CN104320157A - 一种电力线双向工频通信上行信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种电力线工频通信上行信号检测方法，其特点是：包括在双向工频通信上行信号检测时，首先通过加权求和法使调制信号的背景工频信号相互抵消并且增强调制信号，再对增强后的调制信号进行求导，利用集合经验模分解对调制信号进行经验模分解；通过相关运算找到n阶本征模函数中150HZ～500HZ所在的阶数，对所在阶数的本征模函数找到对应阶数的阈值并进行阈值去噪，对去噪处理后的信号利用希尔伯特变换计算信号的希尔伯特边际谱，从而检测调制信号所在时域；能有效的去除大部分噪声及谐波干扰，准确检测调制信号所在时域。具有科学合理，容易实现，检测精度高等优点。

Description

一种电力线双向工频通信上行信号检测方法

技术领域

本发明涉及一种电力线载波通信的信号检测方法，更具体地说，是一种电力线双向工频通信上行信号检测方法。

背景技术

双向工频通信系统是近年来新兴的一种基于电力配电网络的通信系统，该系统以电力线为数据传输载体，利用过零调制原理实现信号的调制，工频通信上行信号是通过晶闸管的开关控制在基波电压信号过零点附近处产生的畸变电流脉冲信号，是一种频谱随时间变化的时变信号。双向工频通信上行信号检测是在大背景下检测小信号，传统的检测方法是时域检测法，这种方法会损失大量有用的信息，对电网有一定要求，具有一定的局限性，现有的时域检测方法使用最普遍的小波变换信号检测算法，此方法对调制信号进行时频分析时会受到小波基选取的影响，导致无法进行精确的时频分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种科学合理，简便实用，检测准确的电力线双向工频通信上行信号检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)对信号加权求和消除背景信号：

工频通信上行信号的检测是在大背景电流中提取微弱电流，所以利用加权求和抵消工频信号，，利用其中I_A，I_B，I_C是配电网中的三相电流，能消除绝大部分的基波电流影响，同时使信号增强1倍；

2)对加权求和后的通信信号进行求导：

双向工频通信上行调制信号是经晶闸管的开关在工频电压过零点处产生的电流脉冲，每个脉冲含有一个极大值或一个极小值以及两个过零点，对其求导后，每个脉冲含有一个极大值，一个极小值和一个过零点，满足EEMD的分解条件，所述EEMD为集合经验模分解的英文缩写，本领域通常采用其英文缩写EEMD；

3)对处理后的信号进行EEMD：

在原始信号中加入均匀分布的高斯白噪声用于填补原始调制畸变电流中部分尺度缺失，使待测的调制电流在不同程度上连续；选定进行EMD的分解次数和白噪声的幅值系数，分解次数取100，幅值系数取0.2，所述EMD为经验模分解的英文缩写，本领域通常采用其英文缩写EMD；

4)测量各本征模函数频率：

通过傅里叶变换测量各阶IMF的频率，找出150HZ～500HZ频率所在的阶数进行保留，所述IMF为本征模函数的英文缩写，本领域通常采用其英文缩写IMF；

5)对保留的IMF进行阈值去噪：

由于电网中的噪声都是随机的，其能量大部分是均匀分布，有用信号的能量相对集中，根据有用信号和噪声信号能量的分布不同选择合适的阈值对保留的IMF进行降噪处理；

6)计算各阶IMF希尔伯特边际谱：

获得IMF分量后，对于其中一个IMF分量记为imf(t),经过希尔伯变换后的H[imf(t)]与原分量imf(t)组成解析信号，记为其中 瞬时角频率为H(ω,t)是振幅I(t)以灰度形式在频率-时间平面上显示的希尔伯特谱，对H(ω,t)在时间上积分，进而求得希尔伯特边际谱 $h\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_0^{T}H(\mathrm{\ω},t)\mathrm{dt}.$

所述步骤3)对处理后的信号进行EEMD步骤如下：

(1)在原调制畸变电流信号中加入幅值系数为0.2的高斯白噪声，对所得信号进行EMD，得到n个IMF记为imf_j；

(2)对原调制畸变电流信号添加的下一个白噪声序列重复上述步骤，获得各自的IMF；

(3)计算剩余信号R_i,1＝x_i(t)-imf_i,1(t)，x_i(t)为原始信号，imf_i,1(t)为混入第i个白噪声序列分解得到的第一阶IMF，把剩余信号作为待处理信号进行EMD分解，依次获得imf_i,1,imf_i,2,....imf_i,j；

