CN103323032B - 带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法，在固定周期内对输入信号进行采样，采样数据按照采样时间先后依次移入带死区单元B的双滑动窗内，同时将滑动窗A和C内的数据进行平均，分别计算滑动窗A和C的平均值，并计算两滑动窗平均值的差值，作为输入信号的突变值；输入信号发生突变后，经过一个滑动窗时间的滑动后，能马上检测识别出此突变值。本发明通过适当设置两滑动窗平均值的差值和滑动窗口长度，可以准确实现有突变持续时间检测要求的突变检测要求。

Description

带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法

技术领域

本发明涉及阶跃信号检测方法，尤其是一种带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法。

背景技术

在光伏并网发电系统中，产生的漏电流突然产生阶跃变化，这些产生突变的漏电流对光伏并网逆变器会产生危害，当漏电流产生一定的阶跃突变时，需要对并网逆变器脱网保护。具体的说当漏电流突变值（即突变前后的差值）高于特定值且突变持续一定时间的突变现象进行检测，对并网逆变器脱网保护具有重要作用。即当漏电流检测保护有阶梯时间要求时，当阶跃突变持续时间为T1且漏电流突变值超过I1、在阶跃突变持续时间为T2且漏电流突变值超过I2……在阶跃突变持续时间为Tn时间且漏电流突变值超过In应能实现检测，以对并网逆变器进行保护。

传统的滑动窗滤波，一般采用单个滑动窗口进行滤波，用于抑制干扰信号、突变信号。如图1所示，采样数据依次从右到左经过滑动窗口，输入信号在t1时刻发生阶跃变化，整个滤波输出过程为：t1时刻前，滤波结果为y1；在t1～t3一个滤波窗口时间内，滤波数据为一个渐变的数值，在t1～t3时间内，任取一个t2时刻，则滤波输出结果为

t3时刻以后，滤波输出结果为y2。采用传统的滑动窗滤波，在信号发生阶跃前后，滑动窗滤波将阶跃信号便得平滑，无法准确的检测出信号阶跃突变值（突变前后的差值），只能检测出阶跃前后的平均值，会出现误检测现象。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法。

本发明采用以下方案实现：一种带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：提供一数字滤波器，所述数字滤波器依次设置一数组A、一死区单元B和一数组C；所述数组A包含至少一个存储单元a（1）、a（2)……a（n），n为正整数且n≥1，所述数组C包含至少一个存储单元c（1）、c（2)……c（m），m为正整数且m≥1，所述数字滤波器还设置一第一存储单元；

S02：将所述数组A、死区单元B和数组C清零，并将一突变值△ref存入所述第一存储单元；

S03：在当前采样周期内，所述数字滤波器采样模拟信号，并将所述模拟信号转换成数字信号；

S04：将所述依次设置的数组A、死区单元B和数组C中后一个存储单元的数值移入相邻前一存储单元中，并将所述数字信号存储至数组C的最后一个存储单元c(m)中；或者将所述依次设置的数组A、死区单元B和数组C中前一个存储单元的数值移入相邻后一存储单元中，并将所述数字信号存储至数组A的第一个存储单元a(1)中；

S05：对所述数组C的各个存储单元c(1)、c(2)…c(m)中的数值取平均值

对所述数组A的存储单元a(1)、a(2)…a(n)中的数值取平均值

计算

与的差值 ${\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{ave}}=|{\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{lave}}-{\stackrel{\‾}{y}}_{2\mathrm{ave}}|;$

S06：将所述突变值△ref与

进行比较，当

时，产生一保护信号；

S07：返回步骤S03。

在本发明一实施例中，还包括一第二存储单元、一第三存储单元和一第四存储单元，所述第二存储单元用于存储

所述第三存储单元用于存储

所述第四存储单元用于存储

在本发明一实施例中，还包括一保护单元，用以根据所述保护信号对设备进行保护。

在本发明一实施例中，所述死区单元B包含至少一个存储单元。

在本发明一实施例中，所述的模拟信号为电压信号、电流信号、功率信号、频率信号或温度信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）能有效解决在指定时间内突变值超过指定值的检测要求。

（2）能够有效滤除干扰信号，不会出现误检测；

通过双滑动窗内的数据取平均值,即数组C的各个存储单元c(1)、c(2)…c(m)中的数值取平均值对所述数组A的存储单元a(1)、a(2)…a(n)中的数值取平均值

计算

对于个别的干扰信号、短时间的突变信号能起到平均滤波的作用，从而能对误信号进行排除，避免误检测的发生。

（3）通过设置多个的数组A、数组B、死区单元C，能够灵活实现检测多个突变指定值及突变持续时间。

（4）双滑动窗口中间引入一个检测死区单元，用于抑制突变持续时间检测误差，在死区单元时间内维持突变值，保证MCU能识别此突变。

附图说明

图1是现有技术采用单个滑动窗口进行滤波的示意图。

图2是本发明采用带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法的流程图。

图3是本发明带死区单元双滑动窗的地址编号示意图。

图4是本发明在t1时刻前，采集数据进入双滑动窗的示意图。

图5是本发明在t1～t2时刻，采集数据进入双滑动窗的示意图。

图6是本发明在t2～t3时刻，采集数据进入双滑动窗的示意图。

图7是本发明在t3～t4时刻，采集数据进入双滑动窗的示意图。

图8是本发明检测到突变值的示意图。

图9是本发明检测到突变值和采用传统滤波方法检测到突变值的对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法，包括以下步骤：

