CN104714076A - 一种电流信号平滑处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信号处理领域，公开了一种电流信号平滑处理方法及装置，以解决现有技术中对电流信号进行处理时，存在着不能在保证电流信号的平滑性的同时，确保计算复杂度较低的技术问题，该方法包括：采集获得电流信号；构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素，其中所述结构元素的长度为7～15；最后利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素。达到了既能够保证电流信号的平滑性，又能够降低计算的复杂度的技术效果。

Description

一种电流信号平滑处理方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种电流信号平滑处理方法及装置。

背景技术

断路器是电力系统中重要的控制和保护设备，既可以根据电网实际需求，把一部分电力设备或线路投入或退出运行，也可以在线路或设备发生故障时迅速将其从电网切除，保证电网的可靠安全运行。断路器在电力系统中的重要作用决定了其必须具有很高的可靠性。根据国际大电网统计结果，机械故障是高压断路器的主要故障，所以需要对断路器机械状态进行监测。近几年来，各研究工作者对断路器机械状态在线诊断进行了大量的研究。这些方法都是通过利用传感器和采集卡获得可测量的参量，包括振动信号和分合闸线圈电流信号等，进而对断路器的状态进行评估。

断路器分合闸线圈电流信号是机械状态监测信号之一，断路器的分合闸动作起始于线圈的通电，断路器分合闸起始时间点需要从线圈电流信号中获得，并且线圈电流信号还可以反映电磁铁以及断路器传动机构的状态信息。

线圈电流信号应用较多的是先通过预处理进行滤波和去噪，然后再提取电流信号中的起始点、结束点和中间的极值点的特征时间和幅值参量来表征线圈电流信号波形的基本特性，理想的线圈电流信号波形如图1a所示。

理想线圈电流信号波形较为平滑，特征参量的提取较为简单与方便。但是由于工程现场测量时存在干扰以及测量回路本身的特性等原因，实际测得的线圈电流波形中往往有一些毛刺，有时毛刺幅值还较大，对于线圈电流信号特征参数的提取会带来干扰，如图1b所示，为工程实际中测量得到的高压断路器线圈电流信号，目前，线圈电流信号波形的处理方法主要有中值滤波和小波滤波的方法。

图1c是经过中值滤波处理后的线圈电流信号波形，中值滤波的操作过程是：从线圈电流信号波形的第一个点开始到第十个点为止，取十个电流值点的中位数作为第一个点的电流值，从第二个到第十一个点为止的十个电流值的中位数作为第二个点的电流值，以此类推，得到各个点的电流值，其结果即为中值滤波后的电流波形。

图1d是利用小波去噪方法得到的线圈电流信号波形，采用的是6层Daubechies4小波分解，然后将各层高频分量的系数置零，最后利用小波逆变换进行多层重构得到滤波后的信号。小波滤波的方法对高频噪声具有很好的效果，而对当噪声的频率跟信号频率重叠时无能为力。由图1d可知，小波去噪方法不能很好去除T₃附近的尖峰噪声，并且在时刻T₄附近变化缓慢，有拖尾现象，影响对时间参数T₄的提取。

其中，采用中值滤波方法或小波去噪方法对电流信号进行处理时，至少存在以下问题：

(1)中值滤波方法得到的线圈电流信号平滑性较差。

(2)小波去噪方法计算复杂，对硬件要求较高。

(3)小波去噪方法得到的线圈电流信号波形结构变化较大，对后续特征值提取带来较大的误差。

(4)小波去噪方法对当噪声频率和信号频率重叠时失效。

由此可见，现有技术中对电流信号进行处理时，存在着不能在保证电流信号的平滑性的同时，确保计算复杂度较低的技术问题。

发明内容

本发明提供一种电流信号平滑处理方法及装置，以解决现有技术中对电流信号进行处理时，存在着不能在保证电流信号的平滑性的同时，确保计算复杂度较低的技术问题。

第一方面，本发明实施例提供一种电流信号平滑处理方法，包括：

采集获得电流信号；

构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素g(m)，其中所述结构元素的长度为7～15；

利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素。

可选的，所述构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素，具体包括：

确定所述结构元素的类型为直线型；和/或

确定所述结构元素的幅值为0。

可选的，所述形态开闭滤波算子O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)通过以下方式限定：

设f(n)和g(m)分别为定义在F＝{1,2,…,N-1}和G＝{1,2…,M-1}上的离散函数，且N＞＞M，其中，f(n)为所述电流信号，g(m)为所述结构元素；

