基于压缩感知的电能质量扰动数据稀疏分析与改进重构算法

基于压缩感知(CS)的电能质量扰动(PQD)信号多采用DFT基进行稀疏分析。但此方法存在频谱泄露问题,降低了原始数据的稀疏性,易造成后续重构算法稀疏度过度估计、执行效率下降。针对上述问题,在对PQD信号进行DFT稀疏分析的基础上,提出了一种对频谱泄露具有免疫能力的改进重构算法。首先对4种典型PQD信号进行了幅度谱推导,详细分析了信号相关参数与稀疏特性的关系。其次在此基础上对自适应匹配追踪(SAMP)算法进行改进,并提出频谱能量差的概念。频谱能量差可以反映出相邻迭代过程中重构信号频谱能量的变化,将该差值作为SAMP算法的迭代终止条件时,能有效地避免稀疏度过度估计并提高运算效率。最后,通过对比实验,验证了改进SAMP算法的优越性。     

基于压缩感知的电力信号压缩与重构研究*

针对电力信号的采集和压缩问题,提出采用压缩感知理论对电力信号进行压缩采样和重构的方法,避免了传统的冗余采样。首先对采用压缩感知理论进行电能信号压缩采样的可行性进行了分析,并讨论了几种典型的压缩感知重构算法的具体实现方法和特性;然后采用这些算法,对一维稀疏信号和傅里叶变换基下稀疏的含有谐波和间谐波的电力信号进行重构实验。仿真结果表明,贪婪类压缩感知重构算法计算复杂度低、速度快,更适合一维电力信号的重构,其中SAMP算法可以在稀疏度未知的情况下,使用更少的采样值精确重构原始信号。     

基于加窗插值压缩感知的谐波/间谐波检测方法

针对压缩感知在傅里叶变换基下,对谐波畸变信号进行变换时会产生频谱泄漏和栅栏效应的问题,提出一种基于加窗插值的压缩感知(WI-CS)算法。该算法结合二进制稀疏测量矩阵和六项五阶余弦窗,构造出一种新型窗稀疏测量(WSM)矩阵,经重构得到稀疏向量后,利用四谱线插值修正公式,对谐波间谐波各参数进行精确检测。通过MATLAB仿真,结果表明文章所提方法能够在较少的采样数据下,具有较高的检测效率以及一定的抗噪声能力。     

基于压缩感知的稀疏度自适应超高次谐波检测算法

近年来,越来越多运用电力电子器件的电气设备接人电力系统,配电网中超高次谐波发射水平的持续上升已经成为电网中亟需解决的电能质量问题之一.文中提出了一种基于压缩感知的稀疏度自适应超高次谐波检测算法,该方法基于快速傅里叶变换系数和狄利克雷核函数,结合插值因子,构建高精度的压缩感知模型;同时,文中引入了稀疏度自适应的概念,提出通过稀疏度自适应的匹配重构算法获得待检信号中超高次谐波的频率和幅值.改进算法提高了超高次谐波重构幅值的精度,减小了无法预估待检信号稀疏度而造成的误差.仿真结果证明了改进算法的准确性和有效性.     

基于压缩感知的含扰动电能质量信号压缩重构方法

针对电能质量信号的压缩重构问题,提出了一种应用压缩感知理论对电能质量信号进行压缩采样和非线性恢复的方法。首先对含有扰动的电能质量信号的稀疏性和可压缩性进行了分析,并对现有的典型贪婪恢复算法的特性进行了研究,然后结合有代表性的SP和SAMP两种算法的优点,提出了一种改进的BSMP算法。应用包括BSMP在内的几种贪婪算法对含有谐波、间谐波、电压暂升和暂降等稳态和暂态扰动的电能质量信号的压缩重构性能进行仿真分析,仿真结果说明了BSMP算法恢复混合或单一扰动的电能质量信号的可行性。与现有贪婪算法相比,BSMP无需稀疏度先验,可以用较快的速度和更高的压缩比以100%的概率实现成功重构。     

谱稀疏信号随机等效采样重构方法研究

随机等效采样能够突破香农采样定理的限制,实现低速模数转换器(ADC)对高速信号的采样。为了达到理想的重构精度,需要大量次数的采样,采样效率低。针对窄带谱稀疏信号采样,提出了基于压缩感知理论的随机等效采样信号重构算法,在频域对随机等效采样系统进行行为建模,采用随机采样时间间隔构造信号恢复矩阵,建立了已知采样值序列与未知待测信号的信号重构关系式,给出了信号准确重构对采样次数的判决准则。实验结果表明,对于谱稀疏信号的随机等效采样,利用压缩感知理论进行信号重构,在保证信号重构精度情况下能够有效减少采样次数。     

