一种基于Prony算法的充电桩直流信号谐波检测方法及系统与流程

本发明属于直流电能计量领域，涉及一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测方法及系统。

背景技术：

1、虽然交流电能的计量方面研究已经较为成熟，但直流电能的计量缺迟迟不能突破，与电动汽车配套的直流充电桩中含有大量的非线性负荷，造成充电桩输出电压和电流中出现谐波，使得充电电压和电流在短时间快速变化，严重影响直流电能计量准确性。因此，迫切需要提出一种能够准确检谐波的频率和幅值的方法，对直流电能计量算法的优化和直流配网的进一步发展具有深远影响。

2、自从傅里叶变换(fft)的提出，经过几十年的发展下来，提出了许多可供谐波检测的方法如小波变换、prony算法、希尔伯特-黄变换（hht）、经验模态分解（emd）、变分模态分解（vmd）、经验小波变换（ewt）等。fft及其改进算法无法适应非平稳信号，且数据窗会限制算法的精度；小波变换选取小波基比较困难；hht、emd、ewt存在端点效应和模态混叠现象；vmd的惩罚因子和分层参数的选择会影响vmd的分解效果，且参数的设置方法不能得到最优的参数组合；prony算法对噪声比较敏感。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有基于prony算法的谐波检测方法存在的缺陷，提供一种精度高、抗噪好的充电桩直流信号谐波检测方法及系统，其采用prony算法在检测谐波的同时加入去噪的环节，以有效实现直流信号与谐波的分离。

2、为此，本发明采用如下的技术方案。

3、第一方面，本发明提供一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测方法，其包括：

4、步骤1、采集含噪声和谐波分量的充电桩直流信号；

5、步骤2、选取合适的采样频率，对采集的直流信号做重采样处理；

6、步骤3、对重采样处理后的直流信号进行奇异值分解-总体最小二乘法（svd-tls）去噪，提取出含谐波分量的直流信号；

7、步骤4、对去噪处理后含谐波分量的直流信号进行prony分析，获得各谐波分量的幅值和频率信息。

8、进一步地，所述的步骤2具体包括：

9、首先，用高采样频率对直流信号重采样提取出高频段信号成分，设置阈值，滤除冗余项后得到高频段信号的频率和幅值序列；

10、其次，设置低通滤波器滤除高频段信号，用低采样频率对滤除高频段信号后的滤波信号进行采样，再次设置阈值，滤除冗余信号后得到低频段信号的频率和幅值序列；

11、最后，结合两次采样得到的信号频段，从而得到完整信号的频率和幅值序列。

12、进一步地，所述的步骤3具体包括：

13、通过步骤1采集的充电桩直流信号，生成得到一个阶的增广矩阵：

14、，

15、，

16、式中，为矩阵的阶数，为采样点数，取，为输入的信号序列；表示取共轭；

17、步骤3.2，对增广矩阵进行奇异值分解,并储存奇异值和矩阵，并采用归一化奇异值法确定阶数：

18、，

19、式中，和分别为增广矩阵的左奇异阵和右奇异阵，是一个阶的对角矩阵；

20、步骤3.3，确定增广矩阵的有效秩，构造一个维的对角矩阵：

21、，

22、，

23、其中，是矩阵的第行、第列的元素；表示有效秩的第行、第列的元素； p代表矩阵的阶数； h是矩阵共轭转置；

24、步骤3.4，求的逆矩阵，计算出未知参数的总体最小二乘估计值：

25、。

26、更进一步地，所述的步骤3.2中，当测量过程中存在噪声干扰时，对角矩阵中的元素有一定的误差，对角元素的值越大，相对误差越小，设置相关的阈值滤除误差项：

27、，

28、式中，为判定阶数的阈值，当有效秩小于时，可有效地抑制噪声，减少建模误差；当 i小于0.001，则确定阶数为 i-1阶。

29、更进一步地，所述的步骤4具体包括：

30、步骤4.1，求得的根为，用生成范德蒙矩阵：

31、，

32、步骤4.2，计算谐波分量的幅值、相位、频率和衰减因子：

33、先将直流信号用一系列含衰减的正弦频率分量表示：

34、，

35、在第 n个采样时间点的直流信号估计值表示为：

36、，

37、式中，代表时间间隔；

38、假设直流信号中包直流分量和 i个衰减的谐波分量，用欧拉公式将某一个谐波分量展开：

39、，

40、则直流信号的离散形式函数表示为：

41、，

42、利用步骤4.1中求得的，通过直流信号的离散形式函数由矩阵形式表达：

43、

44、式中，，，的最小二乘解为：

45、；

46、最后，利用下式计算出谐波分量的振幅、相位、衰减因子以及频率：

47、，

48、式中，表示实部；表示虚部。

49、第二方面，本发明提供一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测系统，其包括：

50、信号采集单元：采集含噪声和谐波分量的充电桩直流信号；

51、重采样处理单元：选取合适的采样频率，对采集的直流信号做重采样处理；

52、分量提取单元：对重采样处理后的直流信号进行奇异值分解-总体最小二乘法去噪，提取出含谐波分量的直流信号；

53、prony分析单元：对去噪处理后含谐波分量的直流信号进行prony分析，获得各谐波分量的幅值和频率信息。

54、本发明具有的有益效果如下：本发明在检测谐波时，采用prony算法同时加入去噪的环节，有效实现直流信号与谐波的分离；本发明的检测精度高，抗噪好。

技术特征：

1.一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测方法，其特征在于，所述的步骤2具体包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测方法，其特征在于，所述的步骤3具体包括：

4.根据权利要求3所述的一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测方法，其特征在于，所述的步骤3.2中，当测量过程中存在噪声干扰时，对角矩阵中的元素有一定的误差，对角元素的值越大，相对误差越小，设置相关的阈值滤除误差项：

5.根据权利要求3所述的一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测方法，其特征在于，所述的步骤4具体包括：

6.一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测系统，其特征在于，所述的重采样处理单元，具体的处理过程如下：

8.根据权利要求6所述的一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测系统，其特征在于，所述的分量提取单元具体包括：

9.根据权利要求8所述的一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测系统，其特征在于，所述的矩阵构造子单元中，当测量过程中存在噪声干扰时，对角矩阵中的元素有一定的误差，对角元素的值越大，相对误差越小，设置相关的阈值滤除误差项：

10.根据权利要求8所述的一种基于prony算法的充电桩直流信号谐波检测系统，其特征在于，所述的prony分析单元具体包括：

技术总结
本发明公开了一种基于Prony算法的充电桩直流信号谐波检测方法及系统，属于直流计量领域，以解决现有电动汽车充电桩中大量非线性负载造成充电电压和电流快速变化导致电能表计量的不准确问题。本发明的充电桩直流信号谐波检测方法，包括：采集含噪声和谐波分量的充电桩直流信号；选取合适的采样频率，对采集的直流信号做重采样处理；对重采样处理后的直流信号进行奇异值分解‑总体最小二乘法去噪，提取出含谐波分量的直流信号；对去噪处理后含谐波分量的直流信号进行Prony分析，获得各谐波分量的幅值和频率信息。本发明能有效实现直流信号与谐波的分离。

技术研发人员：陈欢军,刘思,徐韬,杨思洁,徐开,杨依睿,周佑,谢泽楠,陆艳,叶莘
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司营销服务中心
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5