一种去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法、系统及存储介质与流程

1.本发明涉及电能质量检测与分析领域，具体涉及一种去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法、系统及存储介质。
技术背景
2.随着各类电力电子设备接入电网，谐波和间谐波严重影响电力系统的安全稳定运行。因此，快速准确地分析电力系统中谐波和间谐波分量的信号对于提高电能质量具有重要意义。
3.目前，目前，谐波和间谐波相量的检测方法有两种：基于离散傅里叶变换(dft)的方法和非dft方法。其中，窗函数法、反泄漏傅里叶变换法、插值方法以及谐波相量估计器等。这些方法可以减少频谱泄漏和栅栏效应，但在处理密集频率信号时存在很大的误差。因此，如何在保证计算速度的同时对宽频密集信号进行精确的测量是目前面临的技术难点。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提出的一种去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法系统及存储介质，利用去除幅频变化干扰的乘子法能够在对电力系统宽频密集信号分析前抑制幅频动态变化的影响的特点，通过对功率信号幅频变化干扰的定量计算，抑制其对采样信号分析过程的干扰，以实现对宽频密集频率信号的精确分析，极大地提高了信号分析的准确性。
5.本发明采用如下技术方案实现：
6.一种去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法，包括以下步骤：
7.s1、信号采样与变换：对功率信号x(t)以fs为采样频率进行采样，并对采样信号进行泰勒傅里叶变换，获得样本相量x；
8.s2、定义幅频变化干扰：考虑到实际信号的幅值和频率的动态变化，引入干扰算子τ，样本相量x转换为xοτ＝bp ε，其中b为n
×
2(mk 1)k阶低秩矩阵，p是长度为2(mk 1)k的幅频特征相量，ε为长度为k的噪声相量；
9.s3、量化幅频变化干扰：对样本相量x与干扰算子τ的复合映射xοτ进行关于τ的雅克比行列式的迭代计算，以获得干扰算子迭代计算的基本条件；
10.s4、去除幅频变化干扰：对s2所得式xοτ＝bp ε中的干扰算子τ进行迭代计算，从而去除幅频变化干扰对原始信号测量的影响；
11.s5、乘子法迭代：通过乘子法迭代求解xοτ＝bp ε中的参数噪声相量ε、幅频特征相量p，从而完成对宽频密集频率信号的分析。
12.进一步的，所述s1的具体实施过程包括：
13.对包含k个分量的密集频率信号x(t)以fs为采样频率进行采样，并对采样信号进行泰勒傅里叶变换，获得n
×
1阶样本相量x：
14.x＝bp
15.其中，b为n
×
2(mk 1)k阶低秩矩阵，mk为第k个信号分量泰勒傅里叶变换的最大阶数，k为信号分量数，p是长度为2(mk 1)k的相量。
16.进一步的，所述s3中：
17.对x与τ的复合映射进行关于τ的雅克比行列式的迭代计算，定义如下式：
[0018][0019]
其中，xοτi表示x和τi的复合映射，i表示计算干扰算子的迭代次数，～表示估计值，τi表示干扰算子τ第i次迭代后的计算值，表示雅克比行列式。
[0020]
进一步的，所述s4的具体实施过程包括：
[0021]
通过线性化来迭代求解，得到干扰算子的收敛值，从而去除幅频变化干扰对原始信号测量的影响，干扰算子迭代定义如下式：
[0022][0023]
其中，δτi表示干扰算子在迭代过程中的变化量，表示将干扰算子在第i次迭代后的计算值代入原始信号后的估计值，表示样本相量x与干扰算子τ的复合映射xοτ关于τ的雅克比行列式，bi表示第i次迭代计算后的低秩矩阵b。
[0024]
进一步的，所述s5中：
[0025]
通过乘子法迭代求解包含原始信号幅频特性的参数ε、p，引入相量v以简化表达，乘子法迭代定义如下：
[0026][0027]
其中，k表示乘子法迭代次数。
[0028]
一种去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0029]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0030]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法。
[0031]
一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法。
[0032]
本发明的优点在于通过干扰算子的引入，量化了原始功率信号在采样过程中幅值、频率动态变化的影响，并能够快速消除干扰的影响，最后通过乘子法的迭代，获得采样
信号的幅频数据，最终完成对宽频密集频率信号的分析。
附图说明
[0033]
图1为本发明阶跃变化测试结果，其中(a)为tve达到2％时的响应时间；(b)为fe达到0.14hz时的响应时间；(c)为rfe达到1.6hz/s时的响应时间；
[0034]
图2为本发明一种去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法其中一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
[0035]