则所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的膨胀和腐蚀定义分别为：

$(f\⊕g)\left(n\right)=\max \{f(n-m)+g\left(m\right)\};$

(fΘg)(n)＝min{f(n+m)-g(m)}；

所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的开和闭运算的定义分别为：

$f\·g\left(x\right)=f\⊕\mathrm{g\Θg}\left(x\right).$

可选的，所述采集获得电流信号，具体为：采集获得断路器的分合闸线圈的电流信号。

第二方面，本发明实施例提供一种电流信号平滑处理装置，包括：

采集模块，用于采集获得电流信号；

构造模块，用于构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素，其中所述结构元素的长度为7～15；

滤波模块，用于利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素。

可选的，所述构造模块，具体用于：

确定所述结构元素的类型为直线型；和/或

确定所述结构元素的幅值为0。

可选的，所述形态开闭滤波算子O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)通过以下方式限定：

设f(n)和g(m)分别为定义在F＝{1,2,…,N-1}和G＝{1,2…,M-1}上的离散函数，且N＞＞M其中，f(n)为所述电流信号，g(m)为所述结构元素；

则所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的膨胀和腐蚀定义分别为：

$(f\⊕g)\left(n\right)=\max \{f(n-m)+g\left(m\right)\};$

(fΘg)(n)＝min{f(n+m)-g(m)}；

所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的开和闭运算的定义分别为：

$f\·g\left(x\right)=f\⊕\mathrm{g\Θg}\left(x\right).$

可选的，所述采集模块，具体用于：采集获得断路器的分合闸线圈的电流信号。

本发明有益效果如下：

由于在本发明实施例中，首先采集获得电流信号；然后构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素，其中所述结构元素的长度为7～15；最后利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素，而形态滤波器具有以下优点：

(1)形态滤波器有线性平移不变性、单调性、幂等性等特点。

(2)形态学滤波的方法只涉及加减运算，没有乘除运算等复杂算法，计算简单。

(3)形态滤波器的实现对硬件系统要求较低，成本较低。

(4)利用形态学滤波方法对线圈电流信号进行滤波，滤波后的电流信号平滑性好，利于后续特征提取等分析与处理。

(5)形态滤波器结构元素的合理选择可以使得滤波后的线圈电流信号波形误差较小，保证滤波后的信号在时间和电流幅值上的准确率。

故而，既能够保证电流信号的平滑性，又能够降低计算的复杂度。

另外，通常情况下结构元素越长，则滤波效果越好，但是时间误差越大，故而选取结构元素为7～15的情况下，既能够保证滤波效果较好，同时又能够保证时间误差在可接受范围(小于0.05ms)。

附图说明

图1a为理想的线圈电流信号波形的示意图；

图1b为现有技术中原始电流信号波形的示意图；

图1c为现有技术中经过中值滤波处理后的线圈电流信号波形的示意图；

图1d为现有技术中利用小波去噪方法得到的线圈电流信号波形的示意图；

图2为本发明实施例中电流信号平滑处理方法的流程图；

图3为本发明实施例中经形态学开闭运算滤波之后的波形与原始波形的对比示意图；

图4为本发明实施例中m取不同值的情况下，线圈电流信号滤波结果示意图；

图5为本发明实施例中电流信号平滑处理装置的结构图。

具体实施方式

本发明提供一种电流信号平滑处理方法及装置，以解决现有技术中对电流信号进行处理时，存在着不能在保证电流信号的平滑性的同时，确保计算复杂度较低的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述的技术问题，总体思路如下：

首先采集获得电流信号；然后构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素，其中所述结构元素的长度为7～15；最后利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素，而形态滤波器具有以下优点：

(1)形态滤波器有线性平移不变性、单调性、幂等性等特点。

(2)形态学滤波的方法只涉及加减运算，没有乘除运算等复杂算法，计算简单。

(3)形态滤波器的实现对硬件系统要求较低，成本较低。

(4)利用形态学滤波方法对线圈电流信号进行滤波，滤波后的电流信号平滑性好，利于后续特征提取等分析与处理。

(5)形态滤波器结构元素的合理选择可以使得滤波后的线圈电流信号波形误差较小，保证滤波后的信号在时间和电流幅值上的准确率。

故而，既能够保证电流信号的平滑性，又能够降低计算的复杂度。

另外，通常情况下结构元素越长，则滤波效果越好，但是时间误差越大，故而选取结构元素为7～15的情况下，既能够保证滤波效果较好，同时又能够保证时间误差在可接受范围(小于0.05ms)。

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本发明技术方案做详细的说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本发明技术方案的详细的说明，而不是对本发明技术方案的限定，在不冲突的情况下，本发明实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

第一方面，本发明实施例提供一种电流信号平滑处理方法，请参考图2，包括：

步骤S201：采集获得电流信号；

步骤S202：构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素，其中所述结构元素的长度为7～15；

步骤S203：利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素。

步骤S201中，采集获得电流信号例如为：采集获得断路器的分合闸线圈的电流信号，在这种情况下，能够保证获得在计算较为简单的情况下，获得平滑度较高的断路器的分合闸线圈的电流信号。

