本發(fā)明涉及數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，具體地說是一種基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法及諧波檢測系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電力負(fù)載多元化和復(fù)雜化之后，快速實(shí)時(shí)檢測以及暫態(tài)信號(hào)的在線監(jiān)測跟蹤已經(jīng)成為新的需要，傳統(tǒng)對(duì)穩(wěn)態(tài)諧波的檢測正逐歩發(fā)展為對(duì)非穩(wěn)態(tài)諧波的檢測，諧波檢測算法也趨向于復(fù)雜化和智能化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的函數(shù)分析方法比較單一，無法適應(yīng)于所有復(fù)雜情況。

目前，針對(duì)諧波檢測的應(yīng)用中，以傅里葉變換、小波變換和經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解為主要的信號(hào)處理技術(shù)。傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的信號(hào)處理技術(shù)在處理信號(hào)時(shí)，把信號(hào)從整個(gè)時(shí)域變換到頻域，用信號(hào)所包含的全部頻率成分來描述信號(hào)在頻域內(nèi)的變化，不能夠反映出局部信號(hào)頻率的瞬時(shí)變化，在處理非線性信號(hào)時(shí)具有難以避免的局限性，并且受到測不準(zhǔn)原理(Uncertainty principle)的限制。后來人們提出的加窗傅里葉變換在某種程度上克服了傅里葉變換的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了分析信號(hào)的局部性質(zhì)，但是一旦窗口大小選定，就不能隨意調(diào)整，且依舊存在測不準(zhǔn)原理的限制，不能在時(shí)間和頻率兩方面同時(shí)達(dá)到很高的分辨率。小波變換雖然在處理非線性和非平穩(wěn)信號(hào)的能力上有了進(jìn)一步提高，但其本質(zhì)上還是一種窗口可調(diào)的傅里葉變換，不可避免地具有窗函數(shù)的局限性，仍受測不準(zhǔn)原理限制，無法精確更直觀的描述信號(hào)隨時(shí)間變化的狀態(tài)，且小波變換存在著眾多的小波基函數(shù)，而各小波基函數(shù)的使用范圍不一致，也就造成了小波基選擇的問題。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解是近年來流行的一種非線性非穩(wěn)態(tài)信號(hào)處理方法，該方法從信號(hào)自身特征出發(fā)，將信號(hào)分解成為一系列的本征模態(tài)函數(shù)，能夠準(zhǔn)確的表達(dá)信號(hào)在時(shí)頻面上的各類信息，且打破了測不準(zhǔn)原理的限制。但是該方法由于自身分解條件限制，在諧波檢測應(yīng)用中存在著模態(tài)混疊問題，影響了信號(hào)的分解后的時(shí)域特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供是一種基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法及檢測系統(tǒng)。該方法采用希爾伯特(Hilbert)變換將信號(hào)變換，然后通過頻移滿足集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(EEMD)的條件，從而解決高次諧波分離問題。該方法能夠克服諧波檢測環(huán)境下間歇信號(hào)干擾問題，同時(shí)能夠提高適用范圍；有效解決了高次諧波間因頻率相近不能完全分離的問題，而且能夠準(zhǔn)確的表達(dá)信號(hào)在時(shí)頻面上的各類信息。

該系統(tǒng)利用工控機(jī)和DSP作為核心器件。將工控機(jī)作為主機(jī)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法的檢測并驗(yàn)證其效果，同時(shí)采用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波信號(hào)的采集；以數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)作為從機(jī)，用于驗(yàn)證復(fù)雜算法的實(shí)用性，采用鎖相環(huán)電路，克服了電網(wǎng)頻率波動(dòng)影響，能夠精確檢測出電網(wǎng)電壓頻率，保證了在整周期內(nèi)采集到完整的采樣點(diǎn)數(shù)，從而提高了諧波檢測的精度。

本發(fā)明解決所述系統(tǒng)技術(shù)問題的技術(shù)方案是，提供一種諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括主機(jī)和從機(jī)；所述主機(jī)包括核心處理器模塊和主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊；所述主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊包括主機(jī)電壓傳感器、主機(jī)電流傳感器和數(shù)據(jù)采集卡；所述主機(jī)電壓傳感器和主機(jī)電流傳感器分別與數(shù)據(jù)采集卡連接；所述數(shù)據(jù)采集卡與核心處理器模塊連接；所述從機(jī)包括從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通訊模塊、顯示模塊和電源模塊；所述數(shù)據(jù)處理模塊分別與從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊、通訊模塊、顯示模塊和電源模塊連接；所述電源模塊與從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊連接；所述核心處理器模塊通過通訊模塊與從機(jī)連接；所述從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊包括從機(jī)電壓傳感器、從機(jī)電流傳感器、信號(hào)調(diào)理電路和鎖相環(huán)電路；所述從機(jī)電壓傳感器和從機(jī)電流傳感器分別與信號(hào)調(diào)理電路連接；所述從機(jī)電壓傳感器與鎖相環(huán)電路連接；所述信號(hào)調(diào)理電路與數(shù)據(jù)處理模塊連接；鎖相環(huán)電路的輸出與數(shù)據(jù)處理模塊連接。

本發(fā)明解決所述方法技術(shù)問題的技術(shù)方案是，提供一種基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法，該方法應(yīng)用所述諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于具體步驟如下：

(1)對(duì)主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊和從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法處理，得到各個(gè)信號(hào)模態(tài)函數(shù)；