压缩感知理论在谐波检测中的运用

运用传统的奈奎斯特定理对电力系统中的谐波信号进行采样将会产生极其庞大的数据量,而全新的压缩感知理论突破了传统采样定理的限制,在信号满足稀疏性的前提下,只需要较少的数据就可以实现信号的重构。文中在对现有的贪婪匹配追踪和自适应算法分析总结的基础之上,结合谐波信号自身的特点,提出了一种新的稀疏度自适应压缩采样匹配追踪算法。此算法可在信号稀疏度未知的情况下,通过信号代理和回溯的思想自适应调节步长逐步逼近原始信号,从而实现以较少采样数据进行谐波检测的目标。MATLAB中的仿真实验表明,运用所提出的算法进行谐波检测的效果理想。     

密集型谐波检测的压缩采样方法

压缩采样已成为电力系统中复杂谐波畸变信号实时采集和密集检测的发展趋势。文中针对谐波和间谐波检测,提出一种新型压缩采样检测方法。分析得到稀疏度的相关定理和推论,提出多重提取梯度追踪(MEGP)算法,提升谐波分量、特别是间谐波分量的检测精度。考虑频谱泄漏影响,构造窗稀疏测量(WSM)矩阵,生成简单且对所有分量有效。实验表明,MEGP算法至少可将频率、幅值、相位检测精度分别提升0.000 53Hz、0.011 2个百分点和0.071°,WSM矩阵则可将信噪比提升约30dB。所提压缩采样检测方法对频率、幅值和相位的检测误差在0.004 03 Hz、0.001 73%和0.037 221°以内,满足国家标准要求。     

基于ITD与改进内积的压缩感知风电变流器电压信号重建方法

为了解决风电变流器电压检测信号高速传输、大容量长期存储以及重构性能差等问题,提出了一种本征时间尺度分解(ITD)与改进内积的压缩感知重构算法相结合的变流器电压信号重建方法。该方法利用电压信号压缩与采样同时进行的思路,首先利用ITD把电压信号自适应分解为若干个合理旋转分量信号和一个残余分量,对所有分量用离散余弦变换基稀疏表示,建立基于Gauss随机投影矩阵的欠定方程;然后利用提出的基于广义Jaccard系数匹配性度量准则代替内积准则来对支撑集优化的压缩感知广义正交匹配追踪算法重建各个分量电压信号;最后对所有重构分量信号组合得到原始变流器电压检测信号。仿真表明:ITD与改进内积的压缩感知重构算法相结合的方法提高了变流器电压检测信号的重构精度,降低了重构计算复杂度,具有更好的运行效率。     

基于压缩感知的井下振动高频测量方法研究

井下振动信号的高频测量信息能记录有关钻具动态响应的更具体细节,有益于分析诊断井下的异常振动,但是高频测量会产生大量的测量数据,导致井下振动测量设备的数据存储压力非常大。本文提出了一种基于压缩感知技术的井下振动信号的高频测量方法。通过选择性稀疏采集和存储井下振动数据,并利用信号重构算法,恢复高频测量结果。在该方法实现的过程中,提出一种分层抗频谱泄露的傅里叶字典构建和改进的分层追踪OMP信号重构算法,显著降低了信号重构时间。仿真和实验测试结果表明：该方法对振动信号的压缩感知采集效果较好,系统压缩比为18.9,重构分贝误差为52.1 dB。该方法有效减轻了井下振动测量设备的数据存储压力,为获取井下振动的高频测量数据提供了一种新途径。     

基于IEC标准的超高次谐波测量方法差异性分析

电网中2 kHz～150 kHz频段超高次谐波引发的电磁兼容问题日益突出,但IEC标准尚未给出规范的测量方法,直接影响了相关电磁兼容的技术监督和管理。通过比较研究标准IEC 61000-4-7和IEC 61000-4-30对超高次谐波测量方法规定的差异与不足,提出适当的改进措施。然后,采用改进前后的测量方法对多类型典型信号进行仿真分析,从频谱泄露、聚合带宽以及幅值调制检测等角度研究不同测量方法之间差异所造成的影响。最后,通过实测数据综合评估各测量方法的效果,并给出应用建议,为2 kHz～150 kHz范围内超高次谐波测量的统一提供参考。     

基于采样频率自适应的高精度谐波分析软件算法

采样不同步产生的同步误差是造成频谱泄漏和影响谐波分析准确性、检测精度的重要原因。本文提出一种基于采样频率自适应技术的软件算法,通过采样数据计算得到信号较为准确的实际频率,并根据实际频率动态调整采样的时间间隔,实现采样频率的自适应,从而减少同步误差,降低频谱泄漏的影响。该软件算法实现简单,精度较高,对于频率变化较缓慢的电力信号能够明显地提高测量精度。仿真结果验证了算法的特性,给电力系统高精度谐波分析提供了一种有效的方法。     

双速率同步采样法在谐波间谐波测量中的应用

非同步采样是造成频谱泄露和栅栏效应的根本原因,而频谱泄露和栅栏效应是影响 DFT变换谐波测量精度的主要原因。因此采样方法的准确性至关重要。针对传统采样法上存在的误差问题。为此,本文提出了一种改进后的的双速率同步采样法,该方法在使用传统的采样间隔补偿方法抑制周期信号产生的周期误差后,对补偿后残留下来的误差进行分析,比较残留误差与定时器分辨率Td的大小关系,从而做进一步的补偿,再用均根方值算法进行处理,这样就更有效的减小了误差。最后,仿真结果验证了本文所提方法的有效性。     

