CN110297127B - 一种交流信号滤波方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交流信号滤波方法及装置，该方法首先采集若干个交流信号周波的采样点，每个采样点包括的特征参数有：幅值、频率和初相位；然后从每个周波的采样点中进行挑选，共挑选出若干个采样点，求取挑选出的采样点中至少一个特征参数的平均值和方差；接着将采集的各个采样点的至少一个特征参数、该特征参数的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后对应的特征参数；根据滤波后的各特征参数，得到滤波后的采样点。本发明能够实现对交流信号噪声的滤除，特别是射频和快瞬变试验中的噪声，提高了电磁干扰环境下测量数据的准确性，进而提高设备测量的精度、稳定性和可靠性。

Description

一种交流信号滤波方法及装置

技术领域

本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种交流信号滤波方法及装置。

背景技术

电力设备运行在高压复杂的环境中，存在电快速瞬变VFTO、浪涌和静电等干扰。例如，如图1所示为正常情况的交流信号波形图，图2为施加5kHz的快速瞬变波形图，图3为施加100kHz的快速瞬变波形图，图1、2、3的横坐标均为采样点序号，纵坐标均为对应的采样值，且图1、2、3中每周波均采样250个点，且点间距为0.08ms。从这3幅图中可以看出，干扰信号突变比较随机，幅值较大且持续时间较长。其中，从图2中可以看出持续的时间为4.8ms(图2只截取了其中部分干扰的波形，实际采集过程中干扰持续时间比图2中截取出的时间长，总持续时间约为15ms)，图3中持续时间约为0.75ms。对于图2、3中的情况，极易造成采样数据突变，进而造成装置无法正常运行。

目前，针对设备本体的安全方面，专家和学者提出了多种方案以解决该问题，例如，可从装置的接地方式、增加浪涌抑制器和静电防护等方面以及在电路板上增加TVS管等防护措施提高设备本体的安全特性。但是，这些方式需改变电力设备的硬件设备或电路，较为复杂，增加设备的体积和成本。

另外，还可采用滤波的方式来解决该问题。但是，对于图2和图3所示的干扰，若采用常规的滤波方法，例如中值滤波、均值滤波和傅里叶变换等，由于干扰位置幅值较大，且持续时间较长，无法用常规的方法去除。

发明内容

本发明提供了一种交流信号滤波方法，用于解决现有技术的滤波方法无法滤除幅值大且持续时间长的干扰的问题；本发明还提供了一种交流信号滤波装置，用于解决现有技术的滤波方法无法滤除幅值大且持续时间长的干扰的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案和有益效果为：

本发明的一种交流信号滤波方法，包括如下步骤：

1)采集若干个交流信号周波的采样点，每个采样点包括的特征参数有：幅值、频率和初相位；2)从每个周波的采样点中进行挑选，共挑选出若干个采样点，求取挑选出的采样点中至少一个特征参数的平均值和方差；3)将采集的各个采样点的至少一个特征参数、步骤2)中得到的该特征参数的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后对应的特征参数；4)根据滤波后的各特征参数，得到滤波后的采样点。

本发明的一种交流信号滤波装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法步骤：

1)采集若干个交流信号周波的采样点，每个采样点包括的特征参数有：幅值、频率和初相位；2)从每个周波的采样点中进行挑选，共挑选出若干个采样点，求取挑选出的采样点中至少一个特征参数的平均值和方差；3)将采集的各个采样点的至少一个特征参数、步骤2)中得到的该特征参数的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后对应的特征参数；4)根据滤波后的各特征参数，得到滤波后的采样点。

其有益效果：本发明对采样点的至少一个特征参数进行处理，输入给卡尔曼滤波，以得到滤波后的各特征参数，从而实现对交流信号噪声的滤除，特别是射频和快瞬变试验中的噪声，提高了电磁干扰环境下测量数据的准确性，进而提高设备测量的精度、稳定性和可靠性。

作为方法及装置的进一步改进，为了得到平滑的采样点，步骤4)中，还包括：对滤波后的各特征参数进行拟合，得到拟合后的各采样点对应的特征参数；根据拟合后的各采样点对应的各特征参数，得到滤波后的采样点。

作为方法及装置的进一步改进，采用最小二乘法对滤波后的各特征参数进行拟合。采用最小二乘法，简单可靠。

作为方法及装置的进一步改进，为了使卡尔曼滤波器输入量较优以提高卡尔曼滤波效果，步骤2)中，采用跳动窗对采样点中至少一个特征参数进行正弦曲线拟合，得到若干个采样点对应的特征参数。

作为方法及装置的进一步改进，为了使卡尔曼滤波器输入量更优以提高卡尔曼滤波效果，步骤2)中，还包括对挑选出的若干个采样点进行筛选的步骤：将方差较大的采样点去除掉。

附图说明

图1是现有技术中的正常情况的交流信号波形图；

图2是现有技术中的施加5kHz的快速瞬变波形图；

图3是现有技术中的施加100kHz的快速瞬变波形图；

图4是本发明的方法流程图。

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，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