(2)對(duì)各個(gè)信號(hào)模態(tài)函數(shù)通過相關(guān)度進(jìn)行判斷是否發(fā)生混疊現(xiàn)象：對(duì)于均為正弦信號(hào)且正弦信號(hào)間存在正交特性的諧波信號(hào)，若相關(guān)度為0，則表示兩個(gè)正弦信號(hào)完全不相關(guān)，不混疊；由于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解存在誤差，所以選取相關(guān)度為0.01作為閾值判斷；對(duì)各個(gè)信號(hào)模態(tài)函數(shù)做相關(guān)度對(duì)比，若不存在混疊現(xiàn)象，則確定分解結(jié)果為單頻信號(hào)；若發(fā)生混疊，相關(guān)度也會(huì)增大，則繼續(xù)后續(xù)程序；

(3)保留非混疊信號(hào)，重組混疊信號(hào)：非混疊信號(hào)即單頻信號(hào)保留，將混疊的信號(hào)數(shù)據(jù)部分進(jìn)行重組，后續(xù)程序只針對(duì)混疊信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解；

(4)對(duì)混疊的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換測頻，選取最低頻率的兩個(gè)信號(hào)作為參考：通過FFT測頻，可以得到信號(hào)頻域上的頻率和幅值的信息，選取最低頻率的兩個(gè)信號(hào)即信號(hào)x₁和信號(hào)x₂，用于后續(xù)計(jì)算；

(5)計(jì)算幅度比和頻率比，得到頻率偏移值：根據(jù)EEMD的分解條件，兩個(gè)信號(hào)x₁和x₂之間的頻率比至少為兩倍關(guān)系即f₁≥2f₂，同時(shí)還要滿足信號(hào)x₁的頻率f₁與幅值a₁的乘積需大于信號(hào)x₂的頻率f₂與幅值a₂的乘積，即a₁f₁≥a₂f₂；所以選取臨界點(diǎn)作為分解參考值，即a₁f₁＝a₂f₂；

由于兩個(gè)信號(hào)是混疊信號(hào)，不滿足EEMD分解條件，故先計(jì)算兩信號(hào)的幅度比p，即a₂/a₁＝p(p≥2,1＜f₁/f₂＜2)；頻率偏移值f_m滿足a₁(f₁-f_m)＝a₂(f₂-f_m)，從而計(jì)算出對(duì)于幅度比，如果幅度比在兩倍之內(nèi)，同時(shí)頻率比滿足兩倍，那么就滿足分解條件；

(6)混疊的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行Hilbert變換得到解析信號(hào)：對(duì)混疊數(shù)據(jù)x(t)進(jìn)行Hilbert變換得到從而構(gòu)造解析信號(hào)構(gòu)造解析信號(hào)的好處是：不含有負(fù)頻率；在研究信號(hào)的時(shí)頻分析時(shí)，使用解析信號(hào)可以減輕正負(fù)頻率在Ω＝0附近的交叉干擾，通常在進(jìn)行頻域分析時(shí)只取其正頻率；其中傅里葉變化也是將信號(hào)變?yōu)閺?fù)數(shù)形式的常用的方法，而傅里葉變化的一個(gè)重要性質(zhì)就是其共軛對(duì)稱性，具有正負(fù)頻率對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于諧波檢測系統(tǒng)來說，Hilbert更實(shí)用；

(7)為了滿足EEMD分解條件，對(duì)解析信號(hào)進(jìn)行頻率偏移處理：對(duì)步驟6)Hilbert變換后得到解析信號(hào)z(t)進(jìn)行頻率偏移處理，即頻率偏移后信號(hào)中的實(shí)數(shù)部分，即滿足EEMD分解條件；

(8)對(duì)頻率偏移后的數(shù)據(jù)進(jìn)行EEMD處理：對(duì)步驟7)求得的頻率偏移后滿足EEMD分解條件的實(shí)數(shù)部分進(jìn)行EEMD分解處理；

(9)對(duì)分解后的信號(hào)模態(tài)函數(shù)進(jìn)行頻率偏移反變換，恢復(fù)信號(hào)原始頻率特性：對(duì)分解后的信號(hào)模態(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換，求得對(duì)應(yīng)模態(tài)函數(shù)的解析信號(hào)，然后對(duì)解析信號(hào)進(jìn)行頻率偏移反變換，即乘以取其實(shí)數(shù)部分，即得到分離的固有模態(tài)原始的頻率特性；

(10)重復(fù)步驟2)，若不存在混疊現(xiàn)象，則確定分解結(jié)果為單頻信號(hào)；若發(fā)生混疊，則繼續(xù)步驟3)；

(11)分解結(jié)束，將保留的單頻信號(hào)依次顯示出來；保留的單頻信號(hào)就是基波信號(hào)和諧波信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：

(1)本方法采用EEMD方法克服了諧波檢測中EMD由于間歇信號(hào)干擾導(dǎo)致的分解中出現(xiàn)模態(tài)混疊的問題，同時(shí)提高了其分解性能，擴(kuò)大其適用范圍。同時(shí)對(duì)高次諧波間的密頻問題，通過Hilbert頻移對(duì)EEMD在高頻諧波間頻率較密集而發(fā)生的模態(tài)混疊問題進(jìn)行了改進(jìn)，從而增強(qiáng)了EEMD能夠在諧波檢測中適用性，實(shí)現(xiàn)了在時(shí)域上更直觀的顯示當(dāng)前諧波的狀態(tài)，打破了傳統(tǒng)方法的在諧波檢測中的局限性和測不準(zhǔn)原理限制。