基于插值同步预处理的Hilbert无功功率测量

针对电网信号频率波动情况下,非同步采样造成频谱泄漏,引起无功功率计算误差的问题,提出一种基于数据预处理的Hilbert无功功率计算方法。即首先使用改进Rife算法实时估计电网中的频率,然后利用插值运算进行数据同步化,最后使用Hilbert变换得到准确的无功功率。在对信号频率测量基础上,对于插值算法,经仿真对比研究,Hermite插值算法达到了比较理想的数据同步化效果。继而对基于Hilbert的无功功率测量方法进行分析,并构建了电弧炉负载仿真模型,作为无功源。仿真结果表明,在电网信号频率波动以及含谐波的情况下,相对于常规的无功功率计算方法,基于插值同步预处理的Hilbert法明显提高了无功功率计算的精度。     

基于部分采样及混合分段的超高次谐波检测方法

高频电力电子设备的广泛应用导致电网中的超高次谐波问题日趋严重,而现有的谐波检测方法在用于检测频率范围更宽的超高次谐波时存在检测速度慢、处理数据多等问题,针对超高次谐波的检测缺乏统一且有效的标准。在全面剖析电力电子变流设备产生的超高次谐波频次特征与开关频率的关联性的基础上,提出一种基于特征频率分段的混合检测方法。通过部分采样FFT运算得到谐波峰值来确定开关频率,根据开关频率及其倍数频率附近的峰值特性自动确定频谱聚合的分段策略。仿真分析表明该方法在保障超高次谐波准确检测的基础上有效提升了检测速度,试验结果验证了方法的可行性和有效性,可为统一超高次谐波检测标准提供新思路。     

A software sampling frequency adaptive algorithm for reducing spectral leakage

Spectral leakage caused by synchronous error in a nonsynchronous sampling system is an important cause that reduces the accuracy of spectral analysis and harmonic measurement. This paper presents a software sampling frequency adaptive algorithm that can obtain the actual signal frequency more accurately, and then adjusts sampling interval base on the frequency calculated by software algorithm and modifies sampling frequency adaptively. It can reduce synchronous error and impact of spectral leakage; thereby improving the accuracy of spectral analysis and harmonic measurement for power system signal where frequency changes slowly. This algorithm has high precision just like the simulations show, and it can be a practical method in power system harmonic analysis since it can be implemented easily. __________ Translated from Journal of North China Electric Power University, 2005, 32(6): 5–8 (in Chinese)     

基于高精度测频的修正DFT相量及功率测量算法

为了提高频率偏移时电力系统相量及功率测量精度,提出了一种基于改进扩展卡尔曼滤波(IEKF)频率测量的修正离散傅里叶变换(DFT)相量及功率测量算法。分析了频率发生偏移时非同步采样下DFT的测量误差,建立了相角、幅值与频率偏移量和初相角之间的函数关系式。由IEKF得到频率偏移量,然后对DFT计算结果进行修正即可得到输入信号的真实相量和功率。仿真结果表明:该算法相比较于传统自适应DFT算法能有效消除或减弱谐波、噪声以及频率偏移对相量同步测量的影响,提高了相量及功率测量精度。     

基于Prony算法-准同步序列的超低频介损测量方法

超低频介质损耗因数测量方法，由于测量信号频率低导致采样时间长，采集数据量大，且在非同步采样时，快速傅里叶变换存在频谱泄露和栅栏效应，影响对介质损耗因数的精确测量。为降低测量信号采样时间和采集数据量，以及非同步采样时频谱泄露和栅栏效应，提出一种基于Prony算法 准同步序列的超低频介损测量方法，利用Prony算法并结合据辨识方法，对采样电压信号的基波频率进行预估，通过Newton插值算法，实现对电压和电流信号的准同步插值重构，获得采样信号的准同步序列，由FFT及介损等效电路模型，对准同步序列进行求解，实现对超低频介质损耗因数的求取。在频率波动、谐波含量变化、介损角变化和不同信噪比的噪声下测量介质损耗因数。仿真结果表明，该方法在软件上实现了准同步采样，有效降低了栅栏效应和频谱泄露对介质损耗因数测量的影响，并且采样时间短，采集数据量少，测量精度高，适用于对超低频介质损耗因数的精确测量。     

基于分段插值同步化算法的谐波测量

传统的基于FFT的电力谐波测量方法由于频谱泄漏问题,在测量基频偏移信号或者频率不断波动的非稳态周期信号时存在着较大的误差。现采用一种时域插值的方法对非同步采样序列进行重新定位,依据序列的二次差商大小对信号进行分段并分别采用线性插值和Hermite插值两种算法进行二次同步化。在基频偏移固定和基频不断波动的两种情况下进行仿真计算。结果表明,分段插值同步算法能够适用于上述两种情况的谐波测量,在兼顾计算效率的同时,满足了GBT 17626.7-2008国标规定的精度要求,是一种具有实用性的方法。