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        基于TLS-ESPRIT 算法的電氣化鐵路諧波檢測(cè)

        2012-03-13 01:22:46強(qiáng)
        電氣化鐵道 2012年3期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)檢測(cè)

        李 強(qiáng)

        0 引言

        鐵路電氣化改造的逐步實(shí)施,武廣、鄭西、京滬等客運(yùn)專線的開通,標(biāo)示著中國(guó)鐵路正快速邁入電氣化時(shí)代。電氣化鐵路雖然在提高運(yùn)行速度、增加運(yùn)力等方面具有明顯的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益,但也同時(shí)帶來了其他不利影響,其中,交-直型、大功率、單相整流電力機(jī)車所引起的諧波污染對(duì)公共電網(wǎng)及鐵路沿線設(shè)備帶來了嚴(yán)重危害[1~3],必須采取措施對(duì)其進(jìn)行有效治理,而實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的諧波檢測(cè)是諧波治理的前提和主要依據(jù)。

        目前,用于諧波檢測(cè)的算法主要有:傅里葉變換、瞬時(shí)無功功率理論、小波變換、Hilbert-Huang變換、Prony 算法。傅里葉變換計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性不夠好、易產(chǎn)生頻譜泄漏和柵欄效應(yīng);基于瞬時(shí)無功功率理論的方法不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間和頻率聯(lián)合檢測(cè);小波變換無法單獨(dú)提取任意頻次的諧波信號(hào),且小波基系數(shù)受噪聲影響大;Hilbert-Huang變換可以得到諧波的時(shí)頻分布,但應(yīng)用中存在端點(diǎn)效應(yīng),需做處理[4]。Prony 算法受噪聲干擾、參數(shù)選擇影響較大[5~6]。

        1989 年,Roy 和Kailath 提出了一種新的信號(hào)參數(shù)提取算法—ESPRIT(Estimating Signal Parameter via Rotational Invariance Techniques)算法,它基于子空間技術(shù),把待估計(jì)信號(hào)分解成信號(hào)子空間和噪聲子空間,通過信號(hào)空間估計(jì)出信號(hào)參數(shù)[7~8]。具有優(yōu)良的抗噪聲性能、高分辨率、良好的參數(shù)適應(yīng)性。ESPRIT 的思想是通過求旋轉(zhuǎn)算子φ得出信號(hào)的衰減和頻率,再由最小二乘(Least Square,LS)或總體最小二乘(Total Least Square,TLS)得出幅值和相位[9]。

        TLS - ESPRIT(Total Least Square - Estimating Signal Parameter via Rotational Invariance Techniques)是振蕩衰減正弦信號(hào)參數(shù)辨識(shí)、諧波恢復(fù)的有效工具[8]。目前已被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)陣列信號(hào)、語音信號(hào)、生物信號(hào)處理等場(chǎng)合,也正逐漸被引入到電力系統(tǒng)領(lǐng)域,如電壓閃變參數(shù)提取、低頻振蕩模式分析[8~11]。本文將TLS-ESPRIT 算法引入到電氣化鐵路諧波檢測(cè)中,從而為治理電氣化鐵路諧波污染奠定基礎(chǔ)。

        1 TLS-ESPRIT 算法[8,11]

        設(shè)信號(hào)x(n)由p 個(gè)幅值按指數(shù)函數(shù)變化的正弦分量和白噪聲組成,在采樣時(shí)刻n,可表達(dá)如下:

        ESPRIT 算法可由構(gòu)造觀測(cè)數(shù)據(jù)自相關(guān)和互相關(guān)矩陣、進(jìn)行特征值、奇異值分解來實(shí)現(xiàn),具體過程參見文獻(xiàn)[9]和[12]。由于該方法計(jì)算量較大,本文將通過由采樣數(shù)據(jù)序列構(gòu)造Hankel 矩陣來實(shí)現(xiàn)該算法,計(jì)算簡(jiǎn)單、快捷、易于實(shí)現(xiàn)。