(2)從機(jī)選用DSP這類主流芯片，達(dá)到方便實(shí)用的目的。同時(shí)搭載鎖相環(huán)電路，克服電網(wǎng)波動(dòng)的影響，能夠使得采樣數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，提高數(shù)據(jù)分解的精度。

(3)本發(fā)明簡單實(shí)用，易于普及和推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法及檢測系統(tǒng)一種實(shí)施例的諧波檢測系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意框圖；

圖2是本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法及檢測系統(tǒng)一種實(shí)施例的鎖相環(huán)電路的電路圖；

圖3是本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法及檢測系統(tǒng)一種實(shí)施例的信號(hào)調(diào)理電路的電路圖；

圖4是本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法及檢測系統(tǒng)一種實(shí)施例的核心處理器模塊的整體程序流程圖；

圖5是本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法及檢測系統(tǒng)一種實(shí)施例的數(shù)據(jù)處理模塊的整體程序流程圖；

圖6是現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)施例1的EEMD方法的流程示意圖；

圖7是本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法及檢測系統(tǒng)實(shí)施例2的流程示意圖；

圖8是本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法及檢測系統(tǒng)實(shí)施例3的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提供了一種基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法，該方法應(yīng)用所述諧波檢測系統(tǒng)，其特征在于具體步驟如下：

(1)對(duì)主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊和從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的方法處理，得到各個(gè)信號(hào)模態(tài)函數(shù)；

(2)對(duì)各個(gè)信號(hào)模態(tài)函數(shù)通過相關(guān)度進(jìn)行判斷是否發(fā)生混疊現(xiàn)象：對(duì)于均為正弦信號(hào)且正弦信號(hào)間存在正交特性的諧波信號(hào)，若相關(guān)度為0，則表示兩個(gè)正弦信號(hào)完全不相關(guān)，不混疊；由于集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解存在誤差，所以選取相關(guān)度為0.01作為閾值判斷；對(duì)各個(gè)信號(hào)模態(tài)函數(shù)做相關(guān)度對(duì)比，若不存在混疊現(xiàn)象，則確定分解結(jié)果為單頻信號(hào)；若發(fā)生混疊，相關(guān)度也會(huì)增大，則繼續(xù)后續(xù)程序；

(3)保留非混疊信號(hào)，重組混疊信號(hào)：非混疊信號(hào)即單頻信號(hào)保留，將混疊的信號(hào)數(shù)據(jù)部分進(jìn)行重組，后續(xù)程序只針對(duì)混疊信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分解；

(4)對(duì)混疊的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)測頻，選取最低頻率的兩個(gè)信號(hào)作為參考：通過FFT測頻，可以得到信號(hào)頻域上的頻率和幅值的信息，選取最低頻率的兩個(gè)信號(hào)即信號(hào)x₁和信號(hào)x₂，用于后續(xù)計(jì)算；

(5)計(jì)算幅度比和頻率比，得到頻率偏移值：根據(jù)EEMD的分解條件，兩個(gè)信號(hào)x₁和x₂之間的頻率比至少為兩倍關(guān)系即f₁≥2f₂，同時(shí)還要滿足信號(hào)x₁的頻率f₁與幅值a₁的乘積需大于信號(hào)x₂的頻率f₂與幅值a₂的乘積，即a₁f₁≥a₂f₂；所以選取臨界點(diǎn)作為分解參考值，即a₁f₁＝a₂f₂；

由于兩個(gè)信號(hào)是混疊信號(hào)，不滿足EEMD分解條件，故先計(jì)算兩信號(hào)的幅度比p，即a₂/a₁＝p(p≥2,1＜f₁/f₂＜2)；頻率偏移值f_m滿足a₁(f₁-f_m)＝a₂(f₂-f_m)，從而計(jì)算出對(duì)于幅度比，如果幅度比在兩倍之內(nèi)，同時(shí)頻率比滿足兩倍，那么就滿足分解條件；

(6)混疊的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行Hilbert變換得到解析信號(hào)：對(duì)混疊數(shù)據(jù)x(t)進(jìn)行Hilbert變換得到從而構(gòu)造解析信號(hào)構(gòu)造解析信號(hào)的好處是：不含有負(fù)頻率；在研究信號(hào)的時(shí)頻分析時(shí)，使用解析信號(hào)可以減輕正負(fù)頻率在Ω＝0附近的交叉干擾，通常在進(jìn)行頻域分析時(shí)只取其正頻率；其中傅里葉變化也是將信號(hào)變?yōu)閺?fù)數(shù)形式的常用的方法，而傅里葉變化的一個(gè)重要性質(zhì)就是其共軛對(duì)稱性，具有正負(fù)頻率對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于諧波檢測系統(tǒng)來說，Hilbert更實(shí)用。

(7)為了滿足EEMD分解條件，對(duì)解析信號(hào)進(jìn)行頻率偏移處理：對(duì)步驟6)Hilbert變換后得到解析信號(hào)z(t)進(jìn)行頻率偏移處理，即頻率偏移后信號(hào)中的實(shí)數(shù)部分，即滿足EEMD分解條件；

