一種基于混沌振子的電力系統(tǒng)諧波、間諧波檢測與估計新方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明用于電力系統(tǒng)諧波、間諧波的檢測與參數(shù)估計。
【背景技術】
[0002]近年來，隨著各種非平穩(wěn)、非線性電氣裝置的投入使用和分布式電源的接入，電網中的諧波、間諧波種類和含量急劇增長，進而導致了電能質量受到了嚴重影響。由于諧波和間諧波產生的熱效應、絕緣效應、干擾和放大作用等對電力系統(tǒng)本身和電力用戶形成了巨大危害，所以研宄并抑制電力諧波和間諧波具有非常重要的意義。準確地檢測出電力系統(tǒng)中的諧波和間諧波的成分并進行高精度的參數(shù)估計，是有效治理電力諧波間諧波的根本依據(jù)，因此電力諧波、間諧波檢測是諧波治理工作的重中之重。
[0003]目前可用于電力系統(tǒng)諧波和間諧波檢測的方法主要包括:綜合加窗和插值采樣的快速傅里葉變換方法、基于小波變換的諧波檢測方法、現(xiàn)代譜估計和人工神經網絡等方法，這些方法雖然各有優(yōu)勢，并可有效解決某些特定的電力系統(tǒng)諧波檢測問題，但因各自方法的局限，不能兼顧各階次電力諧波和間諧波的有效檢測。現(xiàn)有的電力諧波和間諧波檢測方法都在不同程度上存在著頻率分辨率不足、抗噪聲干擾能力差的問題，這導致了現(xiàn)有方法難以實現(xiàn)對電力諧波和間諧波的同步有效檢測，對于存在較強噪聲干擾的情況，更無法做到低信噪比下的準確檢測。所以對于電力諧波和間諧波檢測問題，急需找到一種頻率分辨率高且抗噪聲干擾能力強的新方法。
[0004]基于DufTing系統(tǒng)的弱信號檢測方法是近年來得到快速發(fā)展的一種能在超低信噪比下有效檢測弱信號的新方法，因其所采用的漸軟斥力型Duffing方程同時具備了對微弱周期信號敏感和抗噪聲干擾能力強的特性，所以此方法得到了各領域學者的廣泛關注和深入研宄。針對電力諧波和間諧波檢測問題的特點和要求，基于Duffing系統(tǒng)的間歇混沌振子因其同時具備了對待測的正弦信號頻率分辨力高、對微弱的待測諧波敏感和抗噪聲干擾能力強的特性，所以有望實現(xiàn)對各階電力諧波和間諧波的有效檢測和頻率估計。此外，基于DufTing系統(tǒng)的相態(tài)躍變型混沌振子因其系統(tǒng)狀態(tài)的表征量和待測信號的幅值和相位具有數(shù)值關聯(lián)，所以可用于估算待測信號的幅值和相位參數(shù)。綜上分析，本專利首次嘗試應用基于Duffing系統(tǒng)的弱信號檢測方法對電力諧波和間諧波進行檢測和參數(shù)估計。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是應用基于DufTing系統(tǒng)的周期信號檢測與參數(shù)估計方法，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)諧波和間諧波的同步準確檢測與高精度參數(shù)估計。本發(fā)明專利提出了兩種方法，一種是用于電力系統(tǒng)諧波、間諧波檢測和頻率估計的變尺度雙耦合型間歇混沌振子，另一種是用于估計電力系統(tǒng)諧波、間諧波的幅值和相位的相態(tài)躍變型雙耦合混沌振子方法。綜合以上兩種方法可以實現(xiàn)對電力系統(tǒng)諧波、間諧波的同步有效檢測和高精度參數(shù)估計。
[0006]一、對諧波、間諧波的檢測與頻率估計變尺度雙耦合型間歇混沌振子是本發(fā)明綜合雙耦合間歇混沌振子列方法和變尺度方法，而提出的一種用于電力系統(tǒng)諧波、間諧波檢測和頻率估計的新方法。此方法具有對待測信號頻率分辨力高、對微弱正弦信號敏感、抗噪聲干擾能力強和頻率估計精度高的特性。
[0007]此方法對于電力諧波、間諧波的檢測與頻率估計是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
1、以1.03為公比設定一組能夠覆蓋待測諧波、間諧波所在頻段的數(shù)列an。
[0008]2、通過MATLAB軟件對變步長雙耦合DufTing系統(tǒng)進行編程實現(xiàn)，系統(tǒng)數(shù)學模型為:
X +0.5x - ( μ -χ) -x+x3=r0cos (ω 0t) +s (t)(I)
μ +0.5 μ - (χ- μ ) - μ + μ 3= r0cos ( ω 0t )
將包含了電力諧波與間諧波的待測數(shù)據(jù)加入到上式的s(t)項中，并采用四階龍格庫塔數(shù)值解法對式(I)進行求解，根據(jù)步驟1.1所設定的系統(tǒng)求解步長序列依次調整計算步長。
[0009]3、觀察依次將系統(tǒng)求解步長設定為8?時的系統(tǒng)時域輸出信號，若有某連續(xù)兩次的時域輸出信號為標準的間歇混沌狀態(tài)，則表明在此兩個步長對應的頻段間存在待測信號。
[0010]4、對于檢測到某一諧波或間諧波進行頻率估計，任選步驟3中此諧波或間諧波所對應的兩個間歇混沌態(tài)時域輸出中的一個輸出信號，并測量此時域輸出信號一個信號周期的時長
o=a0fs(o0+2 JT /T)(2)
