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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2020, Vol. 54 Issue (1): 178-188    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2020.01.021
电气工程     
基于apFFT-AMD的密集频率谐波/间谐波检测
孙曙光1(),田朋1,杜太行1,王景芹2
1. 河北工业大学 人工智能与数据科学学院，天津 300130
2. 河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130
Dense frequency harmonic/interharmonic detection based on apFFT-AMD
Shu-guang SUN1(),Peng TIAN1,Tai-hang DU1,Jing-qin WANG2
1. School of Artificial Intelligence, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China
2. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China
 全文: PDF(1813 KB)   HTML
摘要：

针对电力谐波信号中含有密集频率的谐波/间谐波问题，提出全相位快速傅里叶变换（apFFT）与解析模态分解法（AMD）相结合的检测方法. 由于AMD在分解前需要确定信号中各个频率成分，应用apFFT对待分析信号进行频谱分析，得到频谱中各个频率的值；通过apFFT相位谱的平坦特性来判断信号中是否含有密集谱频率成分，获得密集频谱谐波/间谐波频率的大概位置，若含有密集频谱成分，对信号中的密集频段使用量子粒子群进行优化，寻找最佳的二分频率；通过各个频率成分之间的二分频率，利用AMD方法将电力谐波信号分解为一系列的单频信号分量，以完成含有密集频率的谐波测量. 与希尔伯特-黄变换法（HHT）相比，该方法对于含有密集频率的谐波/间谐波信号分解效果更好. 仿真和实验结果都表明了该方法的有效性和准确性.
关键词： 谐波;  间谐波;  密集频谱;  全相位快速傅里叶变换（apFFT）;  量子粒子群;  解析模态分解法（AMD）    
Abstract:

A combining detection method of all-phase fast Fourier transform (apFFT) and analytical mode decomposition was proposed aiming at the harmonic/interharmonic problem with dense frequency in power harmonic signals. Since AMD needs to determine the frequency components in the signal before decomposing, apFFT was used to perform spectrum analysis on the analyzed signals to obtain the values of the frequencies in the spectrum. The flat characteristics of the apFFT phase spectrum were used to determine whether the signal contains dense spectrum frequency component, and the approximate position of dense spectrum harmonic/interharmonic frequency was obtained. If there were dense spectral components, the dense spectrum segment of the signal was optimized by using quantum particle swarm to find the best binary frequency. The power harmonic signal was decomposed into a series of single-frequency signal components through the binary frequency between each frequency component by using AMD method in order to complete the measurement of harmonics with dense frequency. The method is better for the decomposition of harmonic/interharmonic signals with dense frequency compared with Hilbert-Huang transform (HHT) method. The simulation and experimental results showed the effectiveness and accuracy of the proposed method.
Key words: harmonics    interharmonics    dense spectrum    all-phase fast Fourier transform (apFFT)    quantum particle swarm    analytical mode decomposition (AMD)
收稿日期: 2018-11-24 出版日期: 2020-01-05
CLC:  TM 935  
基金资助: 河北省教育厅资助科研项目（ZD2016108）
作者简介: 孙曙光（1979—），男，副教授，从事电力谐波检测与补偿控制的研究. orcid.org/0000-0003-3783-0932. E-mail： sunshuguang_2000@163.com
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孙曙光
田朋
杜太行
王景芹

引用本文:

孙曙光,田朋,杜太行,王景芹. 基于apFFT-AMD的密集频率谐波/间谐波检测[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(1): 178-188.

Shu-guang SUN,Peng TIAN,Tai-hang DU,Jing-qin WANG. Dense frequency harmonic/interharmonic detection based on apFFT-AMD. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2020, 54(1): 178-188.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2020.01.021    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2020/V54/I1/178

图 1  apFFT频谱分析流程框图
图 2  单频信号与密集谱信号的全相位快速傅里叶变换幅值谱和相位谱
图 3  二分频率示意图
图 4  ApFFT-AMD算法流程图
成分 f/Hz I/A θ/（°）
间谐波 20.0 1 10
基波 50.2 15 30
谐波 100.4 8 200
间谐波 228.0 4 100
间谐波 520.0 2 250
表 1  算例1的信号参数
图 5  信号幅值谱图
图 6  信号相位谱图
图 7  原始信号及本文方法的分解结果
图 8  EMD的分解结果
分量 本文方法 EMD
fe/Hz ξf/% Ie/A ξI/% fe/Hz ξf/% Ie/A ξI/%
1 20.07 0.35 1.04 4.00 19.92 0.40 0.86 14.00
2 50.08 0.24 14.96 0.27 49.92 0.56 14.28 4.80
3 99.95 0.45 7.99 0.13 99.92 0.48 8.00 0.00
4 228.00 0.00 4.00 0.00 227.93 0.03 3.96 1.00
5 519.98 0.01 2.00 0.00 519.91 0.02 2.00 0.00
表 2  该方法和EMD各分量参数的检测结果
成分 f/Hz I/A θ/（°）
间谐波 20 1 10
基波 50 15 30
间谐波 160 1 200
间谐波 162 2 100
谐波 250 6 250
表 3  算例2的信号参数
图 9  信号幅值谱图
图 10  信号相位谱图
图 11  适应度和粒子位置趋势图
图 12  原始信号及本文方法的分解结果
图 13  EMD的分解结果
图 14  单频信号分量的瞬时幅值和频率
图 15  半物理实验整体方案
图 16  半物理实验设备
成分 f/Hz I/A θ/（°）
间谐波 25 2 20
基波 50 20 80
谐波 150 10 200
间谐波 152 3 90
谐波 250 8 250
表 4  信号模型具体参数
图 17  实测电流信号的幅值谱图
图 18  实测电流信号的相位谱图
图 19  实测电流信号和本文方法的分解结果
图 20  实测电流信号的单频分量瞬时幅值和频率
分量 fe/Hz ξf/% Ie/A ξI/%
$x_1$ 24.99 0.04 1.98 1.00
$x_2$ 50.00 0.00 19.84 0.80
$x_3$ 150.00 0.00 9.91 0.90
$x_4$ 151.98 0.01 2.98 0.67
$x_5$ 250.00 0.00 7.93 0.88
表 5  AMD各分量参数检测结果
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