陳 雷, 鄭德忠, 趙興濤, 廖文喆
(1. 燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院, 河北省測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 秦皇島 066004; 2. 東北石油大學(xué)秦皇島分校, 河北 秦皇島 066004; 3. 河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300130)
基于FFT和優(yōu)化匹配追蹤的諧波/間諧波檢測(cè)
陳 雷1, 2, 鄭德忠1, 趙興濤1, 廖文喆3
(1. 燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院, 河北省測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 秦皇島 066004; 2. 東北石油大學(xué)秦皇島分校, 河北 秦皇島 066004; 3. 河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300130)
諧波和間諧波干擾嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,將快速傅里葉變換(FFT)和采用局部?jī)?yōu)化的匹配追蹤算法相結(jié)合,并構(gòu)造離散正弦字典,實(shí)現(xiàn)在含有噪聲、基波頻率偏移和頻率相近的間諧波情況下的諧波和間諧波參數(shù)檢測(cè)。采用循環(huán)迭代方法,按照能量大小,依次提取出諧波和間諧波擾動(dòng)成分,每次迭代首先用FFT估計(jì)出當(dāng)前頻率參數(shù),并搜索該頻率下的相位,然后以該頻率和相位作為初值,用Nelder-Mead算法獲得優(yōu)化后的頻率和相位值,并通過MP算法提取出匹配信號(hào)表達(dá)式,進(jìn)而獲得幅值參數(shù)。仿真結(jié)果表明本文提出的算法計(jì)算復(fù)雜度低、物理意義清晰,具有較好的檢測(cè)精度和抗噪性能。
諧波; 間諧波; 匹配追蹤; 正弦字典; 時(shí)頻原子; 優(yōu)化計(jì)算
電力系統(tǒng)中的電弧爐、電動(dòng)機(jī)、變壓器等波動(dòng)性、沖擊性負(fù)荷及各種現(xiàn)代電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用,導(dǎo)致諧波、間諧波的頻繁發(fā)生,對(duì)電網(wǎng)的正常運(yùn)行造成很大危害,如引起電壓波動(dòng)及照明設(shè)備的閃變現(xiàn)象,導(dǎo)致儀器測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確,引起電動(dòng)機(jī)的噪聲和振動(dòng),導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的次同步振蕩等問題。因此對(duì)諧波和間諧波的精確檢測(cè)引起了人們的很大關(guān)注。
目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已提出了很多諧波、間諧波檢測(cè)方法,主要有FFT法[1]、小波分析法[2]、希爾伯特黃變換(HHT)[3]、Prony算法[4]、AR模型譜估計(jì)法[5]、MUSIC法[6]、ESPRIT法[7]、Wigner-Ville分布(WVD)方法[8]等。但FFT存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng),小波法有小波基有效選取等問題,HHT方法存在端點(diǎn)效應(yīng)和模態(tài)混疊,Prony和AR模型法對(duì)噪聲敏感,MUSIC等譜估計(jì)法的實(shí)時(shí)性不好,WVD法有交叉干擾問題,以上問題是這些方法有效應(yīng)用的障礙。目前隨著電力系統(tǒng)的負(fù)載和供電方式的多元化和復(fù)雜化,為了適應(yīng)現(xiàn)代諧波/間諧波檢測(cè)的需要,人們不斷對(duì)已有方法進(jìn)行改進(jìn)和完善,并繼續(xù)研究新的測(cè)量方法和手段。
