.本发明提供一种电压闪变参数检测方法，其包括：
6.步骤s201，根据预先构建的解析能量算子函数和预先构建的电压闪变信号调制模型，构建解析能量算子的电压闪变包络信号分量v(n)的提取函数；
7.步骤s202，利用预先构建的新型k_b优化互卷积窗函数对闪变包络信号分量v(n)进行加窗修正，从而得到加窗修正后的闪变包络信号分量y(n)，所述新型k_b优化互卷积窗函数基于kaiser优化窗函数和blackman-harris余弦窗函数构建；
8.步骤s203，采用三谱线插值算式改进傅里叶变换，构建基于所述k_b优化互卷积窗函数的三谱线插值修正式，然后对电压闪变包络信号y(n)进行频谱分析，并得到y(n)信号的幅值修正算式和频率修正算式。
9.进一步地，所述的电压闪变信号的调制模型为：
10.u(n)＝a(n)cos(ω0n θ0)
11.u0[1 v(n)]cos(ω0n θ0)
[0012]
＝u0[1 m
i cos(ωin θi)]cos(ω0n θ0)
[0013]
式中，ω0＝ω0/fs＝2πf0/fs，ωi＝ωi/fs＝2πfi/fs，fs为采样频率，f0为电网工频，fi为闪变包络频率，mi为闪变包络幅值。
[0014]
进一步地，所述新型k_b优化互卷积窗函数的表达式为：
[0015]wk_b
(ω)＝ft[wk(n)*wb(n)]＝wk(ω)
×
wb(ω)
[0016]
式中，ω为信号角频率；n为信号采样点，n＝0，1，
…
，n-1；wk(n)为kaiser窗离散形式；wb(n)为blackman-harris窗离散形式；wk(ω)为kaiser窗的频谱函数；wb(ω)为
blackman-harris窗的频谱函数；ft()为傅里叶变换函数。
[0017]
进一步地，所述解析能量算子函数为：
[0018][0019]
式中，sr为原信号的离散形式，sj为原信号的希尔伯特变换。
[0020]
进一步地，所述电压闪变包络信号分量v(n)的提取函数为：
[0021][0022]
其中，r[u(n)]为闪变信号的解析能量算子，u0表示电网电压幅值，v(n)为电压闪变包络信号，f0为电网基频。
[0023]
进一步地，所述得到的电压闪变包络信号的幅值修正函数为：
[0024][0025]
其中，mi为第i项电压闪变包络信号的幅值修正；xc为峰值谱线幅值，x
c 1
为其对应右边谱线幅值，x
c-1
为其对应左边谱线幅值，w
k_b
()为k_b优化互卷积窗函数，
[0026]
ε＝1.89128974γ-0.12995728γ3 0.01882393γ
5-0.00335439γ7[0027]
其中的γ表示为：
[0028][0029]
xc为峰值谱线幅值，x
c 1
为其对应右边谱线幅值，x
c-1
为其对应左边谱线幅值，
[0030]
g(ε)表示关于ε的多项拟合式，且g(ε)＝2.40075915 0.31827223ε2 0.02184051ε4 0.00105347ε6。
[0031]
进一步地，所述得到的电压闪变包络信号的频率修正函数为：
[0032]fi
＝(kc ε)δf
[0033]
其中，fi为第i项电压闪变包络信号的幅值修正值，δf为频率分辨率，kc为峰值谱线。
[0034]
进一步地，还发明还提供了一种电压闪变参数检测系统，其对电压闪变参数进行检测时，采用前述的电压闪变参数检测方法。
[0035]
由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：
[0036]
本发明基于现有的kaiser优化窗与blackman-harris余弦窗构建的新型优化k_b优化互卷积窗函数，相比现有的余弦窗和kaiser优化窗，具有更窄的主瓣宽度，旁瓣峰值较低，旁瓣衰减速率更快，窗函数性能得到有效提升。
[0037]
本发明通过基于改进解析能量算子新型k_b优化互卷积窗三谱线频谱校正方法实现了电压闪变参数的检测与分析，仿真结果表明：改进的解析能量算子和新型k_b优化互卷积窗的电压闪变参数检测方法可有效提高闪变参数的检测精度，改进的解析能量算子通过多点间微分运算增加了算法抗噪性，简化后的基于改进解析能量算子的闪变包络提取算式除去了开根号运算，简化了计算，构建的新型k_b优化互卷积窗函数具有旁瓣峰值更低，主瓣宽度更窄的优良特性，并且本文方法在单频与多频调制的情况下均能实现电压闪变包络参数的准确检测，并能有效克服基频波动、谐波与间谐波的干扰，对比常用方法，本文方法实现简单、易于实现，实时性强，满足闪变参数检测的要求。