S01：提供一数字滤波器，所述数字滤波器依次设置一数组A、一死区单元B和一数组C；所述数组A包含至少一个存储单元a（1）、a（2)……a（n），n为正整数且n≥1，所述数组C包含至少一个存储单元c（1）、c（2)……c（m），m为正整数且m≥1，所述数字滤波器还设置一第一存储单元；

S02：将所述数组A、死区单元B和数组C清零，并将一突变值△ref存入所述第一存储单元；

S03：在当前采样周期内，所述数字滤波器采样模拟信号，并将所述模拟信号转换成数字信号；

S04：将所述依次设置的数组A、死区单元B和数组C中后一个存储单元的数值移入相邻前一存储单元中，并将所述数字信号存储至数组C的最后一个存储单元c(m)中；或者将所述依次设置的数组A、死区单元B和数组C中前一个存储单元的数值移入相邻后一存储单元中，并将所述数字信号存储至数组A的第一个存储单元a(1)中；

S05：对所述数组C的各个存储单元c(1)、c(2)…c(m)中的数值取平均值对所述数组A的存储单元a(1)、a(2)…a(n)中的数值取平均值

计算

与

的差值 ${\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{ave}}=|{\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{lave}}-{\stackrel{\‾}{y}}_{2\mathrm{ave}}|;$

S06：将所述突变值△ref与

进行比较，当

时，产生一保护信号；

S07：返回步骤S03。

在本发明一实施例中，还包括一第二存储单元、一第三存储单元和一第四存储单元，所述第二存储单元用于存储

所述第三存储单元用于存储

所述第四存储单元用于存储

还包括一保护单元，用以根据所述保护信号对设备进行保护；所述死区单元B包含至少一个存储单元；所述的模拟信号为电压信号、电流信号、功率信号、频率信号或温度信号等。

本发明对于个别的干扰信号、短时间的突变信号能起到平均滤波的作用，从而能对误信号进行排除，避免误检测的发生。由于采用固定周期T采样的方式，存在一个采样周期T的检测误差，为保证能在特定的检测周期内检测出突变的发生，本发明在双滑动窗口中间引入一个检测死区单元，用于抑制突变持续时间检测误差。

当突变发生在采样检测周期最末时刻（即下一个采样检测周期的起始时刻），此时突变持续时间的检测误差最小为0，当突变发生在采样检测周期的初始阶段（采样检测完成时刻），此时突变持续时间的检测误差最大，为一个采样检测周期T，因此能将检测的时间误差控制在0～T的范围内，保证了突变持续时间检测精度。

如图2所示，本发明中的数字滤波器首先对滑动窗进行清零处理并开始进行采集数据，然后将数组A、死区单元B和数组C中的数据依次向左移动一位（或依次向右移动一位）并将采集到的数据移入数组C的最后一个存储单元（或数组A的第一个存储单元）；分别计算

和

（并分别存入第二存储单元和第三存储单元中），然后根据

和

计算

（并存入第四存储单元中），最后将突变值△ref与

进行比较，当

时，产生一突变信号，然后以此循环重新开始采集数据并处理。

下面举例说明上述检测步骤如何实现突变值的检测和突变持续时间的检测：

如图3所示，假定输入信号初始值为y1，在t1时刻发生突变，突变后的值为y2，且y2>y1，数组A和数组C的长度均为n，n为正整数且n≥2，死区单元B的长度为1，不妨假定数组A地址编号依次为-n，……，-1；死区单元B地址编号为0；数组B地址编号依次为1，……，n。

如图4所示，在t1时刻前，输入信号已经根据时间先后顺序，依次由右向左装载入数组C、死区单元B和数组A内；此时，根据上述的检测计算方法，

差值 ${\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{ave}}=|{\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{lave}}-{\stackrel{\‾}{y}}_{2\mathrm{ave}}|=0.$

如图5所示，在t1～t2时刻，阶跃变化后的信号采样数值开始进入数组C，

其中k为阶跃变化数据移进数组C的单元数；差值

由此可以看出，随着k的增大，

也将相应增大。

如图6所示，在t2～t3时刻，阶跃变化后的信号采样数值进入死区单元B时，（即k=n时），则有

此时

可以看出，在突变发生后的n*T时间内，检测出阶跃变化值，T为一个采样计算周期。

如图7所示，在t3～t4时刻，阶跃变化后的信号采样数值开始进入数组A后， ${\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{lave}}=y1+\frac{k}{n}\×(y2-y1),$