近年來,基于過完備字典稀疏分解的信號(hào)處理方法逐漸被應(yīng)用到電力系統(tǒng)信號(hào)處理領(lǐng)域[9-11],其中文獻(xiàn)[10]采用Gabor時(shí)頻原子方法分析間諧波,但存在計(jì)算量大的問題;文獻(xiàn)[11]采用基于粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization,PSO)的匹配追蹤(Matching Pursuit,MP)分解算法實(shí)現(xiàn)了間諧波參數(shù)的快速檢測(cè),但算法受采樣頻率和信號(hào)長(zhǎng)度影響很大,不具普遍性。本文基于信號(hào)稀疏分解思想,采用MP算法,在正弦字典下對(duì)含有諧波和間諧波擾動(dòng)的信號(hào)進(jìn)行迭代分解,按照能量大小逐次提取出波形特征參數(shù),通過與局部?jī)?yōu)化算法的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了噪聲背景下對(duì)諧波和間諧波的幅值、頻率和相位的快速準(zhǔn)確檢測(cè),且不受非同步采樣和信號(hào)頻率成分的限制。
2.1 過完備字典的概念
過完備字典是一組具有廣泛時(shí)頻特性的函數(shù)波形,每個(gè)波形作為字典中的一個(gè)元素,稱為時(shí)頻原子,字典中的原子數(shù)量應(yīng)是高度冗余的,以便精確捕捉信號(hào)的各種局部特征。與傳統(tǒng)的基于正交基的分解方法不同,基于過完備字典的分解能夠根據(jù)信號(hào)的結(jié)構(gòu)特征,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的自適應(yīng)分解,從而獲得更加簡(jiǎn)潔的表達(dá)。
2.2 匹配追蹤分解
過完備字典下的MP分解是一種貪婪迭代分解算法,其目的是用字典中盡量少的原子組合,以盡量小的誤差表達(dá)信號(hào)。
定義過完備字典D={gγ}γ∈Γ,其中Γ為原子參數(shù)組γ的集合,gγ為字典中的原子,且有‖gγ‖=1,MP的分解方法如下:
假定第n≥0階殘差為Rn,令R0=f,選擇gγn∈D,使得內(nèi)積絕對(duì)值|
(1)
n階殘差Rn按式(2)分解為:
(2)
當(dāng)分解到m階時(shí),信號(hào)f被分解成式(3)中和的形式:
(3)
根據(jù)式(2)可得:
(4)
可見,MP算法通過以上貪婪迭代過程,在字典中尋找與被分解信號(hào)f最匹配的原子,當(dāng)分解到m階時(shí),得到m個(gè)匹配原子,則信號(hào)可用這m個(gè)原子的線性組合來表示,組合系數(shù)即為每次迭代對(duì)應(yīng)的內(nèi)積值
2.3 正弦字典
已提出的幾種常用字典包括Gabor字典、小波包字典、衰減正弦字典和Chirp字典等。用來分解信號(hào)的字典中原子的時(shí)頻特性應(yīng)與被分解信號(hào)的局部結(jié)構(gòu)相適應(yīng),電力系統(tǒng)諧波、間諧波信號(hào)實(shí)際上是一系列正弦曲線波形,為此這里構(gòu)造正弦量字典,其原子的復(fù)數(shù)表達(dá)式為:
(5)
實(shí)數(shù)表達(dá)形式為:
(6)
式中,K為原子的歸一化幅度值;ω為頻率;φ為相位;γ=(ω,φ)為原子的時(shí)頻參數(shù)組索引,用以表征諧波和間諧波擾動(dòng)信號(hào)的特征。
對(duì)于以上連續(xù)參數(shù)的過完備正弦字典D,其原子數(shù)量是無限的,而MP算法需要與過完備字典中的所有原子計(jì)算內(nèi)積,以確定匹配原子參數(shù),因此,要有效應(yīng)用MP分解,必須對(duì)原子參數(shù)離散化,即構(gòu)造子字典Dα=(gγ)γ∈Гα∈D,Гα為包含在Г中的有限索引集,參照文獻(xiàn)[12]提出的Gabor原子參數(shù)離散化方法,對(duì)正弦原子參數(shù)做如下離散化處理:
(7)
