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仪器仪表学报 2024年第2期45卷 263-271页

作者：唐求陈张青梁林滕召胜计志勇湖南大学电气与信息工程学院长沙410082

针对电网超谐波检测采样压力大、数据处理困难等问题,提出一种基于加窗随机解调架构的超谐波信号检测方法。该方法首先利用模拟信息转换技术结合加窗思想,在采样端对超谐波信号进行加窗压缩采样,得到压缩采样后的数据;随后,在重构端采... 详细信息

针对电网超谐波检测采样压力大、数据处理困难等问题,提出一种基于加窗随机解调架构的超谐波信号检测方法。该方法首先利用模拟信息转换技术结合加窗思想,在采样端对超谐波信号进行加窗压缩采样,得到压缩采样后的数据;随后,在重构端采用逐级二分的思想,将残差的一阶微分作为收敛阈值,改进稀疏度自适应匹配追踪(SAMP)算法,实现对采样数据的快速重构。大量的仿真实验和测试结果表明,方法可以在减少90%数据量的情况下实现超谐波信号的频率幅值精确检测,其中频幅值检测的相对误差≤2%,频率检测误差≤3 Hz,为更准确测量超谐波提供了新思路。

关键词：超谐波随机解调压缩采样改进重构算法

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基于随机解调的电网超谐波压缩感知测量方法

基于随机解调的电网超谐波压缩感知测量方法

引用

作者：计志勇湖南大学

学位级别：硕士

超谐波是由于IGBT等电力电子器件大量应用而产生的2-150k Hz频率范围内的新型电能质量扰动。随着高频化的电力电子器件广泛应用以及分布式能源的大规模并网,超谐波所引发的电能质量问题日益凸显,其危害日盛。实现超谐波的快速准确检测... 详细信息

超谐波是由于IGBT等电力电子器件大量应用而产生的2-150k Hz频率范围内的新型电能质量扰动。随着高频化的电力电子器件广泛应用以及分布式能源的大规模并网,超谐波所引发的电能质量问题日益凸显,其危害日盛。实现超谐波的快速准确检测对于保证智能电网安全、稳定、经济运行具有重要意义。在智能电网框架下,电力部门需要不间断地采集电网信号来监测电网的运行状态。目前电力信号采集方法基于Nyquist采样定理,由于超谐波具有频率高、频谱广的特性,因此检测时需要高速模-数转换器,这势必会产生海量采样数据,从而引发数据传输效率低、存储成本高等问题。压缩感知(Compressed Sensing,CS)理论是一种新型信号采集方法,能够突破Nyquist采样定理的限制,对稀疏信号进行压缩采样。本文将CS理论引入超谐波检测领域,在理论研究和仿真分析的基础上,采用模拟信息转换技术,搭建基于随机解调(Random Demodulation,RD)的超谐波压缩感知测量系统。首先,本文介绍超谐波的定义,阐述其产生机理、传播特性及危害。通过分析国内外超谐波检测方法的现状,指出了现行方法存在的不足,并给出基于CS理论的超谐波检测方案,证明了多种稀疏基下超谐波的稀疏特性。此外,对基于RD的超谐波压缩感知测量过程进行推导,分析了影响RD架构采样精度的因素。其次,为解决超谐波压缩感知测量过程中采用离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform,DFT)基导致的频谱泄露和栅栏效应问题,提出一种基于RD架构的超谐波加窗压缩感知测量方法。该方法通过对m序列按窗函数加权实现对超谐波的加窗压缩观测,并利用谱线插值修正重构频谱。不同工况下的仿真实验表明,本文所提方法可有效降低频谱泄露的影响,提高超谐波参数估计的精度。再者,针对压缩感知重构过程效率低、耗时久的问题,第一步通过共轭转置法降低矩阵构造的复杂度,实现传感矩阵的快速构造;并采用离散哈特莱变换优化稀疏基,其与DFT基相比可提高计算效率、减小内存消耗。第二步针对稀疏度自适应匹配追踪算法步长固定、收敛速度慢的问题,提出采用二分搜索改进重构算法,加快稀疏度搜索过程,提高算法的重构效率。最后,在仿真验证的基础上,设计基于RD的超谐波CS测量系统,并通过实测验证本文方法的准确性与可行性。简述系统的整体结构与工作流程,详细介绍各模块硬件设计及软件实现流程。实测结果表明,基于RD的压缩感知测量系统能够以低至4%的观测数据完成超谐波的检测,在实际应用中具有一定的可行性。

关键词：超谐波检测随机解调压缩感知改进重构算法模拟信息转换

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