一种基于特征还原的闪变测量方法

1.本发明涉及电力系统领域，具体涉及一种基于特征还原的闪变测量方法，对闪变调制类型提供判别依据。


背景技术：

2.随着许多非线性、冲击性负荷以及新能源设备的不断并网，导致电网波动并使得电网闪变问题日趋严重，给工业生产和社会生活造成了严重影响。因此，准确获得电力系统闪变相关参数是进行闪变评估和治理的首要前提，对于改善电网环境、评价闪变严重程度、确保电网安全具有重要意义。
3.现有的检测算法大多都采用数字闪变仪设计思路，即先提取闪变信号包络，然后求取包络参数，如使用hilbert变换提取闪变包络，该方法存在严重边沿飞翼问题且运算量大的缺点。也有人提出基于fft的闪变参数实时检测方法。然而，该方法在异步采样情况下，频谱泄漏和栅栏效应降低了这些方法的准确性；还有利用相关系数来对闪变参数进行估计的方法，但电网和其他联网负载扰动对该检测方法有显著影响。
4.这些闪变参数检测方法大都假设在已知闪变调制波类型的前提下进行测量的，然而实际闪变的调制波类型无法提前预知，使得这些检测算法在实际应用时严重受限。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有技术在实际应用受限问题，提供了一种闪变测量方法，其在基于闪变特征参数还原方法下可有效解决现有技术无法在闪变调制波形变化情况下无法准确检测闪变参数的技术问题。
6.本发明的技术方案实现：
7.本发明提供了一种基于特征还原的闪变测量方法，其包括：
8.1)对电网信号进行固定采样率的离散采样；利用两点间隔的改进teager能量算子提取采样后电网信号的闪变包络d(n)；
9.2)采用加五项rife-vincent窗插值fft方法对所得包络d(n)进行处理，得到闪变调制波特征参数：幅值系数mi、频率fi和包络初相角θd；
10.3)将所得的特征参数还原成正弦调制信号，再将幅值系数mi除去4/π并结合其他参数还原成矩形调制信号；
11.4)取包络信号d(n)幅值的(1
±
10％)作为阈值并对两组还原信号在该阈值内的点数进行统计，若有还原信号的数据点数大于n/4，则取阈值内数据点数最大所对应的还原调制波形作为实际闪变调制波类型并输出相应闪变参数。若两组还原信号在该阈值内的点数均少于 n/4时，则表明实际电网并未发生闪变。
12.可选地，所述的两点间隔的改进能量算子包络提取方法，具体表达式为：
13.ψ[c(n)]＝c2(n)-c(n 2)c(n-2)
[0014]
式中，c(n-2)、c(n)、c(n 2)为三个间隔两点的采样点，通过这三个点即可快速跟
踪包络信号的幅值和频率，且与信号初相角无关。
[0015]
可选地，所述的一种基于特征还原的闪变测量方法，其特征在于，所述得到的包络d(n) 的表达式为：
[0016][0017]
式中u(n)为闪变信号、u0为电网电压幅值、ω0为电网基波数字角频率。
[0018]
可选地，所述的一种基于特征还原的闪变测量方法，其特征在于，所述五项rife-vincent 窗插值fft方法对所得的包络d(n)进行处理得到闪变调制波特征参数的函数表达式为：
[0019]
五项rv窗函数的离散表达式为：
[0020][0021]
将d(n)与五项rv相乘，得到加窗后信号的离散表达式为：
[0022][0023]
对加窗后的闪变调制波信号进行fft分析，其离散频谱为
[0024][0025]
式中，x为离散点数、δf＝fs/n、h为调制波项数、θd为包络初相角、fs为采样频率、 f0为电网基波频率。
[0026]
可选地，所述得到的闪变调制波幅值系数mi、频率fi和包络初相角θd为：
[0027][0028]
式中，k
i1
＝|u(x
i1
δf)|、k
i2
＝|u(x
i2
δf)|分别为检测到的峰值点xi附近幅值最大和次最大的谱线x
i1
和x
i2
两条谱线对应的幅值，η＝x
i-x
i1-0.5，其中η取值范围[-0.5 0.5]，n为采样点数。
[0029]fi
＝xiδf＝(η-x
i1
0.5)δf
[0030][0031]
可选地，所述的一种基于特征还原的闪变测量方法，其特征在于，所述将特征参数还原成正弦调制信号，再将幅值系数mi除去4/π并结合其他参数还原成矩形调制信号，其还原信号分别为：
[0032]vcos
＝micos(2nπfi/fs θd)
[0033]vrec
＝π/4
·
misquare(2nπfi/fs θd)
[0034]
式中，n为离散点数。
[0035]
可选的所述的一种基于特征还原的闪变测量方法，其特征在于，所述的取包络信号d(n) 的(1
±
10％)作为阈值并统计两组还原信号在阈值内的点数分别满足条件为：
[0036]
d(n)
·