式中,Δφ=π/6;Δω=π;0≤k<2j+1;0≤i≤12;0 在離散正弦字典上對(duì)含有諧波和間諧波的信號(hào)進(jìn)行MP分解時(shí),由于字典的離散化和迭代算法中的誤差累積效應(yīng),使得提取出的諧波和間諧波參數(shù)誤差較大。為了提高算法的分解速度和諧波、間諧波的參數(shù)估計(jì)精度,本文在MP分解中引入快速傅里葉變換(FFT)和局部極值優(yōu)化算法,這里將其簡(jiǎn)稱為FFT-LOMP (FFT Local Optimization Matching Pursuit) 算法。 3.1 諧波/間諧波匹配參數(shù)的初步估算 MP分解通過在給定的字典中尋找與當(dāng)前殘差的內(nèi)積的絕對(duì)值最大的原子作為匹配原子,這里首先利用FFT尋找能量最大成分的頻率值。設(shè)采樣頻率為fs,信號(hào)的長(zhǎng)度為N。每次迭代,通過FFT獲得當(dāng)前殘差中能量最大成分對(duì)應(yīng)的譜線序列為λ,該譜線對(duì)應(yīng)的頻率ωλ為: (8) 通過這種頻率預(yù)計(jì)算,確定原子的頻率參數(shù),然后在頻率ωλ下,按照相位離散化表達(dá)式iΔφ,搜索使原子與殘差內(nèi)積絕對(duì)值最大的相位參數(shù)φλ。這里僅用FFT進(jìn)行頻率和相位的預(yù)估,后續(xù)將采用優(yōu)化計(jì)算法對(duì)其進(jìn)行校正,因此FFT中頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)引起的誤差對(duì)最終計(jì)算結(jié)果影響很小。 3.2 諧波/間諧波匹配參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算 根據(jù)式(1)可知,使用MP算法搜索匹配原子參數(shù),需要求| (9) 由于已經(jīng)確定了頻率和相位的離散化估計(jì)值ωλ和φλ,可將(ωλ,φλ)作為原子參數(shù)的初值,利用優(yōu)化算法在該初值附近求解如下極小值問題: (10) 求解該類問題,可以考慮最速下降法、牛頓法、共軛梯度法、擬牛頓法以及Nelder-Mead算法。其中Nelder-Mead(NM)算法是一種局部搜索算法,該算法使用直接搜索策略,無需目標(biāo)函數(shù)的任何導(dǎo)數(shù)信息,不涉及到復(fù)雜的Hessian矩陣運(yùn)算,計(jì)算工作量小,尤其適合于變量不是很多的極值求解問題。 NM算法借助單純形的思想,僅利用目標(biāo)函數(shù)值的信息,通過反射、擴(kuò)張、壓縮和整體收縮四種運(yùn)算尋找最優(yōu)解。下面介紹離散正弦字典下,基于NM算法實(shí)現(xiàn)諧波和間諧波匹配參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算過程。 對(duì)于目標(biāo)函數(shù)的n個(gè)變量,首先確定其初始值,并在其初始值附近構(gòu)造出n維單純形的n+1個(gè)頂點(diǎn)xi(i=1,2…n+1)作為目標(biāo)函數(shù)的初始解集,每個(gè)頂點(diǎn)是由目標(biāo)函數(shù)的n個(gè)變量構(gòu)成的一個(gè)n維向量,以上初始工作完成后,執(zhí)行如下迭代過程。 (1) 計(jì)算n+1個(gè)頂點(diǎn)的目標(biāo)函數(shù)值F(xi),依據(jù)目標(biāo)函數(shù)值從小到大對(duì)頂點(diǎn)排序,排序后頂點(diǎn)應(yīng)滿足F (x1)≤ F (x2) ≤…≤F (xn)≤F(xn+1),x1為最優(yōu)頂點(diǎn),xn+1為最差頂點(diǎn)。 (4) 取擴(kuò)張系數(shù)μ=2,壓縮系數(shù)ε=0.5,整體收縮系數(shù)σ=0.5。根據(jù)F (xr)與頂點(diǎn)目標(biāo)函數(shù)值的大小關(guān)系,通過擴(kuò)張、壓縮和整體收縮的運(yùn)算,得到一個(gè)新的n 維單純形,用作下次迭代。 (5) 誤差足夠小或達(dá)到指定迭代次數(shù),則停止迭代,并輸出最優(yōu)頂點(diǎn)x1,作為匹配原子參數(shù)。否則返回步驟(1)繼續(xù)迭代。 這里的每個(gè)向量由正弦原子的2維參數(shù)ω、φ的值構(gòu)成,即取n =2,初始值為(ωλ,φλ)。按照以上過程即可求得滿足式(10)的優(yōu)化的頻率ωλn和相位φλn,以及對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)形式歸一化匹配原子: (11) 進(jìn)而求得當(dāng)前迭代提取出的諧波或間諧波的頻率ωn和相位φn: (12) (13) 從而得到歸一化原子的實(shí)數(shù)表達(dá): (14) 再利用式(14)的結(jié)果進(jìn)一步計(jì)算幅值參數(shù): (15) 3.3 FFT-LOMP諧波/間諧波檢測(cè)步驟 FFT-LOMP方法按照以下步驟依次提取出諧波/間諧波擾動(dòng)參數(shù)。 (1)采用FFT獲得頻譜幅度最大頻率的初步估計(jì)值ωλ。 (2)在離散正弦字典中,遍歷搜索使原子與殘差的內(nèi)積絕對(duì)值最大的相位參數(shù)φλ。 (3)以ωλ和φλ為初值,采用NM算法獲得優(yōu)化的頻率ωλn和相位φλn。 (4)按照式(12)和式(13)恢復(fù)實(shí)際頻率ωn和相位φn,并得到歸一化原子的實(shí)數(shù)表達(dá)gγn(t)。 (5)獲得本次迭代提取出的匹配擾動(dòng)表達(dá)式 (6)根據(jù)式(2)計(jì)算當(dāng)前迭代的殘差Rn,當(dāng)殘差小于指定閾值或達(dá)到指定迭代次數(shù)則停止迭代,否則再次執(zhí)行步驟(1)~步驟(6)。 國(guó)標(biāo)GB/T 15945-2008規(guī)定電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的基波頻率偏差限值為±0.2Hz,電能質(zhì)量測(cè)量時(shí)的基波頻率測(cè)量誤差不應(yīng)超過±0.01Hz。國(guó)標(biāo)GB/T 14549-1993規(guī)定各次諧波測(cè)量的幅度誤差不大于±5%,角度誤差不大于±5°。在Matlab 2012仿真平臺(tái)下,構(gòu)造電力系統(tǒng)信號(hào),采樣頻率fs=3200Hz,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度N=1024,采用標(biāo)幺值(pu)作為幅度單位。 噪聲是一種有害的、頻率在200kHz以內(nèi)的頻譜范圍很寬的電氣信號(hào),其疊加在電力系統(tǒng)中性線、相線或信號(hào)線的電壓或電流上,包含了除諧波失真或暫態(tài)擾動(dòng)的所有電力信號(hào)擾動(dòng)。噪聲的頻率和幅值取決于噪聲源及系統(tǒng)特性,根據(jù)IEEE 標(biāo)準(zhǔn),噪聲的典型幅值低于電壓幅值的1%,對(duì)應(yīng)信噪比(SNR)為40dB,這里在信號(hào)中加入高斯白噪聲,驗(yàn)證所提出的方法在噪聲下的參數(shù)檢測(cè)性能。 4.1 仿真算例1 采用文獻(xiàn)[13]中提出的算法和仿真模型,對(duì)本文的FFT-LOMP算法和基于主特征值倒數(shù)加權(quán)信號(hào)子空間投影的多重信號(hào)分類算法RWSP-MUSIC、基于總體最小二乘旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)算法TLS-ESPRIT、MUSIC算法進(jìn)行對(duì)比,SNR為65dB。得到頻率參數(shù)的估計(jì)值和估計(jì)誤差分別如表1和表2所示。 表1 頻率參數(shù)估計(jì)值 表2 頻率參數(shù)估計(jì)誤差 由表1和表2可見,采用本文提出的FFT-LOMP算法,除了對(duì)79Hz低頻間諧波的頻率估計(jì)誤差為0.0209%以外,對(duì)其他分量的頻率估計(jì)誤差均在0.01% 以內(nèi),雖然對(duì)205Hz和250Hz的估計(jì)精度略低于RWSP-MUSIC,但本文算法對(duì)所有頻率成分的平均估計(jì)誤差僅為0.0076%,遠(yuǎn)低于其他三種算法。因此總體而言,本文算法更優(yōu)。 4.2 仿真算例2 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的頻率偏差限值規(guī)定為±0.2Hz,即頻率為49.8~50.2Hz。設(shè)被測(cè)信號(hào)含有2~5次諧波和142Hz、154.5Hz間諧波。表3給出了基波頻率為49.8Hz和50.2Hz兩種情況下諧波、間諧波的參數(shù)設(shè)置,表4給出了頻率、幅值、相位的估計(jì)值和估計(jì)誤差。 表3 參數(shù)設(shè)置 可見,基波頻率分別為49.8Hz和50.2Hz時(shí)的頻率估計(jì)絕對(duì)誤差分別為0.0033Hz和0.0052Hz,基波幅值的估計(jì)誤差都小于0.1%,均在國(guó)標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi);除49.8Hz時(shí)的3次諧波以外,其他諧波和間諧波的幅值估計(jì)誤差均小于2%,諧波的頻率估計(jì)誤差均小于0.02%,間諧波的頻率估計(jì)誤差都在0.07% 以內(nèi);5次諧波相位誤差稍大,其余諧波相位估計(jì)誤差均在1°以內(nèi),兩個(gè)間諧波的相位估計(jì)誤差較大,在5°以內(nèi)。