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。
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；
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ci（t)(i=1,2,……,n)与一个余量r(t)的和，表示为：求取固有模态函数ci(t)的瞬时幅值与瞬时频率，首先求ci(t)的Hilbert变换构造ci(t)的解析函数zi(t)：分别得到幅值函数ai(t)与相位函数 ：
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。
2.根据权利要求1所述的基于Hilbert-Huang变换的电能质量分析方法，其特征在于：采用Hilbert-Huang变换作为电能质量分析的核心算法，通过对信号分解，求取固有模态函数的瞬时幅值与瞬时频率，实现电能质量的分析。
3.根据权利要求1所述的基于Hilbert-Huang变换的电能质量分析方法，其特征在于：暂态振荡信号分析时模态混叠处理过程中叠加高频强信号的自动生成：Δx(t)＝0.1×amax×sin(2π×fmax×t)
amax与fmax分别为原信号x(t)经验模态分解得到的第一个固有模态函数的瞬时幅值最大值与瞬时频率最大值。
4.根据权利要求1所述的基于Hilbert-Huang变换的电能质量分析方法，其特征在于：基于傅立叶变换的经验模态方法中滤波器的自适应生成：
求取归一化后幅值大于一指定值的频率点，该指定值设为0.01；频率值由小到大的顺序排列f1，f2······fk，设计提取频率为fi的谐波成分的滤波器通带为：[(fi-1+fi)/2，(fi+fi+1)/2]
其中，i=1,2,……,k，f0取值为0，fk+1取值为采样频率fs/2。
一种基于Hilbert-Huang变换的电能质量分析方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种基于Hilbert-Huang变换的电能质量分析仪。
背景技术
[0002] 电能作为人类社会生产活动的一种商品，需要讲求质量，高质量的电能对保证电网和电气设备的安全、经济运行，提高产品的质量、产量和人们正常生活都有着重要的意义。所以，对电能质量的检测分析就显得非常重要。现代电能质量分析装置所分析的对象多为一些稳态指标的传统电能质量，电能质量暂态扰动的实用化分析装置发展缓慢。随着信号处理技术的发展，为分析暂态电能质量问题提供了有效的途径。
[0003] 傅立叶变换是最常用的电力系统信号分析方法，王利猛等在文献[王利猛，李国庆，王振浩，石磊.基于80C196和VC的电网谐波检测与分析系统实现.电测与仪表，2009，46(521)：57-59.]研制了一套基于傅立叶算法的谐波分析系统，该系统只适于稳态谐波分析，不适宜非平稳的时变谐波信号分析，而且功能单一。小波变换分析方法是目前电力系统暂态信号分析领域最为广泛的方法之一，该方法对非平稳信号的时变性给予了恰当的描述，改进了傅立叶变换方法的不足，郑贺伟和胡鹏程在文献[郑贺伟，胡鹏程.基于虚拟仪器的暂态电能质量实时监测系统.电测与仪表，2010，47(30)：52-55.]以小波变换为核心算法，开发出一套暂态电能质量分析系统，但小波分析最终理论依据依然是傅立叶变换，因而不可避免地暴露出某些局限性，影响了系统的实用性。所以，可以从寻求性能更为优异的信号分析方法作为主算法来开发出电能质量分析仪，以提高分析仪的实际应用价值。
[0004] Hilbert-Huang变换是一种新的信号处理方法，该理论突破了傅立叶变换的局限，是一种自适应的具有良好时频聚集性的方法。目前，该方法在实际电力系统分析中得到了较好的应用。Hilbert-Huang变换应用于电能质量分析，基本是以Matlab编写脚本语言实现，不适于实际分析，因此，有必要开发相关装置。
发明内容
[0005] 本发明的目的提出一种基于Hilbert-Huang变换的电能质量分析仪。该分析仪以Hilbert-Huang变换为核心算法，既能准确捕捉非平稳电能质量的瞬时特性，获取其突变参数，以分析电能质量的暂态扰动；又能实现对稳态的谐波信号检测分析。该分析仪包含两种检测分析模式：仿真分析模式与实测分析模式。通过与PSCAD/EMTDC仿真数据接口，实现对电力系统的理论研究；通过实测数据接口，实现对电网电能质量检测，以分析电力系统实际运行状况。本发明所分析的电能质量问题有电压暂升，电压暂降，电压中断，暂态振荡，暂态脉冲，谐波等。本发明的目的是通过如下的手段实现的。