(1-10％)＜v
cos
(n)＜d(n)
·
(1 10％)
[0037]
d(n)
·
(1-10％)＜v
rec
(n)＜d(n)
·
(1 10％)
[0038]
可选的所述的一种基于特征还原的闪变测量方法，其特征在于，所述的若有还原信号的数据点数大于n/4，则点数较大所对应的还原调制波形即为实际闪变调制波类型，则相应闪变参数的输出为：
[0039]vcos
(n)在阈值内点数大于v
rec
(n)时，输出闪变调制波幅值系数mi、频率fi。
[0040]vcos
(n)在阈值内点数小于v
rec
(n)时，输出闪变调制波幅值系数π/4
·
mi、频率fi。
[0041]
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：
[0042]
本发明基于利用两点间隔的改进teager能量算子能够大幅提升电网信号的闪变包络提取精度。
[0043]
本发明通过特征参数还原的测量方法，为闪变调制波形分类提供了判别依据，克服了传统闪变检测算法无法对闪变信号进行有效辨识而使用受限的问题，提高了闪变的检测精度和可靠性。
附图说明
[0044]
图1为传统能量算子与改进能量算子对矩形调制的闪变包络提取图；
[0045]
图2为不同窗函数频谱特性曲线图；
[0046]
图3为本发明的实施流程图；
[0047]
图4为单一正弦波不同调制频率闪变信号仿真结果图；
[0048]
图5为单一矩形波不同调制频率闪变信号仿真结果图；
[0049]
图6为不同系统频率波动下正弦波调制闪变信号的测量结果图；
[0050]
图7为不同系统频率波动下矩形波调制闪变信号的测量结果图；
具体实施方式
[0051]
以下将结合图1—图7对本发明的技术方案做进一步详细说明。
[0052]
实施步骤包括：
[0053]
5)利用两点间隔的改进teager能量算子提取电网闪变包络d(n)；
[0054]
6)采用加五项rife-vincent窗插值fft方法对所得的包络d(n)进行分析处理，得到闪变调制波特征参数：幅值系数mi、频率fi和包络初相角θd；
[0055]
7)将所得的特征参数还原成正弦调制信号，再将幅值系数mi除去4/π并结合其他参数还原成矩形调制信号；
[0056]
8)取包络信号d(n)的(1
±
10％)作为阈值并统计两组还原信号在阈值内的点数，若有还原信号的数据点数大于n/4(n为采样点数)，则点数较大所对应的还原调制波形即为实际闪变调制波类型并输出相应闪变参数；若还原信号在阈值内的点数均少于n/4时，则未发生闪变。
[0057]
可选地，步骤1)的详细步骤包括：
[0058]
闪变可看作包含单个或多个电压波动分量作为调制波，调制电网工频电压的结
果，建立其离散数学表达式为
[0059]
u(n)＝u0[1 v(n)]cos(ω0n θ0)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0060]
式中，n为采样点；u0为电网电压幅值；v(n)为闪变波动离散分量；θ0为基波初相角；为基波数字角频率，f0为基波频率，fs为采样频率。
[0061]
在传统能量算子采取相邻三个点的基础上，给出采用两点间隔采样的改进能量算子包络提取方法，具体表达式为
[0062]
ψ[c(n)]＝c2(n)-c(n 2)c(n-2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0063]
式中c(n-2)、c(n)、c(n 2)，为三个间隔两点的采样点，通过这三个点即可快速跟踪包络信号的幅值和频率，且与信号初相角无关。
[0064]
对任意离散时间信号c(n)和z(n)，上述能量算子满足
[0065]
ψ[c(n)z(n)]＝c2(n)ψ[z(n)] z2(n)ψ[c(n)]-ψ[c(n)]ψ[z(n)]
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
将公式代入能量算子方程式中可知
[0067][0068]
由于闪变调制波信号幅值ui通常小于电网基波幅值u0的10％，即调制波系数mi小于10％。故(4)式中e(n)
·
s(n)＜＜p(n),舍去较小的分量仅保留主项分量，可将其简化为
[0069][0070]
最终，改进能量算子闪变包络分量可表示为
[0071][0072]
可选地，步骤2)的详细步骤包括：
[0073]
五项rv窗函数的离散表达式为
[0074][0075]
将式(6)中的包络信号与五项rv函数w
rv
(n)相乘，得到加窗后信号的离散表达式为
[0076][0077]
对加权后的闪变调制波包络信号进行分析，其离散频谱可近似为
