基于高倍过采样与加窗插值FFT的电力谐波分析

为提高谐波分析精度,分析了信号加窗引起的信噪比损失以及AD转换产生的量化误差,阐述了过采样技术提高信噪比的原理。在此基础上,提出了基于高倍过采样和加窗插值快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)的谐波分析方法。该方法充分利用AD转换器的潜力,以尽量高的采样速率进行AD采样,同时通过均值滤波避免高倍过采样引起的采样数据量激增问题。详细研究了所提谐波分析方法对信号中谐波分量幅值和相位的影响,并给出了简洁实用的谐波幅值和相位校正方法。仿真表明,所提方法可在不增加系统成本的前提下改善加窗插值FFT的抗噪声能力,提高谐波分析精度。

基于Slepian和Parzen互卷积窗插值FFT的电力系统谐波分析方法

谐波是电力系统中最为突出的电能质量问题之一。谐波参数的准确估计是电力企业和用户评价电能质量的重要参考依据。目前,电网谐波参数的估计方法主要基于傅里叶变换算法,但该算法在分析和处理信号时需要对原始信号进行截断和离散化处理,会不可避免地导致频谱泄露和栅栏效应,从而严重影响电网谐波参数的准确测量。而具有优良旁瓣特性的窗函数以及插值算法可有效改善因频谱泄露和栅栏效应所带来的参数估计误差。为此,文中提出一种基于Slepian窗和Parzen窗的新型互卷积窗(slepian and parzen mutual convolution window,SPMCW)插值FFT的谐波分析方法。SPMCW具有较低的旁瓣电平和快速的旁瓣衰减速率,因而可有效抑制频谱泄露,进而实现弱谐波幅值的检测。在MATLAB下的仿真实验验证了文中算法的准确性和可靠性。实际构建的硬件平台验证了算法的有效性和可行性。

基于能量算子与Kaiser窗的电压闪变参数检测

电压闪变对电网安全带来许多负面影响。为了快速检测电压闪变,提出一种基于能量算子与Kaiser组合余弦窗的双谱线改进FFT的闪变参数检测算法。通过能量算子算法提取闪变波动信号。利用基于Kaiser窗的组合余弦窗函数的双谱线插值算法对FFT进行改进,对闪变信号进行校正分析,得到准确的信号参数。仿真试验结果表明,所提算法可以有效克服单、多频率调制以及基波变动的影响,有稳定性好、计算量小和准确度高等优点。

基于Kaiser窗双谱线插值FFT的谐波分析方法

为进一步减少加窗插值FFT的频谱泄漏和栅栏效应,提出了基于Kaiser窗的双谱线插值FFT的电力谐波分析方法,运用多项式拟合求出了实用的插值修正算式,推导了信号基波与各次谐波频率、幅值、初相角的计算式。仿真结果表明,Kaiser窗函数设计实现灵活、抑制频谱泄漏效果好,基于Kaiser窗的双谱线插值FFT方法能有效克服基波频率波动与白噪声对谐波分析的影响,在非整数周期截断条件下,对含21次谐波信号的频率计算相对误差仅为1.4×10%,幅值计算相对误差≤0.002%,初相位计算相对误差≤0.0001%,三相谐波电能计量应用实践证明了该方法的正确性。

基于FFT和HHT的Kaiser窗校正的风力发电机组电压闪变测量

由于电压闪变是非平稳信号,根据IEC闪变仪规范设计的闪变仪,在实际应用中无法直接进行频谱分析。提出了基于快速傅里叶变换(FFT)和希尔伯特黄变换(HHT)的Kaiser窗校正的风力发电机组电压闪变测量方法。分析了Kaiser窗的旁瓣特性和HHT的原理,通过Kaiser窗减少频谱泄露,利用FFT进行滤波,最后用HHT得到闪变包络。仿真实验结果表明,提出的算法可以测量出闪变发生的时间,并能有效克服单频闪变包络频率变化、多频率成分闪变包络频率变化、电网基波频率波动、谐波、间谐波及白噪声对检测结果的影响,其测量结果不仅稳定而且误差较小,还可以得到闪变发生的起止时间。实验进一步证明了该算法的有效性。