附图说明
[0038]
图1为kaiser优化窗、blackman-harris余弦窗及本发明k_b优化互卷积窗的频谱特性曲线示意图；
[0039]
图2为本发明的实施流程图；
[0040]
图3为利用本发明对存在基频波动时的电压闪变包络信号参数的仿真检测结果示意图；
[0041]
图4为利用本发明对添加不同信噪比的电压闪变包络信号参数的仿真检测结果示意图；
[0042]
图5为分别采用iec闪变仪推荐的平方检波方法、s变换方法与本发明对电压闪变包络信号参数的仿真检测结果示意图。
具体实施方式
[0043]
以下将结合图1-图5对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0044]
本发明提供一种针对复杂电网环境下的电压闪参数快速准确检测方法，首先通过多点间微分形式改进解析能量算子并简化其电压闪变包络提取算式；构建主瓣较窄且旁瓣性能优良的kaiser与blackman-harris优化互卷积窗函数(以下简称k_b优化互卷积窗)，构建基于新型k_b优化互卷积窗的三谱线插值改进fft谱校正算式，据此提出基于改进解析能量算子和新型k_b优化互卷积窗的电压闪变参数检测新方法，最后采用大量的仿真实验验证了本文提出方法的有效性和可行性。
[0045]
在执行本发明之前，首先需要做如下三个工作：
[0046]
步骤s101，建立电压闪变包络信号的调制模型；
[0047]
将调制电压闪变信号，看作是电压波动分量调制电网工频电压的结果，由此，可以构建出电压闪变信号的调制模型为如下的离散化模型：
[0048]
[0049]
式中，ω0＝ω0/fs＝2πf0/fs，ωi＝ωi/fs＝2πfi/fs，fs为采样频率，f0为电网工频，fi为闪变包络频率。闪变参数检测的关键在于提取闪变包络信号中的闪变包络幅值mi和频率fi。
[0050]
步骤s102，构建基于改进解析能量算子的电压闪变包络提取算式。
[0051]
由于电压闪变的幅值变化很大，传统的解析能量算子在提取闪变包络信号时容易受到噪声干扰，造成较大闪变信号参数提取误差。对此，本发明人，提出一种多点间微分形式的改进的解析能量算子提取电压闪变包络分量信号的方法，以便减小闪变信号参数提取误差，并提高整个算法的抗噪性。
[0052]
构建的改进解析能量算子函数表达式如下：
[0053][0054]
式中：式中，sr为原信号的离散形式，sj为原信号的希尔伯特变换。
[0055]
通过公式(2)对电压闪变信号u(n)进行改进的解析能量算子计算，则
[0056][0057]
步骤s103，基于kaiser优化窗函数和blackman-harris余弦窗函数构建新型k_b优化互卷积窗函数。
[0058]
fft算法受频谱泄露的影响导致精度不高，而加窗插值改进的fft算法可有效抑制频谱泄露效应，而理想的窗函数具有主瓣宽度窄，旁瓣峰值电平低，旁瓣衰减率大等特性。因此，发明人结合kaiser窗和blackman-harris余弦窗函数特性，构建一种新型kaiser窗和blackman-harris优化互卷积窗函数(在此称为k_b优化互卷积窗)。
[0059]
kaiser窗函数的离散表达式为：
harris余弦窗函数，旁瓣峰值为-98.7db，旁瓣衰减速率为3.6db/oct，而本文构建的k_b优化互卷积窗的旁瓣峰值为-134.5db，旁瓣衰减速率为133.7db/oct。
[0077]
可见，本发明构建的新型k_b优化互卷积窗函数相比现有的blackman-harris余弦窗函数和优化kaiser窗，具有更佳的旁瓣特性，主瓣宽度更窄，旁瓣峰值更低，旁瓣衰减率更快，因此新型k_b优化互卷积窗函数性能更优。
[0078]
做好上述准备工作后，进入本发明的实施过程，实施流程如图2所示，包括如下步骤：
[0079]
步骤s201，利用步骤s102中解析能量算子函数，针对步骤s101中的电压闪变信号调制模型，构建电压闪变包络信号的分量，并进行简化。
[0080]
由公式(3)可得：
[0081][0082]
由于实际电网中的电压闪变调制系数mi《《1，电压闪变频率fi发生在0.05hz～35hz范围内，电网基频发生在50hz左右，电压闪变信号的波动分量项数s较小，因此，可以忽略公式(11)中的较小部分，仅保留c(n)分量，从而简化电压闪变包络信号的分量v(n)，其表达式为：