[0078][0079]
式中，x为离散点数，h为闪变调制波的项数；δf＝fs/n；n为数据截断长度；mi为第i项闪变调制波的系数；θd为包络初相角。设峰值点xi附近幅值最大和次最大的谱线分别为x
i1
和x
i2
，这两条谱线对应的幅值分别为k
i1
＝|u(x
i1
δf)|和k
i2
＝|u(x
i2
δf)|，引入参数和η＝x
i-x
i1-0.5，其中η取值范围[-0.5 0.5],由式(9)通过dtft定义式可得
[0080][0081]
记式(10)的反函数为η＝h-1
(δ)，由δ可求出参数η，则闪变信号频率fi的修正公式为
[0082]fi
＝xiδf＝(η x
i1
0.5)δf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0083]
闪变调制波的修正系数mi是对x
i1
和x
i2
谱线进行加权平均的结果，其计算公式为
[0084][0085]
由于采样点数n值较大，故有
[0086]
mi＝n-1
(k
i1
k
i2
)v(η)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0087]
在由式(9)可得包络初相位修正公式
[0088][0089]
式中，v(η)通过最小二乘拟合得到。
[0090]
故(13)式又可以表示为
[0091][0092]
其中取l＝5为多项式拟合的最高阶。
[0093]
由于幅频响应w
rv
(w)是偶对称函数的，因此v(η)是偶函数，即
[0094]
v(η)＝0.83017314 0.16544846η2 0.01804953η4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0095]
因此，可得第i项闪变调制波信号幅值的系数修正式为
[0096][0097]
再将式(10)写成δ＝h(η)，并定义其反函数为η＝h-1
(δ)。取η在[-0.5,0.5]内的一组值，由式(10)得出对应的δ值，在对其进行反拟合，求出多项式h-1
(δ)的系数则有
[0098]
η＝h-1
(δ)＝4.5δ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0099]
因此，可得第i项闪变调制波信号的频率修正式为
[0100]fi
＝xiδf＝(η-x
i1
0.5)δf
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0101]
通过dtft定义包络初相角θd可表示为
[0102][0103]
可选地，步骤3)的详细步骤包括：
[0104]
将特征参数还原成正弦调制信号，再将幅值系数mi除去4/π并结合其他参数还原成矩形调制信号，其还原信号分别为：
[0105]vcos
＝micos(2nπfi/fs θd)
[0106]vrec
＝π/4
·
misquare(2nπfi/fs θd)
[0107]
式中，n为离散点数。
[0108]
可选地，步骤4)的详细步骤包括：
[0109]
取包络信号d(n)的(1
±
10％)作为阈值并统计两组还原信号在阈值内的点数分别满足条件为：
[0110]
d(n)
·
(1-10％)＜v
cos
(n)＜d(n)
·
(1 10％)
[0111]
d(n)
·
(1-10％)＜v
rec
(n)＜d(n)
·
(1 10％)
[0112]
所述的若有还原信号的数据点数大于n/4，则点数较大所对应的还原调制波形即为实际闪变调制波类型，则相应闪变参数的输出为：
[0113]vcos
(n)在阈值内点数大于v
rec
(n)时，输出闪变调制波幅值系数mi、频率fi。
[0114]vcos
(n)在阈值内点数小于v
rec
(n)时，输出闪变调制波幅值系数π/4
·
mi、频率fi。
[0115]
本发明的效果通过如下仿真实验可以获得，具体如下：
[0116]
1、针对单项调制闪变信号的仿真
[0117]
为验证所提算法的准确性和可靠性，本文在matlab中进行仿真实验，设采样频率 fs＝800hz,采样点数n＝4096,电网基波电压u0和频率f0分别为50hz，并分别设置正弦波调制闪变信号和矩形波调制闪变信号，其中调制波项数h＝k＝1，系数mi＝mj在 0～0.1(p.u.)中随机选取(p.u.表示标称值)、频率fi＝fj在0.05～35hz范围按照步进1hz变化进行仿真。所得正弦波调制闪变信号和矩形波调制闪变信号结果分别如图4，图5所示。
[0118]