基于Kaiser窗的分数阶Fourier变换与时频分析

分数阶Fourier变换作为传统Fourier变换的推广,与传统Fourier变换分析平稳信号类似,在实现对非平稳信号的时频分析过程中往往出现同样的频谱泄漏问题。为了提高分数阶Fourier变换与时频分析的精度,依据Kaiser窗可自由选择主瓣和旁瓣宽度的特性,提出一种基于Kaiser窗的分数阶Fourier变换算法,论述了Kaiser窗在分数阶Fourier变换中的作用原理,从理论上推导出一般信号基于Kaiser窗的分数阶Fourier变换解析时频表达式以及特性,最终得到非平稳信号的时频分布与时变结构参数识别算法。通过任意线性调频信号的仿真算例以及非平稳激励三层框架结构振动台试验,对结构进行瞬时频率识别和算法的验证。结果表明,瞬时频率识别值与理论值和试验结果吻合良好,Kaiser窗可以提高分数阶Fourier变换算法时频分析的精度,体现出该方法有一定的鲁棒性。

基于有效值滑窗差分算子和采样序列重构的电压暂降测量方法

电压暂降是电力系统中最令用户困扰的电能质量问题,对其特征参数进行准确测量是电压暂降评估和治理的首要前提。然而,当前电压暂降检测算法存在参数检测准确度低、实时性差以及缺乏相位跳变信息等不足。为此,提出一种基于有效值滑窗差分算子和采样序列重构的电压暂降测量方法,以实现其特征参数的快速、准确检测。该方法首先利用有效值滑窗差分算子准确获取电压暂降的起止时刻。接下来,依据暂降起止时刻对原始信号分区,并对不同分区的信号进行加窗插值快速傅里叶变换(FFT)运算。而后,对采样序列重构并进行相位校正。最后,得到电压暂降的持续时间、暂降深度和相位跳变等特征参数信息。在暂降幅值和相位同时变化、不同谐波分量、不同信噪比噪声等情况下的仿真实验结果表明,所提方法具有准确度高、实时性好和鲁棒性强等优点。实际构建硬件测试平台的测试结果满足GB/T 30137-2013中电压幅值误差≤0.2%、相位跳变误差≤1°以及暂降持续时间误差不超过一个周期的要求,验证了算法的有效性和可行性。

凯塞窗插值FFT的电力谐波分析与应用

采用矩形窗、三角窗等基本窗函数和广义余弦窗函数对信号加权可减少非整数周期截断造成的频谱泄漏和栅栏效应的影响,但其效果受到窗函数固定旁瓣性能的制约。通过分析凯塞(Kaiser)窗函数的主瓣与旁瓣衰减可自由选择的特性,提出基于Kaiser窗插值快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)的电力谐波分析方法,建立奇次、偶次谐波求解的数学模型和实用的插值修正公式,推导信号基波与各次谐波频率、幅值、初相角的计算式。仿真和实测结果表明,Kaiser窗插值FFT方法设计实现灵活、抑制频谱泄漏效果好,据此研制的三相多功能谐波电能表的基波有功误差≤0.2%,基波无功误差≤1%,2～21次谐波分析满足GB/T14549—1993的A类谐波测量仪器要求。

基于Teager-Kaiser能量算子Rife-Vincent窗频谱校正的电压闪变测量

分析了Teager-Kaiser能量算子的构成和Rife-Vincent窗的旁瓣特性,通过Teager-Kaiser算子快速提取电压闪变包络,将包络参数进行Rife-Vincent窗改进FFT谱分析与校正,简化IEC推荐的闪变测量过程,提出并建立了基于Teager-Kaiser能量算子Rife-Vincent窗频谱校正的电压闪变测量算法。仿真试验结果表明,本文提出的算法能有效克服单一频率调幅波频率变化、多频率成分调幅波、电网基波频率波动、谐波与间谐波以及白噪声对检测结果的影响,与传统电压闪变检测方法相比,设计实现简单、计算量小,测量结果精确、稳定,可用于电压闪变参数的在线监测。

