一种基于Hilbert-Huang变换的电能质量分析方法

摘要

本发明公开了一种基于Hilbert-Huang变换的电能质量分析仪，包括电能质量实测数据采集部分和电能质量分析部分。电能质量实测数据采集部分实现电能质量数据的获取，主要功能为信号调理和数据采集；电能质量分析部分以Hilbert-Huang变换为核心算法，可实现电能质量暂态扰动特性检测与谐波分析。本发明中，建立了改善暂态振荡分析的模态混叠时叠加高频强信号自动构造方法与改善谐波分析的模态混叠时滤波器的自适应设计方案。使分析仪既能在仿真分析模式下与PSCAD/EMTDC仿真数据接口，实现对电力系统的理论研究；又可在实测分析模式中与实测数据接口，实现对电网电能质量检测，分析电力系统实际运行状况。

主权项

1.一种基于Hilbert-Huang变换的电能质量分析方法，包括电能质量实测数据采集部分和电能质量分析部分：电能质量实测数据采集部分实现电能质量数据的获取，主要功能为信号调理和数据采集；电能质量分析部分具有数据接口模块、算法模块、显示存储模块，实现对电能质量的分析；其具体工作步骤包含：A、电能质量实测数据采集信号调理电路对电压互感器或电流互感器二次侧电压或电流进行滤波，再通过霍尔传感器将其转化为适于A/D转换的电压信号；以单片机为核心的数据采集系统将经过信号调理后的电压进行A/D转换，通过RS-232串口通信的方式将得到的数据传输给后台电能质量分析部分；B、Hilbert-Huang变换分析电能质量分析部分经过数据接口模块获取电能质量实测数据或PSCAD/EMTDC仿真数据后，即进入以Hilbert-Huang变换为核心的算法模块实现电能质量的分析，并由显示存储模块输出检测结果；其方法是：对数据x(t)进行经验模态分解；对于暂态振荡信号，通过对高频分量的固有模态函数进行Hilbert-Huang变换，求取瞬时幅值和瞬时频率，检测出扰动发生终止时刻，扰动起止时的高频突变量，扰动幅值与频率变化过程详细信息；对谐波信号，则对每一个固有模态函数求幅值和频率，所求结果对应原信号的每一个谐波成分；Hilbert-Huang变换分析电能质量具体做法是：对电能质量信号x(t)，经过经验模态分解，分解成n个具瞬时频率意义的固有模态函数c_i（t)(i=1,2,……,n)与一个余量r(t)的和，表示为：$x\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{c}_i\left(t\right)+r\left(t\right)$求取固有模态函数c_i(t)的瞬时幅值与瞬时频率，首先求c_i(t)的Hilbert变换${\hat{c}}_i\left(t\right)=\frac{1}{\pi }{\int }_{-\infty }^{\infty }\frac{c_i\left(\tau \right)}{t-\tau }\mathrm{d\tau }$构造c_i(t)的解析函数z_i(t)：$z_i\left(t\right)=c_i\left(t\right)+j{\hat{c}}_i\left(t\right)$分别得到幅值函数a_i(t)与相位函数：$a_i\left(t\right)=\sqrt{c_i^2\left(t\right)+{\hat{c}}_i^2\left(t\right)}$相应可以求出瞬时频率f_i(t)：C、模态混叠处理在对暂态振荡信号和谐波信号分析时，经验模态分解有时不能实现正确筛分，所得分解结果失去意义，需对分析方法进行改进；对暂态振荡信号分析发生模态混叠，采用叠加高频强信号的方法改善模态混叠问题；即：直接用经验模态分解获得第一个固有模态函数，求其瞬时频率与瞬时幅值，所得频率可反应振荡频率，并据所求的频率值与幅值构造高频强信号为Δx(t)，叠加到原信号，对叠加后的新信号进行经验模态分解，用得到的新的高频固有模态函数减去所加高频强信号，再通过求差的瞬时幅值得到振荡的幅值变化；针对谐波信号分析发生模态混叠采用基于傅立叶变换的经验模态方法，具体做法为：先对信号进行傅立叶变换分析，将各频率成分对应的幅值按最大值归一化，以归一化后幅值大于指定值的频率点作为滤波器设计参数，生成滤波器对各频率点滤波，使各固有模态函数分离开，再分别进行Hilbert-Huang变换分析。