(8)對(duì)頻率偏移后的數(shù)據(jù)進(jìn)行EEMD處理：對(duì)步驟7)求得的頻率偏移后滿足EEMD分解條件的實(shí)數(shù)部分進(jìn)行EEMD分解處理；

(9)對(duì)分解后的信號(hào)模態(tài)函數(shù)進(jìn)行頻率偏移反變換，恢復(fù)信號(hào)原始頻率特性：對(duì)分解后的信號(hào)模態(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換，求得對(duì)應(yīng)模態(tài)函數(shù)的解析信號(hào)，然后對(duì)解析信號(hào)進(jìn)行頻率偏移反變換，即乘以取其實(shí)數(shù)部分，即得到分離的固有模態(tài)原始的頻率特性；

(10)重復(fù)步驟2)，若不存在混疊現(xiàn)象，則確定分解結(jié)果為單頻信號(hào)；若發(fā)生混疊，則繼續(xù)步驟3)；

(11)分解結(jié)束，將保留的單頻信號(hào)依次顯示出來；保留的單頻信號(hào)(即非混疊信號(hào))就是基波信號(hào)和諧波信號(hào)。

圖1所示實(shí)施例表明，本發(fā)明提供了一種諧波檢測系統(tǒng)，包括主機(jī)1和從機(jī)2；所述主機(jī)1包括核心處理器模塊11和主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊12；所述主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊12包括主機(jī)電壓傳感器121、主機(jī)電流傳感器122和數(shù)據(jù)采集卡123；所述主機(jī)電壓傳感器121和主機(jī)電流傳感器122分別與數(shù)據(jù)采集卡123連接；所述數(shù)據(jù)采集卡123與核心處理器模塊11連接；所述從機(jī)2包括從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊21、數(shù)據(jù)處理模塊22、通訊模塊23、顯示模塊24和電源模塊25；所述數(shù)據(jù)處理模塊22分別與從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊21、通訊模塊23、顯示模塊24和電源模塊25連接；所述電源模塊25與從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊21連接；所述核心處理器模塊11通過通訊模塊23與從機(jī)2連接，從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)1與從機(jī)2連接；所述從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊21包括從機(jī)電壓傳感器211、從機(jī)電流傳感器212、信號(hào)調(diào)理電路213和鎖相環(huán)電路214；所述從機(jī)電壓傳感器211和從機(jī)電流傳感器212分別與信號(hào)調(diào)理電路213連接；所述從機(jī)電壓傳感器211與鎖相環(huán)電路214連接；所述信號(hào)調(diào)理電路213與數(shù)據(jù)處理模塊22連接；鎖相環(huán)電路214的輸出端與數(shù)據(jù)處理模塊22連接；所述主機(jī)1的核心處理器模塊11和從機(jī)2的數(shù)據(jù)處理模塊22中儲(chǔ)存有數(shù)據(jù)采集程序、基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法程序和通訊程序。

所述核心處理器模塊11采用研華610H型工控機(jī)為核心，集數(shù)據(jù)處理、通訊和顯示為一體的模塊。其抗干擾性能好，能在高溫下穩(wěn)定工作，能夠穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)分析程序同時(shí)清晰顯示數(shù)據(jù)處理效果，以及保存數(shù)據(jù)，同時(shí)使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)編程實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法較為容易，易于試驗(yàn)研究。

所述主機(jī)電流傳感器122的型號(hào)為北京森社公司的CHB-25NP型霍爾電流傳感器；主機(jī)電壓傳感器121的型號(hào)為北京森社公司的CHV-25P型霍爾電壓傳感器；數(shù)據(jù)采集卡123選用研華1712L型PCI總線接口的數(shù)據(jù)采集卡。首先通過主機(jī)電壓傳感器121和主機(jī)電流傳感器122將大電壓和大電流轉(zhuǎn)化到額定電壓和電流，再傳到數(shù)據(jù)采集卡123中，通過數(shù)據(jù)采集卡123將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為精確的數(shù)字信號(hào)傳入核心處理模塊11中。

所述從機(jī)電流傳感器212的型號(hào)為北京森社公司的CHB-25NP型霍爾電流傳感器；從機(jī)電壓傳感器211的型號(hào)為北京森社公司的CHV-25P型霍爾電壓傳感器；所述信號(hào)調(diào)理電路213和鎖相環(huán)電路214的構(gòu)成分別如圖3和圖2所示。其中信號(hào)調(diào)理電路213主要以TL0741運(yùn)算放大器為主要器件，鎖相環(huán)電路214主要以LM393電壓比較器和CD4046鎖相元件為主要器件。

所述數(shù)據(jù)處理模塊22采用TI公司TMS320F28335的浮點(diǎn)型DSP芯片作為中央處理器。具有高性能的3位CPU，工作頻率高達(dá)150MHz，256K×16位的FLASH，16通道12位ADC模塊。具有80ns的快速轉(zhuǎn)換時(shí)間、2×8通道的輸入多路選擇器和2個(gè)采樣/保持器，可進(jìn)行單轉(zhuǎn)換/連續(xù)轉(zhuǎn)換，可選用內(nèi)部或外部參考電壓，3個(gè)串行通信(SCI)模塊等等，精度高，成本低，功耗比較小，性能比較高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲(chǔ)量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速，這些可以很好的滿足諧波檢測系統(tǒng)的功能要求。