基于Kaiser窗频谱校正的介质损耗因数测量

采用基本窗函数和广义余弦窗函数对信号加权的谐波分析法可减轻非整周期截断对介质损耗因数tanδ测量的影响,但其效果受到窗函数固定旁瓣性能的制约。Kaiser窗可定义一组可调的窗函数,自由选择主瓣与旁瓣衰减之间的比重,因此能全面地反映主瓣与旁瓣衰减之间的交换关系。本文讨论了Kaiser窗的旁瓣特性,提出了基于Kaiser窗双谱线插值FFT的tanδ测量方法,运用多项式拟合求出了实用的插值修正公式,推导了信号初相角及tanδ的计算式。仿真结果表明,Kaiser窗函数抑制频谱泄漏效果好,基于Kaiser窗的双谱线插值FFT方法克服了谐波干扰、基波频率波动、采样频率变动、采样时间长度变化及白噪声对tanδ测量的影响,且设计实现灵活,测量结果精确、稳定,可用于介质损耗因数tanδ的离线测量与在线监测。

基于Kaiser自卷积窗的相位比较式输电线路故障定位方法

长距离输电线路对地分布电容引起电流行波畸变,不利于行波初始时刻的准确标定,并且弧垂因素的累积加大了定位误差。为缩短行波双端间距,保证在基频波动环境下可靠定位,提高故障定位精度,提出一种基于Kaiser自卷积窗FFT相位比较式输电线路故障定位方法。该方法设置多个电流测量点,采用FFT程序求解电流故障分量的相位,比较相邻测点的相位差以判别故障区段;利用Kaiser自卷积窗优良可调的旁瓣特性,充分抑制FFT相位求解时的频谱泄漏效应,提高了相位比较的可靠性。理论分析了产生相位频谱泄漏的原因,阐述了Kaiser自卷积窗的旁瓣特性,最后通过仿真验证所提方法的正确性。结果表明方法可有效抑制频谱泄漏,相位比较可靠性高,基频波动下仍能可靠定位。

基于Nuttall窗插值FFT的谐波分析方法

用于电力系统谐波分析的加窗插值FFT算法中,Hanning窗算法运算量小,但测量精度较低,Blackman-Harris窗算法分析精度高,但插值修正公式计算复杂。提出一种基于Nuttall窗插值FFT的谐波分析方法。推导了Nuttall窗的显式插值系数公式,以及谐波的频率、幅值和相位的插值修正公式。通过消除基波对2次谐波的频谱干涉,调整2次谐波插值系数的估算方法,提高算法的分析精度。对该算法与Hanning窗、4项Rife-Vincent(Ⅲ)窗和Blackman-Harris窗插值FFT算法进行Matlab仿真对比,验证了该算法具有更高的分析精度。对微波炉电流的实验研究进一步验证了所提算法的有效性。

Kaiser窗在谐波电流检测中的应用

Kaiser窗是一种可以任意调整窗谱主瓣宽度与旁瓣衰减比例的函数。以瞬时无功功率理论为基础,提出一种谐波电流的实时检测新方法,用Kaiser滑动时窗截取谐波电流信号,通过对窗函数参数的选定,提高了谐波电流检测的准确性。利用MATLAB建立仿真模型,对该方法进行了分析和研究。并以检测7次正序电流分量为例,在研制的30kVA有源电力滤波器中验证了该方法的有效性和实时性。

基于Kaiser窗相位差校正的电力谐波分析与应用

采用基本窗函数和广义余弦窗函数对信号加权可减少频谱泄漏和栅栏效应的影响,但其效果受到窗函数固定旁瓣性能的制约。Kaiser窗可定义一组可调的窗函数,自由选择主瓣与旁瓣衰减之间的比重,因此能全面地反映主瓣与旁瓣衰减之间的交换关系。对信号非同步采样和非整周期截断时的频谱进行了分析,讨论了Kaiser窗的主、旁瓣特性,提出了基于Kaiser窗相位差校正的电力谐波分析方法,推导了信号基波与各次谐波频率、幅值、初相角的计算式。仿真结果表明:Kaiser窗函数设计实现灵活、抑制频谱泄漏效果好,Kaiser窗相位差校正算法克服了基波频率波动对谐波分析的影响,对含21次谐波信号的基波频率计算相对误差仅为1.0×10-7%,幅值计算相对误差≤0.000 6%,初相位计算相对误差≤0.008%,三相谐波分析与谐波电能计量应用实践证明了该方法的正确性。

基于Blackman窗函数的插值FFT在电网谐波信号分析中的应用

对插值快速傅里叶变换(FFT)算法在电网谐波参数估计的研究表明:窗函数的类型和宽度是影响插值FFT算法分析精度的主要原因.通过对常用窗函数和电网信号的分析,Blackman窗适合分析电网信号,同时给出了基于Blackman窗的插值FFT算法.仿真结果表明,基于Blackman窗的插值FFT算法对电网谐波幅值、频率和相位的估计精度都达到了电能质量的国家标准.

