電弧爐電流信號檢測中抑制諧波及間諧波噪聲的方法與流程

本發(fā)明屬于電力工業(yè)諧波及間諧波的檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種電弧爐電流信號檢測中抑制諧波及間諧波噪聲的方法。

背景技術(shù)：

非線性元件的大量使用，使電網(wǎng)面臨嚴(yán)重的諧波污染，既有與基波成整數(shù)倍的諧波，又有與基波成非整數(shù)倍的間諧波。對諧波及間諧波的準(zhǔn)確檢測，有助于分析電網(wǎng)諧波及治理諧波。在檢測工作中信號中的噪聲干擾會影響諧波及間諧波檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，抑制諧波及間諧波檢測中的噪聲干擾，能夠改善檢測精度，為后續(xù)的諧波分析及治理打下良好基礎(chǔ)。檢測信號中經(jīng)常伴有隨機(jī)噪聲，若信噪比較低，直接對檢測信號進(jìn)行分析勢必會影響精度。因此，分析諧波及間諧波信號時(shí)，對噪聲的抑制極為重要。故需進(jìn)行對檢測信號中噪聲抑制的研究，確保在諧波及間諧波分析中所使用數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

頻率切片小波變換(frequency slice wavelet transform，F(xiàn)SWT)是一種對信號進(jìn)行時(shí)頻化處理的過程，能夠揭示檢測信號在時(shí)域和頻域兩個方面包含的信息。FSWT通過引入在時(shí)域和頻域均具有對稱結(jié)構(gòu)的頻率切片函數(shù)，使其時(shí)頻窗口中心成為頻率觀測中心，且FSWT的時(shí)頻分辨率可以通過尺度因子靈活調(diào)節(jié)，其逆變換也不再依賴于所選的切片函數(shù)，在時(shí)頻空間中能夠進(jìn)行時(shí)頻區(qū)域的自由切割與信號重構(gòu)。它能將噪聲信號與諧波、間諧波信號在時(shí)頻域分布的差異展示出來，詳細(xì)刻畫噪聲與有用信號在時(shí)域和頻域的變化特征，因此，頻率切片小波變換為諧波及間諧波檢測中抑制噪聲干擾提供可能。

設(shè)為P(t)的傅里葉變換，稱為頻率切片函數(shù)，對于任意信號f(t)∈L²(R)(L²(R)為平方可積空間)，其在頻域中的FSWT為：

式(1)中：“*”表示函數(shù)共軛；尺度因子δ(δ≠0)為常數(shù)或t,w和u的函數(shù)，t,w分別為觀測時(shí)間與觀測頻率，u為估計(jì)頻率。

設(shè)尺度因子δ＝w/k，k＞0，則式(1)變?yōu)椋?/p>

式(2)中：k稱為時(shí)頻分辨系數(shù)或動態(tài)尺度，用來控制FSWT對頻率或時(shí)間的靈敏度。

k可由式(3)獲得：

式(3)中：Δw_p為頻率切片函數(shù)的頻窗寬度，η_s為待測信號的頻率分辨比率。增大η_s可以提高時(shí)間分辨率，反之提高頻率分辨率。

在信號f(t)的時(shí)頻變換區(qū)間內(nèi)，通過選擇時(shí)頻切片(t₁,t₂,w₁,w₂)即可重構(gòu)分離所需的信號，即FSWT逆變換為：

常用的兩種頻率切片函數(shù)及其時(shí)域表達(dá)式為：

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種電弧爐電流信號檢測中抑制諧波及間諧波噪聲的方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題是采取以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種電弧爐電流信號檢測中抑制諧波及間諧波噪聲的方法，包括步驟如下：

(1)利用頻率切片小波變換技術(shù)獲取電弧爐電流信號的時(shí)頻分布，

建立頻率切片函數(shù)的選擇機(jī)制，由海森伯格不確定性原理可得：

μ＝ΔtΔw (1)

式中：Δw＝δΔw_P，Δt_P、Δw_p分別為頻率切片函數(shù)的時(shí)窗、頻窗寬度，δ為尺度因子，μ為大于等于0.5的一個常數(shù)。

利用公式(1)比較兩種頻率切片小波函數(shù)的時(shí)間-帶寬積，值分別為0.5和0.86，由此確定最優(yōu)的頻率切片小波函數(shù)為即高斯函數(shù)，利用該高斯函數(shù)對實(shí)測電弧爐電流信號進(jìn)行頻率切片小波變換，獲取時(shí)頻分布圖；

(2)根據(jù)噪聲信號與諧波、間諧波信號時(shí)頻分布的差異，選擇時(shí)頻區(qū)域進(jìn)行細(xì)化分析，

建立頻率細(xì)化原則，在時(shí)頻區(qū)域上，觀察諧波及間諧波信號分布，將頻率間距5Hz以內(nèi)的諧波、間諧波信號劃分在同一區(qū)域，將頻率間距大于5Hz的諧波、間諧波信號單獨(dú)劃分區(qū)域，獲取時(shí)頻細(xì)化分布圖；

(3)分區(qū)域重構(gòu)分離出諧波及間諧波信號，得到抑制噪聲干擾后的電弧爐電流信號圖，

根據(jù)上述步驟(2)的頻率細(xì)化原則分區(qū)域重構(gòu)信號，提取各諧波及間諧波分量，將提取的各諧波及間諧波分量進(jìn)行時(shí)域組合，得到抑制噪聲干擾后的電弧爐電流信號圖。