为了更加详细阐述本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例来使本发明的内容更清晰。应当注意的是，所结合的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都是属于本发明的保护范围。
[0036]
本实施例为凸显算法的分析效果，选择离散傅里叶变换(dft)方法、sinc方法、谐波相量估计器(hpe)和标准基追踪去噪(bpdn)方法作为本发明所提算法(rim)的对比算法。假设采样率为10khz，采样窗长设为10个工频周期。使用ieee c37.118.1a-2014标准中定义的总矢量误差(tve)，绝对频率误差(fe)和绝对频率变化率误差(rfe)对算法性能进行评估。本实施中测试信号选取如下：
[0037][0038]
其中，l表示低频段谐波分量总数，l为低频段谐波分量的序号，h表示高频段谐波分量总数，h为高频段谐波分量的序号，a
l
表示低频段第l个谐波分量的幅值，f
l
表示低频段第l个谐波分量的频率，t表示时间，ah表示高频段第h个谐波分量的幅值，fh表示低频段第h个谐波分量的频率。在t＝2s时，各频率分量的幅值和相位分别变化为原始幅值和相位的110％和π/18。最终测试结果如图1所示。
[0039]
请参阅图2，本发明实施例提供一种去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法，包括以下步骤：
[0040]
s1、信号采样与变换：对功率信号x(t)以fs为采样频率进行采样，并对采样信号进行泰勒傅里叶变换，获得样本相量x。
[0041]
具体的，对包含k个分量的密集频率信号x(t)以fs为采样频率进行采样，并对采样信号进行泰勒傅里叶变换，获得n
×
1阶样本相量x：
[0042]
x＝bp
[0043]
其中，b为n
×
2(mk 1)k阶低秩矩阵，mk为第k个信号分量泰勒傅里叶变换的最大阶数，k为信号分量数，p是长度为2(mk 1)k的相量。
[0044]
s2、定义幅频变化干扰：考虑到实际信号的幅值和频率由于采样误差等的影响而发生动态变化，引入干扰算子τ，样本相量x转换为xοτ＝bp ε，其中b为n
×
2(mk 1)k阶低秩矩阵，p是长度为2(mk 1)k的幅频特征相量。
[0045]
s3、量化幅频变化干扰：对样本相量x与干扰算子τ的复合映射xοτ进行关于τ的雅克比行列式的迭代计算，以获得干扰算子迭代计算的基本条件。具体的，对x与τ的复合映射
关于τ的雅克比行列式的迭代计算，定义如下式：
[0046][0047]
其中，xοτi表示x和τi的复合映射，i表示计算干扰算子的迭代次数，～表示估计值，τi表示干扰算子τ第i次迭代后的计算值，表示雅克比行列式。
[0048]
s4、去除幅频变化干扰对s2所得式xοτ＝bp ε中的干扰算子τ进行迭代计算，从而去除幅频变化干扰对原始信号测量的影响。
[0049]
具体的，通过线性化来迭代求解，得到干扰算子的收敛值，从而去除幅频变化干扰对原始信号测量的影响，干扰算子迭代定义如下式：
[0050][0051]
其中，δτi表示干扰算子在迭代过程中的变化量，表示将干扰算子在第i次迭代后的计算值代入原始信号后的估计值，表示样本相量x与干扰算子τ的复合映射xοτ关于τ的雅克比行列式，bi表示第i次迭代计算后的低秩矩阵b。
[0052]
s5、乘子法迭代：通过乘子法迭代求解xοτ＝bp ε中的参数噪声相量ε、幅频特征相量p，从而完成对宽频密集频率信号的分析。
[0053]
具体的，通过乘子法迭代求解包含原始信号幅频特性的参数ε、p，为简化表达，引入相量v，乘子法迭代定义如下：
[0054][0055]
其中，k表示乘子法迭代次数。
[0056]
最终检测结果如图1所示，在阶跃变化测试中相比现有技术将分析精度提高30％左右。
[0057]
本发明实施例还提供了一种去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析系统，包括：计算机可读存储介质和处理器；
[0058]
所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；
[0059]
所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行所述的去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法。
[0060]
本发明实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的去除幅频变化干扰的乘子法宽频密集频率信号分析方法。
[0061]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序
产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0062]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0063]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0064]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0065]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。