(4)对所得结果求平均其中j＝1,2,…n,n为分解的阶数，去除添加的白噪声，得到待测信号。

本发明与现有技术相比，本发明的有益效果是：

在双向工频通信上行信号检测时，首先通过加权求和法使调制信号的背景工频信号相互抵消并且增强调制信号，然后对增强后的调制信号进行求导，求导目的就是使原始信号满足EEMD的条件，利用EEMD对调制信号进行EMD，大大减小了EEMD的计算量，再通过相关运算找到n阶IMF中150HZ～500HZ的阶数，对此类IMF进行阈值降噪处理，对降噪后的信号进行利用希尔伯特变换计算希尔伯特边际谱，从而检测调制信号所在时域；本发明不存在小波基选取的问题，能有效的去除大部分噪声及谐波干扰，准确检测调制信号所在时域。其科学合理，容易实现，检测精确度高。

附图说明：

图1为本发明的一种电力线双向工频通信上行信号检测方法的流程框图；

图2为双向工频通信上行信号调制等效电路原理图；

图3为双向工频通信上行信号调制信号调制波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种电力线双向工频通信上行信号检测方法作进一步具体说明。

本发明的一种电力线双向工频通信上行信号检测方法，包括以下步骤：

1.对信号加权求和消除背景信号

工频通信上行信号检测是在大背景中提取微弱电流，所以利用加权求和抵消工频信号，利用其中I_A，I_B，I_C是配电网中的三相电流，能消除绝大部分的基波电流影响，同时使信号增强1倍；

2.对加权求和后的通信信号进行求导

如图2双向工频通信上行调制信号调制等效电路原理图所示，上行信号是通过对电流基波波形的调制来传送信息，信号由用户终端发出，携带相关的信息传回子站，其调制信号的频率在150Hz～500Hz范围内变化；

如图3上行调制信号的调制波形图所示，经晶闸管的开关在工频电压过零点处产生的电流脉冲，每个脉冲含有一个极大值或一个极小值以及两个过零点，对这样的信号进行EEMD分解计算量会非常大，对其求导后，每个脉冲含有一个极大值，一个极小值和一个过零点，满足EEMD的分解条件，大大减小了计算量；对其求导的计算过程为本领域技术人员所熟悉的简单数学运算；

3.对处理后的信号进行EEMD分解

在原信号中加入均匀分布的高斯白噪声，填补原始调制畸变电流中部分尺度缺失，使待测的调制电流在不同程度上连续；，减小模态混叠的程度；选定进行EMD的总次数n与白噪声的幅值系数k，这里n取100，k取0.2，分解步骤如下：

1)在原始信号中加入幅值系数为0.2的高斯白噪声，对所得待分解信号进行EMD，得到n个本征模函数记为imf_j；

2)对原始信号加入的下一个混入白噪声序列重复上述步骤，获得各自的IMF；

3)计算剩余信号R_i,1＝x_i(t)-imf_i,1(t)，x_i(t)为原始信号，imf_i,1(t)为混入第i个白噪声序列分解得到的第一阶IMF，把剩余信号作为待处理信号进行EMD分解，依次获得imf_i,1,imf_i,2,....imf_i,j；

4)对所得结果求平均其中j＝1,2,...n,n为分解的阶数，去除添加的白噪声，得到待测信号。

4.测量各IMF的频率：

测量各阶IMF的频率，上行信号是通过对电流基波波形的调制来传送信息，信号由用户终端发出，携带相关的信息传回子站，其调制信号的频率在150Hz～600Hz范围内变化，找出150HZ～500HZ频率所在的阶数进行保留，保留的150HZ～500HZ所在的范围为调制信号所在阶数；

5.对保留的IMF进行阈值去噪：

由于电网中的噪声都是随机的，其能量大部分是均匀分布，有用信号的能量相对集中，根据有用信号和噪声信号能量的分布不同选择合适的阈值对保留的IMF进行降噪处理；

6.计算各阶IMF希尔伯特边际谱：

获得IMF分量后，对于其中一个IMF分量记为imf(t),经过希尔伯变换后的H[imf(t)]与原分量imf(t)组成解析信号，记为其中 瞬时角频率为以灰度形式在频率-时间平面上显示的希尔伯特谱，对H(ω,t)在时间上积分，进而求得希尔伯特边际谱

