一种基于希尔伯特-黄变换和专家系统的鉴相方法及装置技术领域
本发明涉及一种基于希尔伯特-黄变换和专家系统的鉴相方法及装置，属于电气
工程技术领域。
背景技术
新发电厂并网，新变电站投产前，输变电工程扩建、改造或主设备大修后，竣工投
运现场经常要做核相试验，核相包括核对相序和核对相位。相序不正确将造成发电机无法
并网，电动机反转等严重事故，造成巨大生命财产损失。相位作为周期信号的三要素之一，
其精确检测对于核相工作具有重要意义。
目前，常用的相位检测方法包括过零检测法，波形变换法，瞬时值法等。过零检测
法的缺点是当被测信号频率波动时精度较低，误差大，不适合电力信号的相位检测；波形变
换法的缺点是对硬件要求特别高，需要滤波变换等多个过程，检测准确度较低；瞬时值法中
最常用的是离散傅里叶变换法(DFT)，该算法实现方便且无需整流滤波环节，但DFT存在频
谱泄漏问题，受电网频率波动和采样频率不匹配的影响会导致误差较大，且不具备时域分
辨率，不能反映信号瞬时频率随时间的变化情况，因而仅适用于分析平稳信号。
现阶段，核相工作大多采用多人协调配合、多次测量、人工对电压进行比对的方
式，工作量大且效率低下。而且当核相发现问题时，往往需要试验人员依据自身经验进行分
析判断，这不仅潜在地增加了工作人员的工作强度，降低了工作效率，对工作人员的技能水
平要求较高，对存在问题判断也较为困难，存在潜在的出错风险。
通过以上分析，可以发现现有的核相方法及装置精度较差，效率低下，不够智能
化。基于此，有必要提出一种精度高、适用范围广、智能化的鉴相方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于希尔伯特-黄变换和专家系统的
鉴相方法及装置。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种基于希尔伯特-黄变换和专家系统的鉴相方法，包括以下步骤，
步骤1，对任意给定的多路待测电压信号进行采样；
步骤2，对多路采样信号进行希尔伯特-黄变换，得到多路待测电压信号的瞬时幅
值、相位和频率；
步骤3，根据预设的专家系统进行智能匹配，实现多路待测电压信号相序相位关系
的自动鉴定。
步骤1的具体过程为，
S11，预设核相参数；
S12，引入任意给定的多路待测电压信号；
S13，对任意给定的多路待测电压信号进行采样，得到采样信号。
3、根据权利要求2所述的一种基于希尔伯特-黄变换和专家系统的鉴相方法，其特征
在于：核相参数包括待核相数n、电压等级U、最大允许电压误差KU以及最大允许相位误差
步骤2的具体过程为，
S21，对采样信号信号进行经验模态分解得出一列本征模态函数；
S22，对本征模态函数进行希尔伯特变换，得到对应待测电压信号的瞬时幅值、相
位及频率。
S21的具体过程为，
S211，设待测电压信号u(t)，测电压信号u(t)的采样信号Xn(t)，由采样信号Xn(t)
求得待测电压信号u(t)的所有局部极点，通过三次样条差值函数分别拟合待测电压信号u
(t)的极大值和极小值，形成待测电压信号u(t)的上包络线和下包络线，求出上下包络线的
平均值m(t)，用待测电压信号u(t)的原数据序列和m(t)作差，得到一个分量为h1(t)，即
u(t)-m(t)＝h1(t)
S212，判断h1(t)是否满足本征模态函数条件，若不满足，则将h1(t)视为新的待测
电压信号，重复S211直到第k次满足本征模态函数条件为止，得到hk(t)，记c1＝h1(t)为本征
模态函数的第一个分量，残余分量为r1＝u(t)-c1；
S213，将r1作为新的待测电压信号，重复S211和S212的过程，得到本征模态函数的
第二个分量c2，残余分量为r2＝r1-c2；
以此类推，得到n个满足本征模态函数条件的残余分量r1＝u(t)-c1,r2＝r1-c2,…,
rn＝rn-1-cn；
S214，当rn不能再被提取本征模态函数分量时，分解过程结束，待测电压信号u(t)
可表示为，
本征模态函数满足以下条件，
A)整个信号数据的极值点与零点个数相等或相差为1；
B)在任意点上，信号数据序列局部的极大值与局部极小值所形成的包络线均值需
为零，即信号局部关于横轴对称。
