CN103336174B - 检验特高压直流试验线路电晕电流数据中am信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特高压直流试验线路上电晕电流数据中对中波调幅广播信号提取并检测的方法。该方法是提取并确认电晕电流数据中的中波调幅广播信号（AM信号）的方法，它将离散傅里叶变换、数字谐振器设计和基于Hilbert变换的包络检测方法相结合，提出了一种通用性较强、适用性较广的特高压直流试验线路上电晕电流数据中的AM信号的提取与验证的方法，并为电晕特性的进一步研究奠定了一定的基础。

Description

检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法

技术领域：

本发明涉及一种信号检验方法，具体讲涉及一种特高压直流试验线路电晕电流数据中对中波调幅广播信号提取并检测的方法。

背景技术：

为解决我国现阶段存在的用电负荷快速持续增长、资源分布与电力需求不均衡的问题，发展大容量远距离输电技术、建设特高压输电网已作为一项有效方案研究并逐步建设实施。与现有电网相比，建设特高压电网将大大提高远距离、大容量输电的效率，减少输电损耗，降低输电成本，实现大范围内的资源优化配置，是实现我国“西电东送、南北互供、全国联网”的战略目标的必然选择。目前，向家坝-上海±800kV特高压直流输电示范工程已建成投运，±1100kV电压等级特高压直流系统的研究工作正稳步推进。

建设特高压电网不可避免的要面临电晕问题。直流输电线路的电晕现象包括电晕损失、电场效应、无线电干扰和可听噪声等。由此将产生直流输电的运行损耗和一系列环境问题，因此，进行特高压直流电晕特性的研究，对于取得工程设计依据、合理选择导线型式、降低电晕效应和运行损耗、环境影响等，具有重要的意义。

在国家电网公司北京特高压直流试验基地，以户外大型电晕笼与试验线段为依托，利用“宽频域电晕电流测量系统”获取不同电压等级下的电晕电流数据进行分析研究。而由于该采集系统作业条件的特殊性，采得的数据中除了包含有用的电晕电流信号之外，还包含来自空间的无线电信号，以及各种原因引起的噪声，使得数据成分相当复杂，有用的电晕电流信号被淹没在强背景噪声之中。

在户外作业的条件下，架空的导线相当于一根巨大的天线，故在采集电晕数据的过程中，大量的调幅广播信号会被系统接收，使得电晕电流数据中此类信号的含量丰富，针对电晕本身的分析工作很难进行。所以，如果能针对此种干扰设计一种方法对其进行提取与确认，电晕电流数据会得到极大改善。本发明提出的针对中波调幅广播信号的提取与检验的方法，就能很好的解决上述问题。

发明内容：

本发明的目的是提供一种特高压直流试验线路电晕电流数据中对中波调幅广播信号提取并检测的方法。该方法对检验信号中的中波调幅广播信号具有较好的效果，且具有较高的适用性与通用性，不仅为特高压直流输电线路的电磁环境研究提供了理论基础和有效分析的实现方法，而且为电晕特性的进一步研究奠定了一定的基础。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，包括以下步骤：

(1)获取特高压直流试验线段电晕电流信号的离散频谱；

(2)确定待测中波调幅广播信号的中心频率和带宽；

(3)设计数字谐振器；

(4)确定待测中波调幅广播信号；

(5)提取并播放待测中波调幅广播信号的包络；

(6)存入音频数据。

本发明提供的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，使用宽频域测量系统获取所述步骤(1)中直流电晕电流信号，并将所述直流电晕电流信号作离散傅里叶变化得到其频谱。

本发明提供的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，将步骤(1)的所述离散频谱通过匹配算法与电晕信号采集区域及附近地区的中波调幅广播信号频率分配相比对，寻找所述离散频谱中可能存在的中波调幅广播信号中心频率，并计算其相应的带宽。

本发明提供的另一优选的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，通过所述中波调幅广播信号中心频率确定所述数字谐振器的极点位置，再调节带宽。

本发明提供的再一优选的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，通过所述数字谐振器得到待测中波调幅广播信号的窄带信号。

本发明提供的又一优选的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，将所述中波调幅广播信号的窄带信号作离散傅里叶逆变换得到待测窄带中波调幅广播信号。

本发明提供的又一优选的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，将所述待测中波调幅广播信号作希尔伯特变化，得到所述待测中波调幅广播信号的包络。

本发明提供的又一优选的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，所述待测中波调幅广播信号的包络在MATLAB环境下播放，判断所述包络是否为音频，如果不是则返回步骤(2)，如果是进行步骤(6)。

本发明提供的又一优选的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，所述数字谐振器的设计是将两个零点分别放置在z＝1和z＝-1处，一对共轭极点为其频率响应函数为

$H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=\frac{b_0(1-e^{-j2\mathrm{\ω}})}{(1-{\mathrm{re}}^{j({\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\ω})})(1-{\mathrm{re}}^{-j({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\ω})})}---\left(1\right)$

