[發明專利]一種基于VMD和HMM的電能質量擾動信號分類識別方法

在審

• 申請號: 202210754420.3
• 申請日: 2022-06-29
• 公開（公告）號: CN115186704A
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 向慕超;凌在汛;孫朝霞;顧一鳴;崔一鉑;馬凌峰;劉曼佳;成誠;金太;金晨;焦海文;沈駿杰
• 申請（專利權）人: 國網湖北省電力有限公司電力科學研究院;國網湖北省電力有限公司襄陽供電公司;湖北方源東力電力科學研究有限公司
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G01R31/00
• 代理公司: 武漢楚天專利事務所 42113
• 代理人: 孔敏

1.一種基于VMD和HMM的電能質量擾動信號的識別方法，其特征包括以下步驟：

步驟一、通過仿真生成不同擾動類型的信號，按照一定的比例將信號分為訓練數據和測試數據，并將每種信號進行VMD分解，分解層數為4層；

步驟二、計算各層IMF的能量值E組成特征向量，離散化后作為觀測序列；

步驟三、根據不同的擾動類型單獨訓練HMM，得到HMM模型庫；

步驟四、將測試數據進行處理后得到的觀測序列輸入訓練好的HMM庫中，求解序列在每一個模型下所對應的對數似然概率值，輸出最大對數似然的HMM所對應的擾動類型就是當前擾動信號的類型。

2.根據權利要求1所述一種基于VMD和HMM的電能質量擾動信號的識別方法，其特征在于：所述不同擾動類型的信號包括諧波(S1)、電壓暫降(S2)、電壓暫升(S3)、電壓中斷(S4)這四種單一擾動信號，以及暫降+諧波(S5)、暫升+諧波(S6)這兩種復合擾動信號，共計6種擾動信號的波形，通過MATLAB軟件仿真生成。

3.根據權利要求2所述一種基于VMD和HMM的電能質量擾動信號的識別方法，其特征在于：所述步驟一中VMD分解流程具體為：

VMD分解得到的模態分量表達式為：

u_k(t)＝A_kcos(φ_k(t)) (1)

式中，A_k表示為IMF的瞬時幅值，也被稱為包絡函數；φ_k(t)表示為模態分量的相位；u_k(t)為調制解調信號；

利用Hilbert變換求解出各個IMF所相應的解析信號，并計算其單側頻譜如下：

式中，δ(t)代表沖擊函數，通過指數函數與單邊譜相乘的方式以調整各個IMF的中心頻率，并將其頻譜調制至所對應的基頻帶上：

基于高斯平滑估計法對解調信號各分量的帶寬進行估算，也就是平方范數，得到VMD的約束變分模型為：

其中：K表示模態的個數，{u_k}＝{u₁,u₂,...,u_k}為信號f(t)分解得到的各IMF的集合，{w_k}＝{w₁,w₂,...,w_k}表示與各IMF所對應的中心頻率的集合；引入二次懲罰因子α和拉格朗日算子λ，將上述帶有約束的變分問題轉變為非約束性的變分問題，以獲取模型的最優解，具體方程式為：

其中表示內積運算，根據乘子交替方向法對上述變分問題進行求解，得到模型的極小值點，即通過迭代更新u_kⁿ⁺¹、w_kⁿ⁺¹、λⁿ⁺¹搜索求解上述表達式的“鞍點”，得到的表達式：

其中，n表示迭代次數，根據Parseval/Plancherel將式(6)變換到頻域內，進一步求得：

同理，將中心頻率進行類似優化求解，得：

式中，代表的維納濾波，是當前IMF的中心頻率，對進行FT逆變換，得到實數部分u_k(t)，從而得到各個IMF的時域形式。