        設(shè)有n 個(gè)采樣數(shù)據(jù)序列x(0),x(1),x(2),…x(n-1),構(gòu)造r×m 階Hankel 矩陣如下:

        式中,r>p,m>p;且滿足:r + m -1 = n。

        對(duì)H 矩陣進(jìn)行SVD 分解,有:

        式中,U 為r 階正交矩陣;∑為r×m 階對(duì)角陣,其對(duì)角元素由矩陣H 的奇異值作遞減排列得到;V為m 階正交矩陣,Vs、Vn分別與信號(hào)子空間和噪聲子空間對(duì)應(yīng)。

        令Vs作式(4)分解:

        則存在可逆陣P,使得[8,11]:

        求出P 的特征值即可估計(jì)出各信號(hào)分量的衰減和頻率[11],這可由總體最小二乘法(TLS)實(shí)現(xiàn)。

        令K = [V1,V2],對(duì)K 做SVD 分解,即K =,其中,將V3分塊成4 個(gè)p×p的子矩陣,有:

        則式(5)的總體最小二乘解為

        求得Ptls的特征值λi(i = 1,2,…p),則式(1)信號(hào)中所包含的各正弦分量的衰減因子、頻率計(jì)算:

        則式(1)中各信號(hào)分量的幅值、初相為

        至此,信號(hào)分量的各參數(shù)均已求出。

        2 評(píng)價(jià)指標(biāo)與計(jì)算步驟

        2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

        rms 反映了擬合模型輸出數(shù)據(jù)偏離原始采樣數(shù)據(jù)的程度,可作為擬合衡量指標(biāo)。無噪聲干擾下,其值越小,擬合效果越好,當(dāng)rms = 0 時(shí),擬合曲線和原始曲線完全重合;有噪聲時(shí),該值則與噪聲的均方差接近。

        2.2 TLS-ESPRIT 計(jì)算步驟

        TLS-ESPRIT 算法的完整實(shí)現(xiàn)步驟如下:

        (1)由測(cè)量、記錄裝置或時(shí)域仿真獲得采樣數(shù)據(jù)序列X = [x(0),x(1),x(2),…x(n-1)]。

        (2)由式(2)構(gòu)造r×m 階Hankel 矩陣H。

        (3)按照式(3)對(duì)H 進(jìn)行SVD 分解,并將右奇異向量V 分解成信號(hào)子空間Vs、噪聲子空間Vn。

        (4)由式(4)分解Vs,得到矩陣V1、V2。

        (5)由式(6),式(7)求得Ptls的特征值λi(i= 1,2,…p),再按照式(8)求出各分量的衰減因子ai、頻率fi。

        (6)根據(jù)式(9),式(10),求出各分量幅值ci、初相φi。

        (7)由式(11)評(píng)價(jià)擬合結(jié)果、做輔助分析。

        3 電氣化鐵路諧波

        3.1 諧波產(chǎn)生原因

        國(guó)內(nèi)電氣化鐵路采用工頻交流50 Hz三相供電單相用電,其牽引網(wǎng)供電電流為單相交流的電力牽引電流制,這種電流制在電力機(jī)車上將交流電降壓后整流以供應(yīng)直流牽引電動(dòng)機(jī)[2~4]。因此,當(dāng)三相電力系統(tǒng)向電氣化鐵路牽引負(fù)荷供電時(shí),電力機(jī)車可看作是波動(dòng)性很大的大功率單相整流負(fù)荷,這種高壓?jiǎn)蜗喾蔷€性負(fù)載,將會(huì)產(chǎn)生大量諧波,并作為諧波源,注入電網(wǎng)中,造成系統(tǒng)波形畸變,嚴(yán)重影響供電質(zhì)量、輸電效率和用電設(shè)備的使用壽命。

        3.2 電氣化鐵路諧波特點(diǎn)

        (1)電力機(jī)車產(chǎn)生的諧波源具有基波能量很大,其他各次諧波能量相對(duì)較低(主要是3 次、5次、7 次、11 次諧波)等特點(diǎn)。