總體而言,在基波頻率偏差限值內(nèi),本文算法可以較準(zhǔn)確地檢測(cè)基波及對(duì)應(yīng)的諧波的幅值、頻率、相位參數(shù),并有效分辨出與3次諧波接近的間諧波。 表4 基波頻率偏移的諧波、間諧波參數(shù)估計(jì)結(jié)果 4.3 仿真算例3 設(shè)原始信號(hào)基波頻率為50Hz,含有2、3、5、7次諧波和32Hz、54.5Hz的間諧波,其中54.5Hz與基波頻率接近,仿真檢測(cè)結(jié)果如表5所示。可見算法對(duì)諧波頻率的估計(jì)誤差都在0.004% 以內(nèi),對(duì)低頻間諧波的頻率估計(jì)誤差都在0.08%以內(nèi);初相位的估計(jì)誤差均小于1°;對(duì)幅值很小的間諧波的幅值估計(jì)誤差稍大,為1.25%,對(duì)其它幅值的估計(jì)誤差在0.4% 以內(nèi);同時(shí)算法很好地分辨出了和基波頻率相近的54.5 Hz間諧波頻率成分。 為檢測(cè)算法的抗噪性能,這里在上述信號(hào)中疊加高斯白噪聲,測(cè)試SNR 為35dB、30dB、25dB 的幾種更嚴(yán)重的噪聲水平下的算法檢測(cè)性能。參數(shù)估計(jì)值如表6所示,估計(jì)誤差如表7所示。可見,SNR為35dB和30dB時(shí),參數(shù)的估計(jì)誤差都小于國(guó)標(biāo)規(guī)定值,整體保持了較高的精度,具有較好的抗噪性能,當(dāng)SNR降為25dB時(shí),幅值和相位估計(jì)精度降低,但頻率估計(jì)精度仍較高。 表5 不含白噪聲的諧波、間諧波參數(shù)估計(jì)值 表6 含白噪聲的諧波、間諧波參數(shù)估計(jì)值 表7 含白噪聲的諧波、間諧波參數(shù)估計(jì)誤差 4.4 電弧爐信號(hào)分析 考慮文獻(xiàn)[14]中的如下實(shí)際電弧爐信號(hào): x(t)=100cos(100πt+20°)+ 74.813cos(250πt+9°)+ 64.933cos(50πt+93°)+δ(t) (16) 其中含有50Hz基波和125Hz、25Hz的間諧波,以及5%的隨機(jī)白噪聲干擾δ(t),信噪比約為26dB。采用本文方法對(duì)其進(jìn)行分解,波形如圖1所示。檢測(cè)到的波形參數(shù)如表8所示。其中u1、u2和u3為分解出的電弧爐信號(hào)中的三種頻率成分,對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)后的信噪比可達(dá)到45dB以上,u4為分離出的含白噪聲的殘差信號(hào)。檢測(cè)結(jié)果體現(xiàn)出了較高的檢測(cè)精度和抗噪性能。 圖1 電弧爐波形分解Fig.1 Arc furnace waveforms decomposition 檢測(cè)值檢測(cè)誤差幅值(pu)頻率/Hz相位/(°)幅值(%)頻率(%)相位/(°)u199.934549.998319.87920.06550.00340.1208u274.8879125.00538.85340.10010.00420.1466u364.925225.000292.85350.01200.00080.1465 本文提出的FFT-LOMP諧波和間諧波檢測(cè)方法具有清晰的物理意義,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波和間諧波的幅值、頻率和初始相位的檢測(cè),并可有效分辨出與基波或諧波頻率相近的間諧波成分,且檢測(cè)精度受基波頻率偏移的影響較小,同時(shí)算法具有較好的抗噪性能。本方法對(duì)頻率鄰近成分的相位檢測(cè)精度 還有待進(jìn)一步提高,另外在此方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)暫態(tài)諧波/間諧波的檢測(cè)也是下一步要做的工作。 [ 1] 祁才君, 王小海 (Qi Caijun, Wang Xiaohai). 基于插值FFT算法的間諧波參數(shù)估計(jì)(Interharmonic estimation based on interpolating FFT algorithm) [J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)(Transactions of China Electrotechnical Society), 2003, 18(3): 92-95. 