[0083][0084]
公式(12)中，r[u(n)]为闪变信号的解析能量算子，u0表示电网电压幅值；v(n)为电压闪变包络信号；f0为电网基频。
[0085]
步骤s202，通过s103步骤中构建的新型k_b优化互卷积窗函数对步骤s201中公式(12)得到的电压闪变包络信号分量v(n)进行加窗处理，得到加窗后的电压闪变包络分量y(n)。
[0086]
通过构建的新型k_b优化互卷积窗闪变包络信号v(n)进行加窗处理得到闪变包络信号分量y(n)：
[0087]
y(n)＝v(n)w
k_b
(n)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式13)
[0088]
公式(13)式中，v(n)为电压闪变包络信号，n为采样点，w
k_b
(n)为k_b优化互卷积窗函数的离散形式。
[0089]
步骤s203，通过利用三谱线插值算法改进fft，并对加窗后的电压闪变包络信号y(n)进行频谱分析，最终得到三谱线插值修正后的幅值算式与频率算式。
[0090]
通过对步骤s103中得到的电压闪变包络分量y(n)进行fft分析可得：
[0091][0092]
公式(14)中，s为闪变波动分量的项数；fs为采样频率；频率分辨率为δf＝fs/n；w
k_b
(w)为k_b优化互卷积窗函数mi为第i项电压波动调制系数；n为采样点数；f0为实际电网的基波频率；θ0实际电网在基波频率下的初相位；k为第k个谱线数。
[0093]
鉴于fft算法存在栅栏效应，导致闪变参数提取不准确，因此，本发明通过三谱线插值对fft进行改进，从而提高闪变参数的提取精度。设电压闪变包络信号的峰值谱线的频率为kcδf，对应的峰值谱线为kc，其左边的谱线为k
c-1
，其右边相邻谱线为k
c 1
，而实际峰值谱线应为ki，频率为fi。引入谱线间隔参数ε＝k
i-kc，ε∈[-0.5，0.5]，三根谱线对应的幅值分别为xc＝|y(kcδf)|，x
c-1
＝|y(k
c-1
δf)|，xc＝|y(k
c 1
δf)|，引入参数γ，记：
[0094][0095]
公式(15)中，xc为峰值谱线幅值，x
c 1
为其对应右边谱线幅值，x
c-1
为其对应左边谱线幅值，将ε代入公式(15)可得
[0096][0097]
通过权重设置与简化分析，得到第i项电压闪变包络信号的幅值修正算式以及频率修正算式。
[0098]
其中的第i项电压闪变调幅波的调制系数的修正算式为：
[0099][0100]
公式(17)中的g(ε)可通过多项式拟合求得。
[0101]
其中的第i项电压闪变包络信号的频率修正算式为：
[0102]fi
＝(kc ε)δf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(公式18)
[0103]
公式(18)中δf的频率分辨率为δf＝fs/n。
[0104]
上述公式(17)和公式(18)中的ε可以利用公式(16)，通过多项式逼近得到：
[0105]
ε＝1.89128974γ-0.12995728γ3 0.01882393γ
5-0.00335439γ7ꢀꢀꢀ
(公式19)
[0106]
上述公式(17)和公式(18)中的g(ε)可以利用公式(16)和公式(17)，通过多项式逼近得到：
[0107]
g(ε)＝2.40075915 0.31827223ε2 0.02184051ε4 0.00105347ε6ꢀꢀꢀ
(公式20)
[0108]
由于经上述步骤得到的第i项电压闪变包络信号的幅值和频率修正算式是基于改进解析能量算子闪变包络信号提取、新型k_b优化互卷积窗加窗修正、并经三谱线插值改进fft后得到的，因此，得到的电压闪变包络参数更加精确，并且改进后的解析能量算子提取闪变包络信号去掉了原本解析能量算子中的开根号，计算简单，可嵌入式实现。
[0109]
本发明的效果通过如下仿真实验可以获得，具体如下：
[0110]
1、针对单一频率的电压闪变包络信号的仿真
[0111]