[0006] 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：
[0007] A、电能质量实测数据采集
[0008] 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，后者一般即为含有分析软件的计算机。
[0009] B、Hilbert-Huang变换分析
[0010] 软件部分经过数据接口获取实测电能质量数据或PSCAD/EMTDC仿真数据后，即可进入以Hilbert-Huang变换为核心的算法模块实现电能质量的分析，并由显示输出模块输出检测结果。具体做法是：
[0011] 对数据x(t)进行经验模态分解，原信号x(t)分为一系列具有瞬时频率意义的固有模态函数的组合。对于暂态扰动信号，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，则能检测出扰动发生终止时刻，扰动起至时的高频突变量，扰动幅值与频率变化过程等详细信息；对稳态谐波信号，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分析具体做法是：
[0012] 对电能质量信号x(t)，经过经验模态分解，可分解成n个具瞬时频率意义的固有模态函数ci(i＝1，2，……，n)与一个余量r的和，表示为：
[0013]
[0014] 求取固有模态函数ci的瞬时幅值与瞬时频率。首先求ci(t)的Hilbert变换[0015]
[0016] 构造ci(t)的解析函数zi(t)：
[0017]
[0018] 分别得到幅值函数ai(t)与相位函数
[0019]
[0020] 相应可以求出瞬时频率fi(t)：
[0021]
[0022] C、模态混叠处理
[0023] 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，对分析方法进行改进。
[0024] 对暂态振荡信号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，具体做法是：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，再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，再通过求商的瞬时幅值得到振荡的幅值变化。
[0025] 针对谐波信号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，生成滤波器使各固有模态函数分离开，再分别进行Hilbert-Huang分析，这样就避免了各模态的相互影响。
[0026] 上述C步中，暂态振荡信号分析时模态混叠处理过程中叠加高频强信号的生成如下：
[0027] Δx(t)＝0.1×amax×sin(2π×fmax×t)
[0028] amax与fmax分别为原信号x(t)经验模态分解得到的第一个固有模态函数的瞬时幅值最大值与瞬时频率最大值。
[0029] 上述C步中，基于傅立叶变换的经验模态方法中滤波器的设计如下：
[0030] 对原信号x(t)进行傅立叶变换：
[0031]
[0032] 求取归一化后幅值大于一指定值(设为0.01)的频率点，频率值由小到大的顺序排列f1，f2······fk，设计提取频率为fi的谐波的滤波器通带为：
[0033] [(fi-1+fi)/2，(fi+fi+1)/2]
[0034] 其中，f0取值为0，fk+1取值为采样频率fs/2。
[0035] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0036] 1、本发明克服传统以信号处理技术为算法的电能质量分析系统的缺陷。通过经验模态分解，清楚分开幅度调制与频率调制，打破傅立叶变换固定幅值与固定频率的限制；突破了小波分析需预先选择基函数与分解尺度的人为因素影响，并避免了小波分辨率受小波基与分解尺度限制，经验模态分解得到的固有模态函数完全是自适应得到的，避免了人为因素的影响，而且所得分辨率是随信号的特征信息变化，无论在时域还是频域都具有良好的分辨率。