一种加三项余弦窗的加窗插值FFT算法

提出了一种基于三项余弦窗exact Blackman窗的插值FFT算法。讨论了exact Blackman窗的频率响应,详细推导了基于exact Blackman窗的插值FFT算法的计算公式,并采用三次样条插值函数计算频率修正系数和复振幅的修正系数。仿真计算结果表明,利用三次样条函数计算的谐波幅值误差小于0.1%,频率误差小于0.01Hz,相位误差小于5%。新的插值FFT算法能够有效地提高电力系统谐波的测量精度,与其他四项余弦窗加窗插值FFT算法相比,具有较小的运算量和较好的实时性。

凯塞窗四谱线插值FFT的电力谐波分析方法

针对在采用快速傅里叶变换分析电力谐波时,对信号非同步采样以及非整周期截断的情况下,会产生频谱泄露和栅栏效应,无法有效检测谐波的各参数值等问题,提出了加窗插值算法,能够提高计算精度抑制频谱泄露,Kaiser窗的频带内能量主要集中在主瓣中,拥有绝佳的旁瓣抑制性能,该算法充分利用峰值谱线频点最近的四条谱线进行加权运算提高运算精度,运用MATLAB多项式拟合推导出实用的插值修正公式。仿真结果表明,四谱线插值算法得到的21次谐波的幅值相对误差≤0.000 01%,相位相对误差≤0.000 001%,基波频率计算相对误差为6.2×10-11%,并且能够有效消除频谱泄露和栅栏效应的影响,计算精度更高。

基于改进Kaiser窗快速S变换和LightGBM的电能质量扰动识别与分类新方法

针对S变换在电能质量扰动检测中存在计算量过大,时频分辨率低,电能质量扰动数据集常具备类别不平衡的问题,提出一种基于改进Kaiser窗快速S变换(modified Kaiser window fast S-transform,FMKST)和轻梯度提升机(light gradient boosting machine,LightGBM)的电能质量扰动识别与分类新方法。首先通过快速傅里叶变换得到采样信号频谱;然后利用迭代循环滤波区间定位算法确定扰动频率区间;再根据扰动频率区间所处频段确定窗宽调节因子并对相应区间进行变换;最后从采样信号的FMKST模时频矩阵中提取特征向量并构建改进LightGBM分类器进行分类。仿真与实验结果表明,提出的方法具有更高的识别准确率与更快的诊断速度,适用于海量电能质量扰动数据的快速识别与分类。

利用加窗FFT和IFFT实现Hilbert变换

电力系统无功功率测量中,Hilbert变换方法应用较为广泛。传统的基于DFT和IDFT的Hilbert变换法计算时间长,实时性差且精度有待进一步提高。文中提出一种基于加窗FFT和IFFT的Hilbert变换新方法,具体实现过程为:对原始信号加窗;将加窗信号累加到一个周期并进行FFT运算,得到信号各次谐波参数;对处理后的谐波参数进行IFFT运算并将结果周期延拓,实现信号的90°相移。相对于传统方法,新方法计算量小且精度更高。理论推导表明,对于单周期采样64点的信号,改进算法节省时间量约为63%。将改进算法应用于工程实践,结果进一步验证了其快速性和准确性。

基于Kaiser窗滤波的高压直流输电线路突变量功率保护

研究了一种反映突变量中直流分量的高压直流输电线路功率保护。为了获得突变量中的直流分量,分析了高压直流输电线路区内外故障时两端突变量电压和突变量电流的特征,利用Kaiser窗提取突变量电压和突变量电流中的直流分量,提出了基于同极线两端突变量功率极性比较的保护原理和基于突变量功率幅值的启动判据,并构造了利用突变量电压的故障极识别判据,设计了保护的动作方案。由于保护动作判据采用的是突变量功率中的直流分量,所以从本质上反映了直流线路的故障特征。理论分析和仿真结果表明,所提出的保护方案能够正确区分线路内外部故障,耐受过渡电阻能力强,且能够准确识别故障极线,适合作为高压直流输电线路的后备保护。