S22的具体过程为，
S221，设待测电压信号进行经验模态分解后的本征模态函数n分量u1(t)，对u1(t)
进行希尔伯特变换；
其中，函数u1(t)的希尔伯特变换可看成函数u1(t)和1/πt的卷积；
S222，求u1(t)的解析信号z(t)；
z(t)＝u1(t)+jH[u1(t)]＝A(t)ejθ(t)
其中，为瞬时幅值，为瞬
时相位，瞬时频率
步骤3的具体过程为，
S31，根据瞬时幅值、相位和频率，确定多路待测电压信号基波分量在同一时刻t0
的幅值A(t0)和相位θ(t0)；
S32，计算出t0时刻多路待测电压信号间的相位差；
S33，根据电压等级U、最大允许电压误差KU及幅值A(t0)，确定待测电压信号幅值是
否均在允许范围内，若不再允许范围内，则输出线路存在故障，否则转入下一步；
S34，根据待核相数n及幅值A(t0)，确定并输出待测电压信号中是否有中性线和中
性线编号；
S35，根据最大允许相位误差将相位差与专家系统内部的专家知识库匹配，输
出各路待测电压信号的同相编号及正负序关系的步骤。
一种基于希尔伯特-黄变换和专家系统的鉴相装置，包括信号采集单元、希尔伯
特-黄分析单元、智能核相单元和人机交互单元；
信号采集单元用以对多路待测电压信号进行采样，得到多路采样信号；
希尔伯特-黄分析单元用以对多路采样信号进行希尔伯特-黄变换，得到多路待测
电压信号的瞬时幅值、相位和频率；
智能核相单元用以运行专家系统，实现多路待测电压信号相序相位关系的自动鉴
定；
人机交互单元用以设置核相参数及输出自动核相结果。
本发明所达到的有益效果：本发明对待测电压信号进行经验模态分解(EMD)，采用
希尔伯特变换(HT)求取已分解的固有模态函数的瞬时幅值、相位和频率，从而确定待测电
压信号的基波瞬时相位；为了实现自动鉴相，建立了专家系统对所测相位差进行自主分析，
从而确定所述多路待测电压信号的相序相位关系；能显著提高核相精度及核相效率，减少
现场工作人员的工作量，提高电网智能化水平。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明方法的具体流程图。
图3为本发明装置的原理框图。
图4为本发明装置的详细结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明
的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，一种基于希尔伯特-黄变换和专家系统的鉴相方法，包括以下步
骤：
步骤1，对任意给定的多路待测电压信号进行采样。
任意给定的多路待测电压信号一般为6路(三相制)或8路(三相四线制)电力线路
信号，需要经过互感器隔离、变换成幅值较小的模拟电压信号，经采样后得到的是数字信
号。
具体过程如下：
S11，预设核相参数。
核相参数包括待核相数n、电压等级U、最大允许电压误差KU以及最大允许相位误
差其中，最大允许电压误差KU以及最大允许相位误差可根据电力系统运行规程中
规定的最大允许电压偏移、并网时同相最大允许相位差确定，也可以由运行人员根据实际
工程经验自行设置该参数，以达到更好核相效果
S12，引入任意给定的多路待测电压信号。
S13，对任意给定的多路待测电压信号进行采样，得到采样信号。
步骤2，对多路采样信号进行希尔伯特-黄变换，得到多路待测电压信号的瞬时幅
值、相位和频率。
具体过程如下：
S21，对采样信号信号进行经验模态分解得出一列本征模态函数；过程如下：
S211，设待测电压信号u(t)，测电压信号u(t)的采样信号Xn(t)，由采样信号Xn(t)
求得待测电压信号u(t)的所有局部极点，通过三次样条差值函数分别拟合待测电压信号u
(t)的极大值和极小值，形成待测电压信号u(t)的上包络线和下包络线，求出上下包络线的
平均值m(t)，用待测电压信号u(t)的原数据序列和m(t)作差，得到一个分量为h1(t)，即
u(t)-m(t)＝h1(t)
S212，判断h1(t)是否满足本征模态函数条件，若不满足，则将h1(t)视为新的待测
电压信号，重复S211直到第k次满足本征模态函数条件为止，得到hk(t)，记c1＝h1(t)为本征