[0037] 2、本发明实施方便，仅需要一个硬件数据采集系统和一台含有分析软件的个人PC机即可，而且操作简单，评价结果客观、真实、精确、科学。
附图说明
[0038] 图1为本发明的系统构成图
[0039] 图2为本发明的电能质量分析流程图
[0040] 图3为本发明实施例的后台PC机Hilbert-Huang分析显示界面
具体实施方式
[0041] 下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0042] 本实施例以某牵引变电站牵引侧α相馈线电流谐波分析为例。
[0043] 如图1所示，本发明包括：硬件部分和软件部分。硬件平台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；软件部分分为数据接口模块、算法模块、显示存储模块，实现对电能质量的分析。
[0044] 本发明的电能质量分析流程如图2所示。本实施例分析实测电流谐波过程由以下各步组成。
[0045] A、电能质量实测数据采集
[0046] 本实施例实测电能质量信号采样频率为3200Hz。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机，即含有分析软件的计算机。
[0047] B、Hilbert-Huang变换分析
[0048] 软件部分的数据获接口块控制计算机串口，实现与硬件平台的通信，存储实测数据于硬盘。经过数据接口获取电能质量数据，即可进入以Hilbert-Huang变换为核心的算法模块实现电能质量的分析，并由显示模块输出检测结果。具体操作步骤如下：
[0049] 1)通过数据接口获取硬件部分通过串口通信存储于计算机硬盘的电流数据，用x(t)表示，并显示其波形。
[0050] 2)选择电能质量分析类型为谐波分析。
[0051] 3)进行Hilbert-Huang变换分析：分析仪默认采用经验模态分解直接对信号进行分解，经过经验模态分解，x(t)可分解成n个具瞬时频率意义的固有模态函数与一个余量的和，表示为：
[0052]
[0053] 若未发生模态混叠现象，所得结果即为馈线电流x(t)的各次谐波分量，按脚标i的顺序，各次谐波按频率值有高到低排列，即第一个分量为最高次谐波，第二个分量为次高次波……
[0054] ci(t)的Hilbert变换：
[0055]
[0056] 构造ci(t)的解析函数：
[0057]
[0058] 分别得到幅值函数与相位函数：
[0059]
[0060] 相应可以求出瞬时频率：
[0061]
[0062] ai(t)与fi(t)为i次谐波的瞬时幅值与瞬时频率，组合所求的所有分量瞬时幅值与瞬时频率，则得到馈线电流x(t)的各次谐波幅值与频率。显示分析结果幅值曲线与频率曲线。
[0063] C、模态混叠处理
[0064] 观察结果，各次谐波频率曲线凌乱而相互交叉，并参考经验模态分解结果，判定发生模态混叠，选择采用基于傅立叶变换的经验模态方法改进模态混叠：对馈线电流x(t)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，归一化后幅值大于0.01的频率点有：50Hz、150Hz、250Hz、350Hz、450Hz、550Hz、650Hz、750Hz、850Hz、900Hz、1100Hz。
[0065] 以此作为滤波器设计参数，分别以通带：[25Hz，100Hz]、[100Hz，200Hz]、[200Hz，300Hz]、[300Hz，400Hz]、[400Hz，500Hz]、[500Hz，600Hz]、[600Hz，700Hz]、[700Hz，800Hz]、[800Hz，875HZ]、[875Hz，1000Hz]、[1000Hz，1350Hz]，生成滤波器滤波，使各固有模态函数分离开，再利用B的第3)步中求取ci(t)瞬时幅值与瞬时频率的公式求新的固有模态函数幅值与频率，显示并存储分析结果。最后分析结果如图3所示：分析仪检测出馈线电流x(t)所含的11个谐波分量，各分量瞬时频率值分别在50Hz、150Hz、250Hz、350Hz、450Hz、550Hz、
650Hz、750Hz、850Hz、900Hz、1100Hz附近轻微波动，模态混叠得到显著改善。再根据界面曲线颜色可读出各频率曲线对应的幅值曲线，从图3可知，50Hz能量远远大于其他频率的能量，这就是造成Hilbert-Huang分析出现模态混叠的具体原因。