所述通訊模塊23的驅(qū)動(dòng)芯片型號(hào)是MAX485；主機(jī)1與從機(jī)2通過RS-485串行總線連接，把TTL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平。通訊協(xié)議選擇Modbus-RTU模式，是一種主從式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊協(xié)議，允許一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，主機(jī)可以是微機(jī)(PC、工控機(jī)、PLC)、從機(jī)是儀表。通信方式采用主機(jī)請(qǐng)求，從機(jī)應(yīng)答。即：主機(jī)提出命令請(qǐng)求，如果數(shù)據(jù)滿足從機(jī)要求，從機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)響應(yīng)。

所述顯示模塊24采用武漢谷鑫科技有限公司的TFT05RST080液晶觸摸屏，色彩模式RGB565，分辨率800×600像素，最小工作電壓5V-15V，該屏不僅能夠顯示當(dāng)前波形信息，而且能夠?qū)崟r(shí)刷新波形數(shù)據(jù)，還附帶觸摸功能。TFT05RST080液晶觸摸屏使用串口通訊，串口模式8N1 3.3V TTL/CMOS，全雙工異步串口，其中起始位(1個(gè))、停止位(1個(gè))、數(shù)據(jù)位(8個(gè))、校正位(0個(gè))，可用波特率1200-921600bps，與1通信波特率大小設(shè)為115200bps。

所述電源模塊25的型號(hào)為TPS767D301，屬于單輸入雙輸出的電源芯片，其優(yōu)點(diǎn)是功率大，驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng)，5V電壓輸入，3.3V和1.8V同時(shí)產(chǎn)生，滿足TMS320F28335-DSP的諧波檢測系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。

圖2所示實(shí)施例表明，所述鎖相環(huán)電路214的電路構(gòu)成是：采集電壓信號(hào)分別與電壓比較器U1的S3引腳IN+和貼片電阻R1連接，R1的另一端與U1的S1引腳OUT連接；U1的S2引腳IN-與GND連接，U1的S1引腳OUT與貼片電阻R2連接，R2的另一端與+3.3V連接，同時(shí)U1的S1引腳OUT與貼片電容C1連接，C1的另一端與GND連接，同時(shí)U1的S1引腳OUT接入鎖相器件U2的S14引腳Signal In，U2的S9引腳與貼片電容C2連接，C2的另一端接GND，同時(shí)U2的S9引腳與貼片電阻R3連接，R3的另一端與U2的S2引腳連接，U2的S11引腳與貼片電阻R4連接，R4的另一端與GND連接，U2的S6引腳與貼片電容C3連接，C3的另一端與U2的S7引腳連接，U2的S3引腳輸出信號(hào)與降壓管U3連接，U3的另一端接入數(shù)據(jù)處理模塊22的DSP芯片的GPIO1腳，從而獲得鎖相信號(hào)。此外，在單電模式下的電壓比較器U1將從機(jī)電壓傳感器211輸出的電壓信號(hào)與零比較產(chǎn)生方波，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮到電壓信號(hào)中摻雜的干擾信號(hào)可能會(huì)使U1誤動(dòng)作，造成輸出信號(hào)的翻轉(zhuǎn)，因此為消除或者降低干擾在輸出端加上電容C1。

所述貼片電阻R1阻值為1MΩ，貼片電阻R2阻值為10KΩ，貼片電阻R3阻值為300Ω，貼片電阻R4阻值為36KΩ，電壓比較器U1型號(hào)為LM393，鎖相器件U2型號(hào)為CD4046。

鎖相環(huán)電路214輸出信號(hào)與數(shù)據(jù)處理模塊22的DSP芯片的GPIO1腳單獨(dú)連接，連接方式為將從機(jī)電壓傳感器211采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過U1過零比較，將正電壓信號(hào)傳入U(xiǎn)2中，輸出脈沖信號(hào)，因?yàn)檩敵鰹?V，所以需先經(jīng)過U3降壓后傳入DSP芯片，如此通過GPIO1腳，檢測到兩次上升沿脈沖即為整個(gè)周期，從而確定電網(wǎng)的工頻，確定準(zhǔn)確分頻系數(shù)，避免電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況下引起的采樣頻率與信號(hào)頻率不一致，保證采集到完整的整周期點(diǎn)數(shù)，防止后續(xù)的檢測出現(xiàn)誤差。

圖3所示實(shí)施例表明，所述信號(hào)調(diào)理電路213的電路構(gòu)成是：采集信號(hào)與貼片電阻R12連接，R12另一端接入運(yùn)算放大器U11的S3引腳，同時(shí)與貼片電阻R14連接；R14的另一端與貼片電阻R15連接，同時(shí)還與U11的S1引腳和貼片電容C12連接；貼片電容C11的一端分別與R15的另一端和運(yùn)算放大器U12的S5腳連接，C11的另一端接地；U12的S6引腳與U12的S7引腳連接，同時(shí)還與C12的另一端連接；U12的S7引腳作為輸出信號(hào)與數(shù)據(jù)處理模塊22的DSP芯片的AD引腳連接；貼片電阻R11一端與5V連接，另一端與U11的S2引腳和R13的一端連接，R13的另一端接地；如此通過信號(hào)調(diào)理電路213，采集信號(hào)可以調(diào)整到數(shù)據(jù)處理模塊22的DSP芯片的AD采集口的采集范圍，同時(shí)C12電容連接U11和U12的信號(hào)輸出端，以防止信號(hào)受到干擾。