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Harmonic and inter-harmonic detection based on FFT and optimized matching pursuit CHEN Lei1, 2, ZHENG De-zhong1, ZHAO Xing-tao1, LIAO Wen-zhe3 (1. Key Laboratory of Measurement Technology and Instrumentation of Hebei Province, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China; 2. Northeast Petroleum University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China; 3. School of Control Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China) Harmonic and inter-harmonic disturbances seriously affect the normal operation of power system, and a FFT and local optimized matching pursuit (MP) based on sinusoid dictionary method is used to detect the waveform parameters in case of noise, fundamental frequency deviation and similar inter-harmonic frequency with harmonic or fundamental frequency. According to the amount of energy, the harmonic and inter-harmonic disturbances are extracted in turn through iteration. During each iteration, firstly,F(xiàn)FT is used to estimate the current frequency parameter, and then the phase is searched under this frequency; further, the Nelder-Mead algorithm is used to acquire the optimized frequency and phase that exact matches with the disturbance. Finally, the signal expression matching with harmonic or inter-harmonic is gained by MP, and the amplitude is acquired. The simulation results show that the proposed approach has good detection precision and anti-noise performance. harmonic; inter-harmonic; matching pursuit; sinusoid dictionary; time-frequency atom; optimal computation 2015-05-28 河北省自然科學(xué)基金(F2014203224)、秦皇島市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃 (201302A042)資助項(xiàng)目 陳 雷 (1979-), 男, 遼寧籍, 副教授, 博士研究生, 研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析、智能檢測(cè)與信號(hào)處理; 鄭德忠 (1949-), 男, 吉林籍, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真、信號(hào)處理等。 TM935 A 1003-3076(2016)02-0007-063 基于優(yōu)化MP的諧波間諧波檢測(cè)
4 算例分析
5 結(jié)論