它的幅度响应为

$\left|H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=\frac{N\left(\mathrm{\ω}\right)}{U_1\left(\mathrm{\ω}\right)U_2\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(2\right)$

式中

$N\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{2(1-\cos 2\mathrm{\ω})}---\left(3\right)$

b₀为比例系数，此处b₀＝1，ω₀、ω为频率，U₁(ω)为的幅值，U₂(ω)为的幅值。

由于采用了上述技术方案，本发明得到的有益效果是：

1、本发明中波调幅广播信号的提取与验证方法，使得电晕电流数据会得到极大改善。

2、本发明中针对AM信号的分析，使得电晕信号的研究与处理更有针对性；

3、本发明中该方法的自动化程度较高，可以实现电晕电流中AM信号的自动提取和直观检验，有效降低人为干预成分；

4、本发明结合了离散傅里叶变换、Hilbert变换等多种有效方法，通过自适应地选择待确认信号并对其进行提取与解调，实现了特高压直流电晕电流信号中AM信号的提取和检验算法，有针对性的对电晕电流信号进行处理，且具有较高的通用性和实用性。

5、本发明不仅为特高压直流输电线路的电磁环境研究提供了一定的理论依据，而且为电晕特性的进一步研究奠定了一定的基础。

附图说明

图1为是本发明的方法流程图；

图2为本发明直流电晕电流数据的时域波形图；

图3为本发明直流电晕数据的离散频域波形图；

图4为是本发明数字谐振器的幅值响应图；

图5为是本发明中波调幅广播信号频谱放大图；

图6为是本发明提取出来的待测中波调幅广播信号的时域波形图；

图7是本发明提取出来的待测中波调幅广播信号的包络波形。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：如图1所述，本例的具体的AM信号检验方法如下，利用宽频域测量系统收集直流电晕电流数据，该系统采样频率范围为1kHz～1GHz，采样频率灵活可调。为了正确捕捉电晕电流瞬态信号的特征，避免频率发生混叠，对于正极电晕电流数据的采集，通常使用500MHz采样率来进行数据采集。而中波调幅广播信号的使用频带范围为525kHz～1606kHz，能被宽频域电晕电流测量系统采集到并掺杂在直流电晕电流数据信号中，再加上其他多种原因引起的噪声干扰，使得掺杂有其他信号的直流电晕电流信号在时域表现为非常复杂不确定的特点，如图2所示，通过宽频域测量系统采集到的直流电晕电流信号的时域波形。因此，将采集到的直流电晕电流信号先作离散傅里叶变换，得到采集到的直流电晕电流信号的离散频谱，如图3所示，该离散频谱是对中波调幅广播干扰进行提取并检验的基础。

中波调幅广播(AM,Amplitude Modulation)信号，是指载波在某一固定载频f₀条件下，以调制信号f(t)去控制载波幅度，载波的频率始终不变，而载波变化的形状(包络线)与音频信号变化的形态一样。在频域范围内，AM信号表现为一种窄带信号，与电晕电流的频率特征有较大区别，这就为提取及检验AM信号提供了可能。

由于AM信号在电晕电流数据中广泛存在，且AM广播信号台数量极多，仅北京地区的就达到几十种，综合考虑特高压直流输电线路的接收范围，本发明统计了北京、天津地区的AM广播信号台频率，用于电晕电流信号频谱的比对，寻找频谱中可能的频点，从而得到待检验AM信号的中心频率及带宽。

针对窄带信号的提取，设计合适的数字谐振器(数字带通滤波器)即可实现。数字谐振器是二阶滤波器，也是特殊的双极点带通滤波器。该滤波器有一对共轭极点r接近于1，幅度特性在ω₀附近最大，相当于在该频率发生了谐振，故称为数字谐振器。数字谐振器的零点有两种放置法，一种是放置在原点，另一种是两个零点分别放置在z＝±1处。

在本项实施例中，将两个零点分别放置在z＝1和z＝-1处，设计一对共轭极点为的数字谐振器。其频率响应函数为

$H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=\frac{b_0(1-e^{-j2\mathrm{\ω}})}{(1-{\mathrm{re}}^{j({\mathrm{\ω}}_0-\mathrm{\ω})})(1-{\mathrm{re}}^{-j({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\ω})})}---\left(1\right)$

它的幅度响应为

$\left|H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=\frac{N\left(\mathrm{\ω}\right)}{U_1\left(\mathrm{\ω}\right)U_2\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(2\right)$

式中

$N\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{2(1-\cos 2\mathrm{\ω})}---\left(3\right)$

b₀为比例系数，此处b₀＝1，ω₀、ω为频率，U₁(ω)为的幅值，U₂(ω)为的幅值；

在设计数字谐振器的过程中，可以利用待检验AM信号的中心频率确定谐振器的极点位置，再通过调整极点与单位圆的距离，就可以实现带宽的调整，从而设计出符合需求的数字谐振器。如图4所示设计的数字谐振器幅值响应，和图5的AM频谱放大图形，可以看到二者实现了很好的对应。如图6通过数字谐振器得到的待确定AM信号的时域波形。