所述貼片電阻R11阻值為13K，貼片電阻R12阻值為25K，貼片電阻R13阻值為3.01K，貼片電阻R14阻值為15K，貼片電阻R15阻值為25K，貼片電容C11電容值為47nf，貼片電容C12電容值為0.1uf，運(yùn)算放大器U11和U12型號(hào)均為TL0741。

圖4所示實(shí)施例表明，本發(fā)明主機(jī)1的核心處理器模塊11的整體程序流程：開始→初始化及配置參數(shù)(如采樣頻率、采樣點(diǎn)數(shù)等，本實(shí)例中以采樣頻率12800Hz，采樣五個(gè)周期，采樣點(diǎn)數(shù)1280個(gè)為例)→采集數(shù)據(jù)→是否采滿？(否，則繼續(xù)采樣；若采滿，則繼續(xù))→數(shù)據(jù)分析(采用基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法)→得出各次諧波的時(shí)域信息→顯示數(shù)據(jù)→判斷是否結(jié)束(結(jié)束，則停止采集；若繼續(xù)，則繼續(xù)刷新采集，重新數(shù)據(jù)處理)；此外，主機(jī)程序運(yùn)行階段，通訊模塊23一直處于接收狀態(tài)，用于接收從機(jī)2返回?cái)?shù)據(jù)。

圖5所示實(shí)施例表明，本發(fā)明從機(jī)2的數(shù)據(jù)處理模塊22的整體程序流程：開始→初始化(配置寄存器)→捕捉鎖相產(chǎn)生的上升沿計(jì)算電網(wǎng)工頻頻率→計(jì)算分頻系數(shù)確定準(zhǔn)確的采樣頻率→采集數(shù)據(jù)(采樣五個(gè)周期)→是否采滿？(否，則繼續(xù)采樣，若采滿，則繼續(xù))→數(shù)據(jù)分析(采用基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法)→得出各次諧波的時(shí)域信息→顯示數(shù)據(jù)同時(shí)通過將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)(采用RS485通訊協(xié)議)→判斷是否結(jié)束(結(jié)束，則停止采集；若繼續(xù)，則繼續(xù)刷新采集，重新數(shù)據(jù)處理)；

基于上述諧波檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及主從機(jī)的程序流程，提出本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法的各個(gè)實(shí)例。

實(shí)施例1

采用圖1所述系統(tǒng)，信號(hào)源發(fā)出幅值為1V、頻率為50Hz基波和幅值為0.5V、頻率為150Hz的三次諧波為疊加的電壓信號(hào)作為測試信號(hào)，連接入主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊12和從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊21。由于信號(hào)源發(fā)出固定頻率信號(hào)，不存在波動(dòng)影響，所以諧波檢測系統(tǒng)中主機(jī)和從機(jī)均以工頻50Hz為基準(zhǔn)。

基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法具體步驟是(參見圖6)：

步驟1)：采集5個(gè)周期的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行EEMD分解：諧波檢測系統(tǒng)中主機(jī)和從機(jī)均設(shè)定采樣頻率為12800Hz，工頻50Hz基礎(chǔ)上采樣5個(gè)周期采樣點(diǎn)數(shù)為1280個(gè)點(diǎn)。主機(jī)通過設(shè)定數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，從機(jī)通過數(shù)據(jù)處理模塊的AD口進(jìn)行采集。分解前，預(yù)先將EEMD分解參數(shù)設(shè)定，添加噪聲誤差為0.02，分解次數(shù)為200，均為EEMD分解的常規(guī)設(shè)定。分解后得到2個(gè)信號(hào)模態(tài)函數(shù)。

步驟2)：對(duì)分解后模態(tài)函數(shù)進(jìn)行相關(guān)度判斷。判斷小于相關(guān)度閾值，為完全分離信號(hào)：諧波信號(hào)被定義為正弦信號(hào)，本質(zhì)上不同頻率信號(hào)的正弦信號(hào)之間存在正交特性，因此，EEMD若將信號(hào)完全分離，則分解后的模態(tài)函數(shù)之間存在正交特性，所以定義相關(guān)系數(shù)如果相關(guān)系數(shù)為0，則表示兩個(gè)信號(hào)完全不相關(guān)，兩個(gè)模態(tài)完全分離，由于計(jì)算中可能會(huì)存在誤差，且該算法存在一定的端點(diǎn)效應(yīng)問題，對(duì)分解后信號(hào)采用中間一周期(即中間的256個(gè)點(diǎn))進(jìn)行相關(guān)度計(jì)算，相關(guān)系數(shù)閾值選擇為0.01，若小于0.01則表示信號(hào)完全分離，若大于0.01則表示信號(hào)存在混疊現(xiàn)象。最后經(jīng)相關(guān)度驗(yàn)證，小于閾值0.01，則將分離后信號(hào)作為分解結(jié)果顯示。其中通過顯示波形就可以明確判斷出分離出的基波為5個(gè)周期(即50Hz)且幅值為1V，諧波為15個(gè)周期(即150Hz，為三次諧波)幅值為0.5V。如此與給定信號(hào)的結(jié)果相吻合，說明EEMD方法能夠作為時(shí)域分解方法，準(zhǔn)確分離信號(hào)且直觀的顯示出來。