由图4可知，本文算法可以准确辨识闪变调制波类型并获得其参数。从图4中可看出，正弦调制闪变信号在不同调制波系数和调制波频率提取的准确度很高，测量结果相对误差均在0.02％以下。由图5可见，矩形波调制闪变信号虽然在25hz和35hz的相对误差较大，但仍满足gb/t12326-2008的要求。
[0119]
2、针对多项调制闪变信号的仿真
[0120]
为验证所提算法的准确性和可靠性，在matlab中进行仿真实验，设采样频率fs＝800hz, 采样点数n＝4096,电网基波电压u0和频率f0分别为50hz，并分别设置正弦波调制闪变信号和矩形波调制闪变信号，其中调制波项数h＝k＝3；系数mi＝mj分别取[0.03 0.070.1]；频率fi＝fj分别取[4 10 18]hz。所得正弦波调制闪变信号和矩形波调制闪变信号结果如表1所示。
[0121]
表1多项调制闪变信号的检测
[0122][0123]
由表1可知，对于多项调制闪变信号，本发明所提方法仍旧可以准确识别调制波类型并获得相关参数。正弦波调制闪变信号最大相对误差为8.9e-04％、矩形波调制信号的最大相对误差为0.1783％，即本发明算法对多项调制波类型的闪变参数检测也有着较高的准确度。
[0124]
3.针对不同基波频率影响下的仿真
[0125]
实际电网频率存在波动，从而会直接影响到闪变参数的检测精度。因此，设置调制系数 mi＝mj＝0.1(p.u.)，调制波项数h＝k＝1，基波频率f0在49.5～50.5hz变动，步进量为0.1hz，具体仿真结果如图6、图7所示。
[0126]
由图6可知，本文算法可以准确辨识闪变调制波类型并获得其参数。从图6中可看出，正弦调制闪变信号在不同调制波系数和调制波频率提取的准确度很高，测量结果相对误差均在0.2％以下。由图7可见，矩形波调制闪变信号虽然在少部分频率下的相对误差较大，但其仍满足gb/t12326-2008的要求。
[0127]
4.针对在50db高斯白噪声影响下测量的仿真
[0128]
为了检验本文检测方法在噪声影响下测量结果，本文对闪变信号叠加50db的高斯白噪声进行仿真测试，考虑到噪声的随机性，每个闪变信号均进行1000次测量，误差结果取其平均值，具体仿真测试结果如表2所示
[0129]
表2噪声干扰下测量结果
[0130]
[0131][0132]
由表2可知，虽然受到噪声的影响，本发明所提算法仍能对闪变信号进行准确检测，正弦波调制闪变信号所得系数相对误差不超过0.2699％、频率相对误差不超过7.4e-04％，矩形波调制闪变信号所得系数相对误差不超过0.7462％、频率相对误差不超过-0.0520。因此，所提算法在对闪变参数准确测量的同时还具有很好的鲁棒性。
[0133]
5.针对在实际闪变测量中本发明的应用检验
[0134]
为验证本文算法对实际电网中对电力系统闪变参数检测的准确性和有效性。本文构建了基于st公司的arm处理器stm32f407和adi公司的模数转换器ad7606的闪变测试硬件平台。整个闪变测试硬件平台的整体结构如图6所示，信号发生器(fluke 6100a)产生测试用的闪变信号，该信号经过信号调理电路后送入模数转换器ad7606进行数据采集，采集的数据经串口通信spi方式传送给stm32f407，在stm32中进行闪变参数的检测分析，并将分析结果通过lcd显示。示波器agilent ds01102b用于对产生的闪变信号进行实时监控。实际硬件测试平台测试所得闪变参数结果如表3所示。
[0135]
表3实际硬件平台所得闪变参数检测结果
[0136]
tab.3 the result of flicker parameter detection on actual hardware platform
[0137]
表(a)正弦波调制闪变参数检测结果
[0138][0139]
表(b)矩形波调制闪变参数检测结果
[0140][0141][0142]
由表3可知，本文算法能够准确辨识出闪变具体调制波类型，实际测试所得的正弦波调制闪变幅值相对误差不超过0.7321％，频率相对误差不超过0.1870％。矩形波调制闪变幅值误差不超过0.7886％，频率误差不超过0.0635％，两者均满足gb/t12326-2008标准规定的闪变检测误差要求。
[0143]
由上述可以看出，本发明提出的一种基于特征还原的闪变测量方法以实现闪变调制波类型的准确辨识和相关参数的准确检测。有效解决传统闪变检测无法对不同调制波类型的闪变信号进行辨识而使用受限的问题，且算法精度高，抗干扰性好，为闪变调制波形的分类提供有效判别依据。
[0144]
以上所述为本发明的较佳实例，但实例并不限定本发明。在不脱离本发明思路下所做的任何等效变化或润饰的技术方案，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。