式(2)中，a。為Duffing系統(tǒng)數(shù)值計算求解步長，fs為待測數(shù)據(jù)的采樣頻率，ω。為Duffing系統(tǒng)內置信號角頻率。計算結果ω即為待測信號的頻率估計值。
[0011 ] 二、對檢測到的諧波、間諧波進行幅值和相位估計
基于雙耦合型混沌振子在臨界分叉處具有對微弱正弦信號靈敏度高和抗噪聲干擾能力強的特性，本發(fā)明提出了一種基于相態(tài)躍變型雙耦合混沌振子的正弦信號幅值和相位同步估計方法，進而實現(xiàn)對電力系統(tǒng)諧波、間諧波的幅值和相位高精度估計。
[0012]此方法對于電力諧波、間諧波的幅值和相位估計是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
1、通過MATLAB軟件對變步長雙耦合混沌系統(tǒng)進行編程實現(xiàn)，系統(tǒng)數(shù)學模型:
χ +0.5χ - ( μ -χ) -x+x3=r0cos (0.4?+Φ) +acos (ω t+ Φ)(3)
μ +0.5 μ - (χ- μ ) - μ + μ 3= r0cos (0.4?+Φ)
上式中s (t)為待測信號，采樣頻率fs，這里將角頻率設定為0.4rad/s，是因為此參數(shù)下系統(tǒng)弱信號靈敏度最高，進而可以提高參數(shù)估計精度。
[0013]2、分別將式(3)中的內置策動力的初相位Φ設定為O和，并采用四階龍格庫塔方程進行求解，設待估計的諧波或間諧波的頻率為Q1，則求解步長設定為Wl/(0.4fs)
3、觀察系統(tǒng)內置策動力初相位Φ分別設定為O和時的系統(tǒng)輸出相圖:若加入待測信號后系統(tǒng)保持混沌態(tài)，則以0.001的變化幅度(0.001是混沌振子對同頻弱信號的最小分辨度)逐漸增大內置策動力幅值直至系統(tǒng)躍變到周期態(tài)，并記下此時的內置策動力幅值；若加入待測信號后系統(tǒng)相圖變?yōu)橹芷趹B(tài)，則以0.001的變化幅度逐漸減小內置策動力幅值直至系統(tǒng)由周期態(tài)躍變到混沌態(tài)，并記下此時的內置策動力幅值。用A代表內置策動力初相位為O的檢測系統(tǒng)發(fā)生相態(tài)躍變時的策動力幅值，用r2代表內置策動力初相位為的檢測系統(tǒng)發(fā)生相態(tài)躍變時的策動力幅值。
[0014]4、將步驟3中得到的內置策動力幅值r1、r^入公式 a = (T2-T1T2)0'5(4)
Φ = arcos [ (T1-T2) /2a](5)
計算結果a和Φ分別為待測信號幅值和相位的估計值。
[0015]綜合方法I和方法2即可實現(xiàn)對各階電力系統(tǒng)諧波和間諧波的檢測與參數(shù)估計。
【附圖說明】
[0016]沒有附圖。
【具體實施方式】
[0017]1、對諧波、間諧波的檢測與頻率估計
此方法對于電力諧波、間諧波的檢測與頻率估計是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
1.1、以1.03為公比設定一組能夠覆蓋待測諧波、間諧波所在頻段的數(shù)列an。
[0018]1.2、通過MATLAB軟件對變步長雙耦合Duffing系統(tǒng)進行編程實現(xiàn)，系統(tǒng)數(shù)學模型為:
χ +0.5x - ( μ -χ) -x+x3=r0cos (ω 0t) +s (t)(I)
μ +0.5 μ - (χ- μ ) - μ + μ 3= r0cos ( ω 0t )
將包含了電力諧波與間諧波的待測數(shù)據(jù)加入到上式的s(t)項中，并采用四階龍格庫塔數(shù)值解法對式(I)進行求解，根據(jù)步驟1.1所設定的系統(tǒng)求解步長序列依次調整計算步長。
[0019]1.3、觀察依次將系統(tǒng)求解步長設定為8?時的系統(tǒng)時域輸出信號，若有某連續(xù)兩次的時域輸出信號為標準的間歇混沌狀態(tài)，則表明在此兩個步長對應的頻段間存在待測信號。
[0020]1.4、對于檢測到某一諧波或間諧波進行頻率估計，任選步驟1.3中此諧波或間諧波所對應的兩個間歇混沌態(tài)時域輸出中的一個輸出信號，并測量此時域輸出信號一個信號周期的時長
o=a0fs(o0+2 JT /T)(2)
式(2)中，a。為Duffing系統(tǒng)數(shù)值計算求解步長，fs為待測數(shù)據(jù)的采樣頻率，ω。為Duffing系統(tǒng)內置信號角頻率。計算結果ω即為待測信號的頻率估計值。
[0021]2、對檢測到的諧波、間諧波進行幅值和相位估計
此方法對于電力諧波、間諧波的幅值和相位估計是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
2.1、通過MATLAB軟件對變步長雙耦合混沌系統(tǒng)進行編程實現(xiàn)，系統(tǒng)數(shù)學模型: χ +0.5χ - ( μ -χ) -x+x3=r0cos (0.4?+Φ) +acos (ω t+ Φ)(3)
μ +0.5 μ - (χ- μ ) - μ + μ 3= r0cos (0.4?+Φ)