而且，所述步驟(2)中獲取的時(shí)頻細(xì)化分布圖是選取[0,200]Hz時(shí)頻區(qū)間進(jìn)行細(xì)化分析得到的時(shí)頻細(xì)化分布圖。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

本發(fā)明的諧波及間諧波檢測中抑制噪聲干擾的頻率切片小波變換方法，對頻率切片函數(shù)建立選擇機(jī)制，通過分析電弧爐電流數(shù)據(jù)，利用頻率切片小波變換技術(shù)獲取信號的時(shí)頻分布，根據(jù)噪聲信號與有用信號時(shí)頻特征差異，以及建立的頻率細(xì)化原則，把能表征諧波及間諧波的時(shí)頻區(qū)間進(jìn)行細(xì)化分析，分區(qū)域重構(gòu)提取出諧波及間諧波信號，排除了噪聲等無關(guān)因素對檢測信號質(zhì)量的影響，具有方法科學(xué)、合理、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中實(shí)測電弧爐電流數(shù)據(jù)圖；

圖2是本發(fā)明中獲取的電弧爐電流信號的時(shí)頻分布圖；

圖3是本發(fā)明中0～200Hz區(qū)間的時(shí)頻細(xì)化分析圖；

圖4是本發(fā)明對10～35Hz區(qū)間的信號重構(gòu)圖；

圖5是本發(fā)明方法對35～60Hz區(qū)間的信號重構(gòu)圖；

圖6是本發(fā)明方法對100～150Hz區(qū)間的信號重構(gòu)圖；

圖7是本發(fā)明抑制噪聲干擾后的電弧爐電流信號圖；

圖8是本發(fā)實(shí)測電弧爐信號與抑制噪聲干擾后的電弧爐信號的局部波形對比圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例做進(jìn)一步詳述，需要強(qiáng)調(diào)的是，以下實(shí)施方式是說明性的，而不是限定性的，不能以此實(shí)施方式作為對本發(fā)明的限定。

一種電弧爐電流信號檢測中抑制諧波及間諧波噪聲的方法，包括方法步驟如下：

(1)利用頻率切片小波變換技術(shù)獲取電弧爐電流信號的時(shí)頻分布

建立頻率切片函數(shù)的選擇機(jī)制，由海森伯格不確定性原理可得：

μ＝ΔtΔw (1)

式中：Δw＝δΔw_P，Δt_P、Δw_p分別為頻率切片函數(shù)的時(shí)窗、頻窗寬度，δ為尺度因子，μ為大于等于0.5的一個常數(shù)。利用公式(1)來比較兩種頻率切片小波函數(shù)的時(shí)間-帶寬積，確定最優(yōu)的頻率切片小波函數(shù)；

在本發(fā)明的具體實(shí)施中，確定最優(yōu)的頻率切片小波函數(shù)為為即高斯函數(shù)，利用高斯函數(shù)對圖1中的實(shí)測電弧爐電流信號進(jìn)行頻率切片小波變換，獲取的時(shí)頻分布圖，見圖2。

(2)根據(jù)噪聲信號與諧波、間諧波信號時(shí)頻分布的差異，選擇時(shí)頻區(qū)域進(jìn)行細(xì)化分析

現(xiàn)場常見的噪聲信號主要是隨機(jī)噪聲，隨機(jī)噪聲的能量較為分散，其均勻分布在時(shí)頻面上。諧波及間諧波信號在時(shí)頻面上能量較為集中，表現(xiàn)為沿時(shí)間軸的連續(xù)分布。利用上述信號間的時(shí)頻分布差異，選取時(shí)頻細(xì)化區(qū)域進(jìn)行細(xì)化分析，削弱噪聲頻率的干擾，來突出有用信號時(shí)頻特征。

建立頻率細(xì)化原則，在時(shí)頻區(qū)域上，觀察諧波及間諧波信號分布，將頻率間距5Hz以內(nèi)的諧波、間諧波信號劃分在同一區(qū)域，反之對頻率間距大于5Hz的諧波、間諧波信號單獨(dú)劃分區(qū)域；

在本發(fā)明的具體實(shí)施中，觀察步驟(1)中得到的時(shí)頻分布圖，大于200Hz時(shí)頻區(qū)間上的分布無明顯規(guī)律，即噪聲干擾主要集中于此，在[0,200]Hz區(qū)間存在明顯且穩(wěn)定的沿時(shí)間軸的時(shí)頻分布，即諧波及間諧波主要集中于此，因此，選取[0,200]Hz時(shí)頻區(qū)間進(jìn)行細(xì)化分析，獲取時(shí)頻細(xì)化分布圖，見圖3。

(3)分區(qū)域重構(gòu)分離出諧波及間諧波信號，得到抑制噪聲后的諧波及間諧波信號分量，

在本發(fā)明的具體實(shí)施中，根據(jù)上述步驟(2)的頻率細(xì)化原則分區(qū)域重構(gòu)信號，提取各諧波及間諧波分量，如圖4-圖6所示，劃分時(shí)頻區(qū)域，然后將提取的各諧波及間諧波分量進(jìn)行時(shí)域組合，得到抑制噪聲干擾后的電弧爐電流信號，見圖7。將實(shí)測電弧爐信號與抑制噪聲干擾后的電弧爐信號的局部波形進(jìn)行對比，見圖8，比較圖1、圖7、圖8不難看出，噪聲干擾得到了很好的抑制，既排除了噪聲等無關(guān)因素對檢測信號質(zhì)量的影響，又能夠降低分析多分量諧波信號的難度。