模态函数的第一个分量，残余分量为r1＝u(t)-c1；
S213，将r1作为新的待测电压信号，重复S211和S212的过程，得到本征模态函数的
第二个分量c2，残余分量为r2＝r1-c2；
以此类推，得到n个满足本征模态函数条件的残余分量r1＝u(t)-c1,r2＝r1-c2,…,
rn＝rn-1-cn；
S214，当rn不能再被提取本征模态函数分量时，分解过程结束，待测电压信号u(t)
可表示为，
S22，对本征模态函数进行希尔伯特变换，得到对应待测电压信号的瞬时幅值、相
位及频率；过程如下：
S221，设待测电压信号进行经验模态分解后的本征模态函数n分量u1(t)，对u1(t)
进行希尔伯特变换；
其中，函数u1(t)的希尔伯特变换可看成函数u1(t)和1/πt的卷积；
S222，求u1(t)的解析信号z(t)；
z(t)＝u1(t)+jH[u1(t)]＝A(t)ejθ(t)
其中，为瞬时幅值，为瞬
时相位，瞬时频率
经验模态分解(EMD)往往被称为是一个“筛选”的过程，这个筛选过程依据信号特
点自适应地把任意一个复杂信号分解为一列本征模态函数(IMF)，本征模态函数满足以下
条件：
A)整个信号数据的极值点与零点个数相等或相差为1；
B)在任意点上，信号数据序列局部的极大值与局部极小值所形成的包络线均值需
为零，即信号局部关于横轴对称。
步骤3，根据预设的专家系统进行智能匹配，实现多路待测电压信号相序相位关系
的自动鉴定。
具体过程如下：
S31，根据瞬时幅值、相位和频率，确定多路待测电压信号基波分量在同一时刻t0
的幅值A(t0)和相位θ(t0)；
S32，计算出t0时刻多路待测电压信号间的相位差；
S33，根据电压等级U、最大允许电压误差KU及幅值A(t0)，确定待测电压信号幅值是
否均在允许范围内，若不再允许范围内，则输出线路存在故障，否则转入下一步；
S34，根据待核相数n及幅值A(t0)，确定并输出待测电压信号中是否有中性线和中
性线编号；
输出为“无中性线”或“有中性线，中性线的编号为i，j(i＝1，2，3，4；j＝5，6，7，
8)”；
S35，根据最大允许相位误差将相位差与专家系统内部的专家知识库匹配，输
出各路待测电压信号的同相编号及正负序关系的步骤；
专家知识库来源于对实际工程中各种可能的接线方式的总结，相位差与专家知识
库的匹配输出为：“A相为i，j；B相为i，j；C相为i，j、A-B-C为正序/负序关系”。
如图3、图4所示为基于上述方法鉴相装置的原理框图和结构图，主要包括信号采
集单元、希尔伯特-黄分析单元、智能核相单元和人机交互单元。
希尔伯特-黄分析单元内置于装置MCU中，用以对多路采样信号进行希尔伯特-黄
变换，得到多路待测电压信号的瞬时幅值、相位和频率。智能核相单元内置在装置MCU模块
中，用以运行专家系统，实现多路待测电压信号相序相位关系的自动鉴定。
信号采集单元用以对多路待测电压信号进行采样，得到多路采样信号；具体包括
依次连接的互感器、整型模块和A/D模块，A/D模块与MUC模块连接；可选择6路或8路输入，既
适用于三相制又适用于三相四线制系统核相工作，输入信号一般取自实际电网电压互感器
二次侧，如果是8路输入，前后四组互感器分别采用Y/Y接线方式。
人机交互单元用以设置核相参数及输出自动核相结果；可显示待核电网两侧的电
压相序图。
上述鉴相装置采用了基于希尔伯特-黄变换和专家系统相结合的鉴相方法，可实
现电压相位的精确测量及相序相位关系的自主判断，适用范围广，操作方便，人机界面友
好。
本发明对待测电压信号进行经验模态分解(EMD)，采用希尔伯特变换(HT)求取已
分解的固有模态函数的瞬时幅值、相位和频率，从而确定待测电压信号的基波瞬时相位；为
了实现自动鉴相，建立了专家系统对所测相位差进行自主分析，从而确定所述多路待测电
压信号的相序相位关系；能显著提高核相精度及核相效率，减少现场工作人员的工作量，提
高电网智能化水平。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人
员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形
也应视为本发明的保护范围。