差值为： ${\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{ave}}=|{\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{lave}}-{\stackrel{\‾}{y}}_{2\mathrm{ave}}|=\frac{n-k}{n}\×(y2-y1),$ 随着k的增大，

也将相应减小。

在t4时刻之后，阶跃变化后的信号采样数值完全进入数组A后， 差值 ${\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{ave}}=|{\stackrel{\‾}{y}}_{\mathrm{lave}}-{\stackrel{\‾}{y}}_{2\mathrm{ave}}|=0.$

如图8所示，从上述变化过程可以看出：当输入信号在t1时刻发生突变后，检测到的突变值如图8所示变化，在t2～t3时间段，检测到的突变值与实际突变值相等，t1～t2、t3～t4时间段，检测到的突变值小于t1时刻突变值。

如图9所示，实际信号在t1、t5、t8三个时刻发生阶跃现象，其中t1或t8时刻发生阶跃现象，因阶跃变化差值小于设定值，为允许范围内的突变现象，不需要产生保护动作及告警提示，不需要检测，而t5时刻发生阶跃现象需要检测。本发明方法，在t5时刻发生突变，在t6～t7时刻检测到突变值达到设定比较值，产生一保护信号。

在t1或t8时刻，输入信号发生突变，在t2～t3时刻，检测出此突变，其突变变化值小于设定比较值，此突变为允许范围内的突变，本发明方法检测到突变值未达到设定比较值，不产生一保护信号，而采用传统的方法，由于初始值的原因，传统方法检测到达到比较值，造成误检测。

采用本发明的方法，输出值为突变值，易于简化判断。

死区单元的增加，使得突变值能维持死区单元的时间，可以实现：①控制检测时间误差在死区单元时间内；②在死区单元时间内维持突变值，保证MCU能识别此突变。

在光伏并网发电系统中，对漏电流不同范围的突变，并网逆变器脱网保护时间都有不同的要求。本发明提出的基于双滑动窗滤波的漏电流检测方法，具有良好的适应性。

本发明的方法经过n个采样计算周期后，突变信号按照采样计算先后顺序，已经依次装载于死区单元B、数组C中，此时，经过上述步骤S03～步骤S07的处理计算，即可检测出突变值超过设定值。因此，只要合理设置滑动窗数组长度，即可在指定的时间内实现对漏电流突变值的检测。在实际应用中，采样计算周期可以是微处理器的单次采样周期，也可以是软件设计的某个周期。假定系统要求的突变值检测时间为t，采样计算周期为T，则滑动窗口单元个数n满足

即可实现在t时间内检测识别出此突变。

当漏电流检测保护有阶梯时间要求时，比如要求在T1时间内漏电流突变值超过I1、在T2时间内漏电流突变值超过I2……在Tn时间内漏电流突变值超过In应能实现检测保护。根据检测保护时间T1、T2……Tn，假定计算步长T，则可以计算获取滑动窗口长度N1，N2，……Nn，从而获得n组带死区单元的双滑动窗数组，分别按照上述描述的步骤S02～步骤S07进行操作。即可分别在T1、T2……Tn的时间内，实现相应的检测要求。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法，用以对并网逆变器进行保护，其特征在于，包括以下步骤：

S01：提供一数字滤波器，所述数字滤波器依次设置一数组A、一死区单元B和一数组C；所述数组A包含至少一个存储单元a（1）、a（2)……a（n），n为正整数且n≥1，所述数组C包含至少一个存储单元c（1）、c（2)……c（m），m为正整数且m≥1，所述死区单元B包含至少一个存储单元，所述数字滤波器还设置一第一存储单元、一第二存储单元、一第三存储单元和一第四存储单元；

S02：将所述数组A、死区单元B和数组C清零，并将一突变值Δref存入所述第一存储单元；

S03：在当前采样周期内，所述数字滤波器采样模拟信号，并将所述模拟信号转换成数字信号；

S04：将所述依次设置的数组A、死区单元B和数组C中后一个存储单元的数值移入相邻前一存储单元中，并将所述数字信号存储至数组C的最后一个存储单元c(m)中；或者将所述依次设置的数组A、死区单元B和数组C中前一个存储单元的数值移入相邻后一存储单元中，并将所述数字信号存储至数组A的第一个存储单元a(1)中；

S05：对所述数组C的各个存储单元c(1)、c(2)…c(m)中的数值取平均值

对所述数组A的存储单元a(1)、a(2)…a(n)中的数值取平均值

计算

与

的差值

所述第二存储单元用于存储所述第三存储单元用于存储

所述第四存储单元用于存储

S06：将所述突变值Δref与

进行比较，当

时，产生一保护信号，提供一保护单元，用以根据所述保护信号对设备进行保护；

S07：返回步骤S03。

2.根据权利要求1所述的带死区单元双滑动窗滤波的阶跃信号检测方法，其特征在于：所述的模拟信号为电压信号、电流信号、功率信号、频率信号或温度信号。

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