實(shí)施例2

采用圖1所述系統(tǒng)，信號(hào)源發(fā)出幅值為1V、頻率為250Hz基波和幅值為0.5V、頻率為350Hz的三次諧波為疊加的電流信號(hào)作為測試信號(hào)，連接入主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊12和從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊21。由于信號(hào)源發(fā)出固定頻率信號(hào)，不存在波動(dòng)影響，所以諧波檢測系統(tǒng)中從機(jī)的鎖相環(huán)電路的測量工頻，并不使用。主機(jī)和從機(jī)均以工頻50Hz為基準(zhǔn)。根據(jù)EEMD的分解條件，兩個(gè)信號(hào)x₁和x₂之間的頻率比至少為兩倍關(guān)系即f₁≥2f₂，同時(shí)滿足信號(hào)x₁的頻率f₁與幅值a₁的乘積需大于信號(hào)x₂的頻率f₂與幅值a₂的乘積，即a₁f₁≥a₂f₂。根據(jù)諧波信號(hào)特點(diǎn)，諧波次數(shù)越高，幅值越低；基于此，給出上述測試信號(hào)為不滿足EEMD分解條件的信號(hào)，會(huì)產(chǎn)生模態(tài)混疊現(xiàn)象。

基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法具體步驟是(參見圖7)：

(1)采集五個(gè)周期數(shù)據(jù)。

(2)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT測頻，選取最低頻率的兩個(gè)信號(hào)為參考：通過FFT測頻，得到測試信號(hào)的幅值和頻率。選取最低頻率的兩個(gè)信號(hào)作為參考，根據(jù)EEMD的分解條件，兩個(gè)信號(hào)x₁和x₂之間的頻率比至少為兩倍關(guān)系即f₁≥2f₂，同時(shí)滿足信號(hào)x₁的頻率f₁與幅值a₁的乘積需大于信號(hào)x₂的頻率f₂與幅值a₂的乘積，即a₁f₁≥a₂f₂。所以選取臨界點(diǎn)作為分解參考值，即a₁f₁＝a₂f₂。

(3)計(jì)算幅度比和頻率比，得到頻率偏移值：由于兩個(gè)信號(hào)是混疊信號(hào)，不滿足EEMD分解條件，所以先計(jì)算兩信號(hào)的幅度比p即a₂/a₁＝p(p≥2,1＜f₁/f₂＜2)，通過頻率偏移值f_m滿足a₁(f₁-f_m)＝a₂(f₂-f_m)，從而計(jì)算出對(duì)于幅度比，如果幅度比在兩倍之內(nèi)，同時(shí)頻率比滿足兩倍，那么就滿足分解條件；

(4)混疊的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行Hilbert變換得到解析信號(hào)：對(duì)數(shù)據(jù)x(t)進(jìn)行Hilbert變換得到從而構(gòu)造解析信號(hào)

(5)為了滿足EEMD分解條件，對(duì)解析信號(hào)進(jìn)行頻率偏移處理：對(duì)步驟4)Hilbert變換后得到解析信號(hào)z(t)進(jìn)行頻譜偏移處理，得到頻移后的信號(hào)，然后滿足EEMD分解條件的信號(hào)，即選取頻移變換后信號(hào)的實(shí)數(shù)部分

(6)對(duì)頻率偏移后的數(shù)據(jù)進(jìn)行EEMD處理：對(duì)步驟5)求得的頻移后信號(hào)，進(jìn)行EEMD處理，得到分解后的兩個(gè)模態(tài)函數(shù)IMF1和IMF2。

(7)對(duì)分解后模態(tài)進(jìn)行頻率偏移反變換，恢復(fù)信號(hào)原始頻率特性：對(duì)分解后的模態(tài)函數(shù)進(jìn)行Hilbert變換，求得對(duì)應(yīng)模態(tài)函數(shù)的解析信號(hào)，然后對(duì)解析信號(hào)進(jìn)行頻率偏移反變換，即乘以最后選取其實(shí)數(shù)部分，即得到分離的固有模態(tài)原始的頻率特性。

(8)小于相關(guān)度閾值，則完全分離信號(hào)：將信號(hào)進(jìn)行相關(guān)度判斷，小于相關(guān)度所設(shè)閾值0.01，所以判定為完全分離信號(hào)。

對(duì)實(shí)施例分離出的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行了FFT測頻驗(yàn)證，分離后信號(hào)一個(gè)為1V的250Hz的5次諧波和0.5V的350Hz的7次諧波。與所給定的諧波信號(hào)相吻合，驗(yàn)證本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法能夠有效克服信號(hào)間由于頻率相近不滿足EEMD分解條件所造成的模態(tài)混疊問題，并直觀的得出時(shí)域范圍內(nèi)各次諧波信號(hào)的信息。