根据得到的希尔伯特边际谱可以清晰的判断出调制信号所在的时域。

本发明采用的EEMD是基于任何信号均由不同时间尺度振荡构成，所以能够对非线性、非平稳信号自适应的分解成为一系列线性、平稳的IMF信号，在对信号进行时频分析时与经常使用的小波变换相比避免了受小波基选择的影响，不仅能消除大部分噪声干扰而且能很好的抑制谐波干扰，在检测波动信号时具有较好的动态特性，由于双向工频通信上行调制信号本身特性不适合利用EEMD，双向工频通信上行调制信号是一种经晶闸管的开关在工频电压过零点处产生的电流脉冲，每个脉冲含有一个极值点和两个过零点，对这样的信号进行EEMD计算量会非常大，对其求导后满足IMF的两个条件大大减小了计算量；对其进行求导使之更好的适应EEMD，这种检测算法更加精确。

本发明所描述的具体方式仅为一个实例，并非穷举，本领域技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离发明的精神或者超越权利要求所记载的保护范围。

Claims (2)

1.一种电力线双向工频通信上行信号检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：

1)对信号加权求和消除背景信号：

工频通信上行信号检测是在大背景中提取微弱电流，所以利用加权求和抵消工频信号，利用其中I_A，I_B，I_C是配电网中的三相电流，能消除绝大部分的基波电流影响，同时使信号增强1倍；

2)对加权求和后的通信信号求导：

双向工频通信上行调制信号是经晶闸管的开关在工频电压过零点处产生的电流脉冲，每个脉冲含有一个极大值或一个极小值以及两个过零点，对其求导后，每个脉冲含有一个极大值，一个极小值和一个过零点，满足EEMD的分解条件，所述EEMD为集合经验模分解；

3)对处理后的信号进行EEMD：

在原始信号中加入均匀分布的高斯白噪声用于填补原始调制畸变电流中部分尺度缺失，使待测的调制电流在不同程度上连续；选定进行EMD的分解次数和白噪声的幅值系数，分解次数取100，幅值系数取0.2，所述EMD为经验模分解；

4)测量各本征模函数频率：

通过傅里叶变换测量各阶IMF的频率，找出150HZ～500HZ频率所在的阶数进行保留，所述IMF为本征模函数；

5)对保留的IMF进行阈值去噪：

由于电网中的噪声都是随机的，其能量大部分是均匀分布，有用信号的能量相对集中，根据有用信号和噪声信号能量的分布不同选择合适的阈值对保留的IMF进行降噪处理；

6)计算各阶IMF希尔伯特边际谱：

对得到的IMF分量其中一个本征模函数分量记为imf(t),经过希尔伯变换后的H[imf(t)]与原imf(t)分量组成解析信号，记为其中 瞬时角频率为H(ω,t)是振幅I(t)以灰度形式在频率-时间平面上显示的希尔伯特谱，对H(ω,t)在时间上积分，进而求得希尔伯特边际谱 $h\left(\mathrm{\ω}\right)={\∫}_0^{T}H(\mathrm{\ω},t)\mathrm{dt}.$

2.按照权利要求1所述的一种电力线工频通信上行信号检测方法，其特征在于，所述步骤3)对处理后的信号进行EEMD步骤如下：

(1)在原调制畸变电流信号中加入幅值系数为0.2的高斯白噪声，对所得信号进行EMD，得到n个IMF记为imf_j；

(2)对原调制畸变电流信号添加的下一个白噪声序列重复上述步骤，获得各自的IMF；

(3)计算剩余信号R_i,1＝x_i(t)-imf_i,1(t)，x_i(t)为原始信号，imf_i,1(t)为混入第i个白噪声序列分解得到的第一阶IMF，把剩余信号作为待处理信号进行EMD分解，依次获得imf_i,1,imf_i,2,....imf_i,j；

(4)对所得结果求平均其中j＝1,2,…n,n为分解的阶数，去除添加的白噪声，得到待测信号。