        (2)交流側(cè)電流波形為鏡對(duì)稱,不含偶次諧波。

        (3)諧波含量會(huì)隨機(jī)車型號(hào)、數(shù)量、分布和運(yùn)行工況而有較大的變化。電氣化鐵道諧波比其它非線性負(fù)荷引起的諧波更為復(fù)雜。

        (4)由于電力機(jī)車的功率大,速度、負(fù)載狀況變化頻繁,因此牽引電網(wǎng)諧波含量高,同時(shí)還伴隨有負(fù)序電流。

        4 仿真測(cè)試

        本文根據(jù) 2.2 節(jié)的計(jì)算步驟編寫了TLS-ESPRT 算法計(jì)算程序。由電氣化鐵路諧波特點(diǎn),構(gòu)造了諧波信號(hào),并進(jìn)行以下仿真測(cè)試,以研究算法辨識(shí)電氣化鐵路諧波的性能。

        4.1 模式辨識(shí)

        若某信號(hào)解析表達(dá)式為

        y = 100exp(-0.2t)cos(2π×50t + π / 6) +2exp(-1.5t)cos(2π×250t + π / 5) + 5exp(-t)cos(2π×550t + π / 7) + 3exp(-4t)cos(2π×370t + π / 8) (12)

        該信號(hào)含基波、2 個(gè)諧波、1 個(gè)間諧波模式,取采樣頻率為 1 500 Hz,時(shí)間窗為 0.1 s,TLS-ESPRIT 對(duì)該信號(hào)的辨識(shí)結(jié)果和擬合曲線分別如表1 和圖1 所示。

        表1 TLS-ESPRIT 算法對(duì)測(cè)試信號(hào)各模式的辨識(shí)結(jié)果表

        表1 說明,在選取合適的采樣頻率和時(shí)間窗參數(shù)下,TLS-ESPRIT 算法能準(zhǔn)確辨識(shí)出基波、各次諧波、間諧波模式,分量5 由于其幅值接近于0,可忽略該分量。均方根接近于0,擬合曲線和實(shí)際曲線幾乎完全重合,說明TLS-ESPRIT 算法辨識(shí)諧波模式非常準(zhǔn)確。

        4.2 頻率分辨率

        設(shè)信號(hào)解析表達(dá)式如式(13)所示:

        式(13)中,含基波和2 個(gè)頻率相差0.02 Hz的諧波模式,TLS-ESPRIT 對(duì)該信號(hào)的辨識(shí)結(jié)果和擬合曲線如表2、圖2 所示。

        圖1 實(shí)際曲線及TLS-ESPRIT 辨識(shí)曲線圖

        圖2 實(shí)際曲線及TLS-ESPRIT 辨識(shí)曲線圖

        表2 TLS-ESPRIT 算法對(duì)頻率相近諧波信號(hào)辨識(shí)結(jié)果表

        可見,利用TLS-ESPRIT 算法可分辨出頻率差為0.02 Hz 的諧波分量(分量4 可忽略,解釋同上),具有較高的頻率分辨率,這對(duì)諧波測(cè)量意義重大。

        5 結(jié)論

        本文將TLS-ESPRIT 算法應(yīng)用到電氣化鐵路諧波檢測(cè)中,詳細(xì)闡述了其算法原理、評(píng)價(jià)指標(biāo)、計(jì)算步驟。用編寫的TLS-ESPRIT 算法程序?qū)π盘?hào)測(cè)試表明:在合適的采樣頻率和時(shí)間窗長(zhǎng)度下,TLS-ESPRIT 算法能準(zhǔn)確識(shí)別出各次諧波、間諧波模式,具有較高的頻率分辨率。進(jìn)而為進(jìn)一步治理電氣化鐵路諧波奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)然,TLS-ESPRIT算法辨識(shí)參數(shù)選擇、抗干擾問題也較為重要,這是本文的后續(xù)研究工作。

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