實(shí)施例3

采用圖1所述系統(tǒng)，將三相電進(jìn)過調(diào)壓器輸出為60V電壓，然后三相電經(jīng)過三相整流橋，整流橋負(fù)載端連接電阻箱，阻值為20Ω，如此會(huì)產(chǎn)生3A的整流信號(hào)，本實(shí)施例以A相整流信號(hào)的諧波分解作為測試信號(hào)，連接入主機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊12和從機(jī)數(shù)據(jù)采集模塊21。主機(jī)采樣頻率配置數(shù)據(jù)采集卡，采樣頻率為12800Hz，采1280個(gè)點(diǎn)；由于這是直接接入電力信號(hào)，從機(jī)為了達(dá)到更精確的目的，將電力信號(hào)三相電中A相電壓接入從機(jī)的鎖相環(huán)電路，鎖相環(huán)電路輸出信號(hào)與數(shù)據(jù)處理模塊22的CAP口單獨(dú)連接，原理是電網(wǎng)電壓信號(hào)經(jīng)過鎖相環(huán)電路后，大于零點(diǎn)電壓會(huì)發(fā)出一個(gè)上升沿脈沖，然后進(jìn)入鎖相環(huán)電路得到3V電壓滿足DSP的CAP口要求。當(dāng)檢測到兩次上升沿脈沖即為整個(gè)周期，從而確定電網(wǎng)的工頻，確定準(zhǔn)確分頻系數(shù)，避免電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況下引起的采樣頻率與信號(hào)頻率不一致，保證采集到完整的整周期點(diǎn)數(shù)，防止后續(xù)的檢測出現(xiàn)誤差。此外，由于整流信號(hào)中存在大量諧波信號(hào)，所以選擇前20次諧波為主。

基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法具體步驟是(參見圖8)：

(1)采樣5個(gè)周期的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行EEMD分解；

實(shí)際的供電系統(tǒng)中，恒定于50Hz的電網(wǎng)頻率是不存在的。然而波動(dòng)的電網(wǎng)頻率會(huì)使采樣周期發(fā)生改變，若一直采用按照固定的采樣間隔去采樣，必然會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)分析造成影響，所以實(shí)現(xiàn)等相位采樣至關(guān)重要。諧波檢測系統(tǒng)中主機(jī)以驗(yàn)證算法的合理性為主要功能，所以依舊采用采樣頻率12800Hz，采樣1280個(gè)點(diǎn)，五個(gè)周期為主即可，而從機(jī)需要先計(jì)算一個(gè)周期的電網(wǎng)工頻后，再確定分頻系數(shù)，從而確定采樣頻率，進(jìn)而確定采樣點(diǎn)數(shù)。但是，采樣周期均采用5個(gè)周期。然后對(duì)其進(jìn)行EEMD分解。

(2)對(duì)分解后模態(tài)函數(shù)進(jìn)行相關(guān)度判斷；

(3)保留非混疊信號(hào)，重組混疊信號(hào)；根據(jù)實(shí)施例3中的整流信號(hào)存在多個(gè)諧波成分，在第一次分解中基波能量相對(duì)很大且滿足分解條件，所以基波信號(hào)被分離出來，還有其余諧波分量存在混疊現(xiàn)象，所以保留基波信號(hào)成分，對(duì)其余諧波分量進(jìn)行重新組合，后續(xù)只對(duì)混疊信號(hào)進(jìn)行分解。

(4)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT測頻，選取最低頻率的兩個(gè)信號(hào)作為參考：經(jīng)過FFT測頻后，混疊信號(hào)中存在5次，7次，11次，13次，17次，19次諧波，針對(duì)于此現(xiàn)象，相鄰信號(hào)間均不滿足分解條件，所以選擇5和7次作為后續(xù)頻移分解的參考。如此對(duì)多頻信號(hào)進(jìn)行循環(huán)篩選。

(5)計(jì)算幅度比和頻率比，得到頻率偏移值；

(6)進(jìn)行Hilbert變換，得到解析信號(hào)；

(7)進(jìn)行頻率偏移處理，滿足EEMD分解條件：對(duì)于多頻信號(hào)，采用的是依次篩選的原則，從低頻向高頻逐次分離，以整數(shù)次諧波為主。實(shí)施例三種就是以5和7次諧波為基礎(chǔ)進(jìn)行偏移處理分離5次諧波，然后以7和11次諧波為基礎(chǔ)，分離7次諧波。然后依次循環(huán)分離其余的諧波。

(8)對(duì)頻移后數(shù)據(jù)進(jìn)行EEMD分解；

(9)對(duì)分解后模態(tài)進(jìn)行頻率偏移反變換，恢復(fù)信號(hào)原始頻率特性；

(10)對(duì)分解后模態(tài)函數(shù)進(jìn)行相關(guān)度判斷：采用循環(huán)判斷篩選的方式，進(jìn)行依次分離諧波，如果小于相關(guān)度閾值0.01說明，全部信號(hào)分離完畢，如果還存在混疊模態(tài)，則返回到步驟S3，按步驟進(jìn)行循環(huán)處理。直到滿足小于相關(guān)度閾值為止。若小于相關(guān)度閾值，則完全分離信號(hào)。

(11)分解結(jié)束，將保留單頻信號(hào)依次顯示出來。

實(shí)施例3選用整流信號(hào)作為測試信號(hào)，因?yàn)檎餍盘?hào)作為復(fù)雜的諧波信號(hào)，分解具有很大難度，為驗(yàn)證本發(fā)明基于頻移集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的諧波檢測方法的優(yōu)勢，選用整流信號(hào)作為測試，分解信號(hào)能夠很好的識(shí)別出信號(hào)的時(shí)域信息。驗(yàn)證本文方法能夠提高其適用范圍對(duì)高次諧波間因頻率相近不能完全分離的問題得到有效解決；而且該諧波檢測時(shí)域分解能夠準(zhǔn)確的表達(dá)信號(hào)在時(shí)頻面上的各類信息，且打破了傳統(tǒng)方法中的測不準(zhǔn)原理的限制。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。