其中，采集得到的电流信号(例如：断路器的分合闸线圈的电流信号)为一维离散信号，不是集合量，数学形态学利用本影和顶变换将一维离散信号与集合概念相对应，得到一维离散信号的集合，也即f(n)。

步骤S202中，通常情况下需要根据提取和滤波的目的来构造不同的结构元素，主要包含对结构元素的类型、长度、幅值进行选择，下面将分别对其进行介绍，当然，在具体实施过程中，不限于以下三种情况。

第一种，确定结构元素的类型

其中，结构元素的类型例如为：正方向、三角形、直线型等等，在本发明实施例中，结构元素较佳为直线型，其实现方式较为简单。

第二种，确定结构元素的长度

通常情况下，结构元素长度越短，滤波效果越不好，但是时间误差越低，而结构元素的长度越长，则滤波效果越好，但是时间误差越大，故而为了既能够保证滤波效果较好，同时又能够保证时间误差在可接受范围(小于0.05ms)，选取结构元素的长度为7～15。

通常情况下，可以根据采样率f(kHZ)和希望达到的精度t(ms)来得到结构元素的长度L，即L＝t*f。

第三种，确定结构元素的幅值

通常情况下，为避免影响电流信号的幅值，可选择结构元素的幅值大小为0，即扁平结构元素。

在满足结构元素的上述条件的情况下，所选择结构元素例如为：g(m)＝[0，0，0，0，0，0，0，0，0，0]，该结构元素为直线型，长度为10，幅值为0，当然，结构元素还可以为其它接近于0的值，本发明实施例不再详细列举，并且不作限制。

步骤S203中，所述形态开闭滤波算子O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)通过以下方式限定：设f(n)和g(m)分别为定义在F＝{1,2,…,N-1}和G＝{1,2…,M-1}上的离散函数，且N＞＞M，其中，f(n)为所述电流信号，g(m)为所述结构元素，其中，N的数量与信号采集的采样率有关，M为结构元素的长度，举例采样率为200k，采样时间为1s，则N为200k。

则所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的膨胀和腐蚀定义分别为：

$(f\⊕g)\left(n\right)=\max \{f(n-m)+g\left(m\right)\}...\left[1\right]$

(fΘg)(n)＝min{f(n+m)-g(m)}………………………………[2]

所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的开和闭运算的定义分别为：

$f\·g\left(x\right)=f\⊕\mathrm{g\Θg}\left(x\right)...\left[4\right]$

其中，假设腐蚀范围为1-200k，m＝10g(m)＝0，腐蚀运算过程如下：

首先令n＝1，则M(1)＝f(1)直到f(11)的最小值，其中M代表腐蚀运算后得到的信号；

令n＝2，则M(2)＝f(2)直到f(12)的最小值；

令n＝3，则M(3)＝f(3)直到f(13)的最小值；

.......

以此类推。

膨胀运算与腐蚀运算类似，只不过最小值变为取最大值。

在基于步骤S203利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算之后，就可以得到形态开闭滤波后的电流信号波形。

如图3所示，为高压断路器合闸线圈的电流信号原始波形和利用形态滤波器滤波后的电流信号波形对比，为了更清晰的对比分析经形态学开闭运算滤波后的波形与原始信号波形，图中将去噪后的信号向下平移了0.4A，其中30表示原始信号波形，31表示经形态学开闭运算滤波之后的信号波形，可见经形态学开闭运算滤波之后，消除了毛刺现象，提高了电流信号波形的平滑度。

结构元素的选取对滤波效果具有较大的影响，为了更清晰地了解结构元素长度M的选取对线圈电流信号滤波结果的影响，本发明实施例将M取不同值的情况下，线圈电流信号滤波结果绘制成图4。如图4所示，为采样率为200k、采样时间为1s时，m＝5,6,7,8,9,10,15,20时，线圈电流信号的滤波结果，图4中为了更好的对比各个状态，将m取不同值时的滤波后波形进行了相应的平移，

由图4可以看出，当m<7时，滤波后的线圈电流信号波形在最大值附近仍有尖峰，虽然尖峰的幅值有所减少，但是会给后续分析处理带来干扰；而当m≥7时，滤波后的波形较为平滑，在最大值附近的尖峰滤除效果较好，虽然局部有波动，但是对特征参数提取的影响已经较小。m值越大，滤波效果越好，滤波后的线圈电流波形越平滑。但当m越大时，对滤波后的线圈电流波形时间上的影响也会相应有所增大，并且滤波效果没有明显提高。

第二方面，基于同一发明构思，本发明实施例提供一种电流信号平滑处理装置，请参考图5，包括：

采集模块50，用于采集获得电流信号；

构造模块51，用于构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素g(m)，其中所述结构元素g(m)的长度为7～15；