由于AM信号为载波在某一固定载频条件下，以调制信号去控制载波幅度，载波的频率始终不变，振幅随调制信号的瞬时变化而变化。因此，为了将待确定AM信号以音频形式播放，首先需要对通过数字谐振器得到的待确定的AM信号进行解调。本发明中，利用希尔伯特(Hilbert)变换提取信号的包络，达到解调AM信号的目的。

AM信号可表示为：

且假设和的频谱在|f|≥f₀时为0，则x(t)的Hilbert变换为

因此，可以通过计算待检测的AM信号的Hilbert变换来表示其包络，即信号的振幅变化情况，也就是调制信号幅度的瞬时变化。计算方法如式(6)所示。

$\left|a\left(t\right)\right|=\sqrt{x^2\left(t\right)+{\tilde{x}}^2\left(t\right)}---\left(6\right)$

其中，f₀为固载频率，f为频率，a(t)为振幅，为相位角，t为时间；

上述方法采用了基于Hilbert变换对待检测的AM信号进行解调的方法，该方法检测精度高，适应范围广，可以满足本发明中对条幅信号的解调需求。如图7所示，为对待检验AM信号提取的包络波形。

在得到的解调后AM信号后，在MATLAB环境下进行语音形式的播放，判断是否是音频，如果是，则将音频数据写入文件并保存；如果不是，则需要重新确定待检测AM信号的中心频率和相应的带宽后，再继续检测该信号。

本实施例中公布部分在特高压直流电晕电流数据中得到确认的AM信号，如表1所示。从该表可以看出，结合在特高压基地实测的空间频率记录，本发明提出的检测方法对确认AM信号具有很好的效果，且具有较高的准确性与通用性。

表1特高压直流电晕电流数据中对AM信号提取与确认的部分结果

最后应该说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (9)

1.检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)获取特高压直流试验线段电晕电流信号的离散频谱；

(2)确定待测中波调幅广播信号的中心频率和带宽；

(3)设计数字谐振器；

(4)确定待测中波调幅广播信号；

(5)提取并播放待测中波调幅广播信号的包络；

(6)存入音频数据。

2.如权利要求1所述的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，其特征在于：使用宽频域电晕电流测量系统获取所述步骤(1)中直流电晕电流信号，并将所述直流电晕电流信号作离散傅里叶变换得到其频谱。

3.如权利要求1所述的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，其特征在于：将步骤(1)的所述离散频谱通过匹配算法与电晕信号采集区域及附近地区的中波调幅广播信号频率分配相比对，寻找所述离散频谱中可能存在的中波调幅广播信号中心频率，并计算其相应的带宽。

4.如权利要求3所述的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，其特征在于：通过所述中波调幅广播信号中心频率确定所述数字谐振器的极点位置，再调节带宽。

5.如权利要求1或4所述的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，其特征在于：通过所述数字谐振器得到待测中波调幅广播信号的窄带信号。

6.如权利要求5所述的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，其特征在于：将所述中波调幅广播信号的窄带信号作离散傅里叶逆变换得到待测窄带中波调幅广播信号。

7.如权利要求1所述的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，其特征在于：将所述待测中波调幅广播信号作希尔伯特变换，得到所述待测中波调幅广播信号的包络。

8.如权利要求1或7所述的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，其特征在于：所述待测中波调幅广播信号的包络在MATLAB环境下播放，判断所述包络是否为音频，如果不是则返回步骤(2)，如果是进行步骤(6)。

9.如权利要求1或4所述的检验特高压直流试验线路电晕电流数据中AM信号的方法，其特征在于：所述数字谐振器的设计是将两个零点分别放置在z＝1和z＝-1处，一对共轭极点为0＜r＜1，其频率响应函数为

$H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)=\frac{b_0(1-e^{-j2\mathrm{\ω}})}{(1-{\mathrm{re}}^{j\left({\mathrm{\ω}}_0\mathrm{\ω}\right)})(1-{\mathrm{re}}^{-j({\mathrm{\ω}}_0+\mathrm{\ω})})}---\left(1\right)$

它的幅度响应为

$\left|H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|=\frac{N\left(\mathrm{\ω}\right)}{U_1\left(\mathrm{\ω}\right)U_2\left(\mathrm{\ω}\right)}---\left(2\right)$

式中

$N\left(\mathrm{\ω}\right)=\sqrt{2(1-\cos 2\mathrm{\ω})}---\left(3\right)$

b₀为比例系数，此处b₀＝1，ω₀、ω为频率，U₁(ω)为的幅值，U₂(ω)为的幅值。