为验证本发明提出的基于改进解析能量算子和新型k_b优化互卷积窗的电压闪变参数检测方法的有效性和准确性，首先对闪变信号中的电压波动调制信号仅包含单频调制分量时在matlab中进行仿真分析，幅值u0为1v电网的基频f0为50hz，调幅波电压波动幅值mi的变化范围为0～0.1pu(pu为标幺值)，调幅波电压频率波动范围为0.5～35hz。闪变包络参数的幅值相对误差em和频率相对误差ef如表1所示。
[0112]
表1单一频率的电压闪变包络信号分量的测量误差
[0113][0114]
由表1可知，当闪变调幅波中仅含单一分量时，闪变幅值的相对误差在2％以内，频率误差在10-9
％以内，由此可知本方法在闪变包络参数检测中精度较高，满足iec标准对闪变检测的误差要求。
[0115]
2、针对多频率的电压闪变包络信号的仿真
[0116]
由于实际闪变包络信号中含有多种调制频率分量，因此，对本文方法在多频调制下闪变参数检测的准确性，设置多频成分的电压闪变包络信号参数与检测结果如表2所示。
[0117]
表2多频率电压闪变包络信号分量的测量误差
[0118][0119]
由表2可知，本文方法在在多频调制下的闪变参数检测精度仍然满足iec标准的误差，因此，本文方法可以实现在多频调制下的闪变参数检测。
[0120]
3、针对叠加谐波的电压闪变包络信号的仿真
[0121]
由于实际电网中往往存在大量的谐波与间谐波，为分析谐波与间谐波对本文方法的影响，分别添加次谐波、整数次谐波、间谐波的电压闪变信号，通过本文方法进行闪变参数检测，设置的闪变频率为5hz，调幅波系数mi为0.1pu，电压基频f0为50hz，本文方法的检测结果如表3所示。
[0122]
表3叠加各类谐波的电压闪变信号的测量误差
[0123][0124]
通过表3的幅值误差与频率误差分析可知，本文方法对于叠加了整数次谐波、次谐波、间谐波的电压闪变信参数检测影响不大，仍然可以在谐波干扰的情况下实现对电压闪变参数的准确检测。
[0125]
4、针对电网频率波动情况下的电压闪变包络信号的仿真
[0126]
实际电网在运行中可能存在基频波动情况，从而会引起对频谱泄露的进一步影响，因此，本文在基频波动情况下对电压闪变进行参数检测。基频f0的波动范围在49.5～50.5hz之间，电压闪变包络信号的频率1～35hz之间波动，电压闪变的调幅波系数为0.1pu，本文方法电压闪变频率检测误差如图3所示。
[0127]
通过图3可知，在电网基频波动情况下，电压闪变频率测量误差整体控制在10-6
％以下，因此本文方法不受基频波动的影响，具有较强的抗干扰性。
[0128]
5、针对添加噪声干扰影响的电压闪变包络信号的仿真
[0129]
为了验证本文方法的抗噪性，对闪变信号添加信噪比为20～120db范围间的白噪声，电压闪变幅值为0.1pu，频率波动范围为1～35hz，电压闪变参数的检测结果如图4所示。
[0130]
通过图4可知，即使白噪声的信噪比在20db时，闪变参数的测量误差仍然可以控制在10％以下，当信噪大于40db时，调幅波测量误差控制在5％以下，因此本文所提方法具有很强的抗噪性。
[0131]
6、本发明的方法与常用算法比较
[0132]
为了分析本文所提方法在闪变检测中的先进性，选取了iec闪变仪推荐的平方检测方法、s变换方法与本文所提方法分别进行闪变参数检测，其仿真结果如图5所示。通过图5所示的闪变频率误差曲线可知，平方检测检测闪变的频率误差控制在3％以下，s变换检测法的频率误差在9％以下，而本文算法频率误差控制在1％以下，远低于平方检测法与s变换检测法，并且本文算法运算简单，计算量小，精度高，可嵌入式实现。
[0133]
由上述可以看出，本发明提出了基于改进解析能量算子新型k_b优化互卷积窗三谱线频谱校正方法实现了电压闪变参数的检测与分析，仿真结果表明：改进的解析能量算子和新型k_b优化互卷积窗的电压闪变参数检测方法可有效提高闪变参数的检测精度，改进的解析能量算子通过多点间微分运算增加了算法抗噪性，简化后的基于改进解析能量算子的闪变包络提取算式除去了开根号运算，简化了计算，构建的新型k_b优化互卷积窗函数具有旁瓣峰值更低，主瓣宽度更窄的优良特性，并且本文方法在单频与多频调制的情况下均能实现电压闪变包络参数的准确检测，并能有效克服基频波动、谐波与间谐波的干扰，对比常用方法，本文方法实现简单、易于实现，实时性强，满足闪变参数检测的要求。
[0134]
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明
的保护范围应当以本技术的权利要求所界定的内容为标准。