滤波模块52，用于利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素。

可选的，所述构造模块51，具体用于：

确定所述结构元素g(m)的类型为直线型；和/或

确定所述结构元素的幅值为0。

可选的，所述形态开闭滤波算子O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)通过以下方式限定：

设f(n)和g(m)分别为定义在F＝{1,2,…,N-1}和G＝{1,2…,M-1}上的离散函数，且N＞＞M其中，f(n)为所述电流信号，g(m)为所述结构元素；

则所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的膨胀和腐蚀定义分别为：

$(f\&CirclePlus;g)\left(n\right)=\max \{f(n-m)+g\left(m\right)\}...\left[1\right]$

(fΘg)(n)＝min{f(n+m)-g(m)}………………………………[2]

所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的开和闭运算的定义分别为：

$f\&CenterDot;g\left(x\right)=f\&CirclePlus;\mathrm{g\&Theta;g}\left(x\right)...\left[4\right]$

可选的，所述采集模块，具体用于：采集获得断路器的分合闸线圈的电流信号。

本发明一个或多个实施例，至少具有以下有益效果：

由于在本发明实施例中，首先采集获得电流信号；然后构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素，其中所述结构元素的长度为7～15；最后利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fοg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素，而形态滤波器具有以下优点：

(1)形态滤波器有线性平移不变性、单调性、幂等性等特点。

(2)形态学滤波的方法只涉及加减运算，没有乘除运算等复杂算法，计算简单。

(3)形态滤波器的实现对硬件系统要求较低，成本较低。

(4)利用形态学滤波方法对线圈电流信号进行滤波，滤波后的电流信号平滑性好，利于后续特征提取等分析与处理。

(5)形态滤波器结构元素的合理选择可以使得滤波后的线圈电流信号波形误差较小，保证滤波后的信号在时间和电流幅值上的准确率。

故而，既能够保证电流信号的平滑性，又能够降低计算的复杂度。

另外，通常情况下结构元素越长，则滤波效果越好，但是时间误差越大，故而选取结构元素为7～15的情况下，既能够保证滤波效果较好，同时又能够保证时间误差在可接受范围(小于0.05ms)。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种电流信号平滑处理方法，其特征在于，包括：

采集获得电流信号；

构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素，其中所述结构元素的长度为7～15；

利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fоg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素，具体包括：

确定所述结构元素的类型为直线型；和/或

确定所述结构元素的幅值为0。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述形态开闭滤波算子O_C(f(x))＝(fоg·g)(x)通过以下方式限定：

设f(n)和g(m)分别为定义在F＝{1,2,…,N-1}和G＝{1,2…,M-1}上的离散函数，且N＞＞M，其中，f(n)为所述电流信号，g(m)为所述结构元素；

则所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的膨胀和腐蚀定义分别为：

$(f\&CirclePlus;g)\left(n\right)=\max \{f(n-m)+g\left(m\right)\};$

(fΘg)(n)＝min{f(n+m)-g(m)}；

所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的开和闭运算的定义分别为：

$f\&CenterDot;g\left(x\right)=f\&CirclePlus;\mathrm{g\&Theta;g}\left(x\right).$

4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述采集获得电流信号，具体为：采集获得断路器的分合闸线圈的电流信号。

5.一种电流信号平滑处理装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集获得电流信号；

构造模块，用于构造对所述电流信号进行形态滤波运算所采用的结构元素g(m)，其中所述结构元素的长度为7～15；

滤波模块，用于利用形态滤波器对所述电流信号进行滤波运算，其中所述形态滤波器所采用的形态开闭滤波算子为：O_C(f(x))＝(fоg·g)(x)，f表示所述电流信号，g表示所述结构元素。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述构造模块，具体用于：

确定所述结构元素的类型为直线型；和/或确定所述结构元素的幅值为0。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述形态开闭滤波算子O_C(f(x))＝(fоg·g)(x)通过以下方式限定：

设f(n)和g(m)分别为定义在F＝{1,2,…,N-1}和G＝{1,2…,M-1}上的离散函数，且N＞＞M其中，f(n)为所述电流信号，g(m)为所述结构元素；

则所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的膨胀和腐蚀定义分别为：

$(f\&CirclePlus;+g)\left(n\right)=\max \{f(n-m)+g\left(m\right)\};$

(fΘg)(n)＝min{f(n+m)-g(m)}；

所述结构元素g(m)对所述电流信号f(n)的开和闭运算的定义分别为：

$f\&CenterDot;g\left(x\right)=f\&CirclePlus;\mathrm{g\&Theta;g}\left(x\right).$

8.如权利要求5-7任一所述的装置，其特征在于，所述采集模块，具体用于：采集获得断路器的分合闸线圈的电流信号。