方法实施例：

结合图4对该实施例的一种交流信号滤波方法进行详细说明。

首先，采集交流信号。其中，每周波采样X点，连续采集N个周波，此时共得到X*N个采样点。每个采样点包含的特征参数有：幅值、频率和初相位。

然后，采用跳动窗(提取Y11个采样点)对采样点的幅值进行正弦曲线拟合或余弦曲线拟合，得到Y12个采样点对应的幅值，且Y11和Y12均小于X*N。对于频率和初相位，均采用与幅值处理相同的方法来相应处理频率和初相位。即，采用跳动窗(提取Y21个采样点)对采样点的频率进行正弦曲线拟合，得到Y22个采样点对应的频率，且Y21和Y22均小于X*N；采用跳动窗(提取Y31个采样点)对采样点的初相位进行正弦曲线拟合，得到Y32个采样点对应的初相位，且Y31和Y32均小于X*N。其中，Y11、Y21和Y31均相等，且与X相等。

其次，对挑选出的采样点进行筛选，以剔除其中的异常采样点。对于幅值的筛选方法为：求取Y12个采样点对应的幅值的平均值和各个采样点的方差，去除方差最大的采样点，并重复K次，最终得到Y13(即为Y12-K)个采样点，并求取最终保留的Y13个采样点的幅值的平均值和方差。需说明的是，每进行一次筛选，由于采样点总数减少，需重新进行平均值和方差的计算。对于频率和初相位的筛选方法可与幅值的相同，也可不同，最终求得Y23个采样点的频率的平均值和方差，Y33个采样点的初相位的平均值和方法。例如，求取Y22个采样点对应的频率的平均值和各个采样点的方差，直接去除方差较大的K个采样点，最终得到Y23(即为Y22-K)个采样点，并求取最终保留的Y23个采样的频率的平均值和方差。

接着，针对幅值，将采集的各个采样点、以及上个步骤中计算得到得的Y13个采样点的幅值的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后的幅值；针对频率，将采集的各个采样点、以及上个步骤中计算得到得的Y23个采样点的频率的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后的频率；采集的各个采样点、以及上个步骤中计算得到得的Y33个采样点的初相位的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后的初相位。从而实现对各特征参数噪声的滤除。

最后，采用最小二乘法分别对各采样点滤波后的幅值、频率和初相位进行拟合，从而分别得到拟合后采样点对应的幅值、频率和初相位；根据拟合后各采样点对应的幅值、频率和初相位，即可得到滤波后的各采样点，实现对采集的交流信号的滤波。

该方法可实现对交流信号噪声的滤除，特别是射频和快瞬变试验中的噪声，提高了电磁干扰环境下测量数据的准确性，进而提高设备测量的精度、稳定性和可靠性。

下面举一个具体的实例来该方法做进一步说明。

1、按照每周波80点采集交流信号，并采集10个周波，将这些采样点存储至数组dataraw[800]中。

2、采用跳动窗提取80个采样点，并用这80个采样点的幅值、频率和初相位分别进行正弦曲线拟合，得到20个采样点的幅值、频率和初相位，分别存入ampraw[20]、hzraw[20]和angelraw[20]中。

3、对数组angelraw进行线性化处理得到数组angelvarianceraw[20]。

4、将方差较大的采样点进行去除。对于数组ampraw[20]，找到与方差最大点并去除该点，重复3次，得到数组amp[17]；对于数组hzraw[20]，找到与方差最大点并去除该点，重复3次，得到数组hz[17]；对于数组angelvarianceraw[20]，找到与方差最大点并去除该点，重复3次，得到数组angelvariance[17]。

5、求取数组amp[17]中各幅值的平均值和方差，求取数组hz[17]中各频率的平均值和方差，求取数组angelvariance[17]中各初相位的平均值和方差。

6、对于幅值，将采集的各个采样点、以及数组amp[17]中各幅值的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后的幅值，存储至相应的数组中；对于频率，将采集的各个采样点、以及数组hz[17]中各频率的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后的频率，存储至相应的数组中；对于初相位，将采集的各个采样点、以及数组angelvariance[17]中各初相位的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后的初相位，存储至相应的数组中。

7、采用最小二乘法分别对各采样点滤波后的幅值、频率和初相位进行拟合，从而分别得到拟合后采样点对应的幅值、频率和初相位；根据拟合后各采样点对应的幅值、频率和初相位，即可得到滤波后的各采样点，实现对采集的交流信号的滤波。

在该实施例中，对三种特征参数均进行了相应的挑选、求均值和方差、以及滤波处理。作为其他实施方式，可对幅值、频率和初相位中的一种或者两种进行上述操作。

在该实施例中，对挑选出的采样点进行筛选操作，以剔除其中的异常采样点。作为其他实施方式，可不进行该筛选操作，也可进行其他方式的筛选操作，例如，去除掉偏离对应的均值最大的采样点，而且，幅值、频率和初相位的筛选操作方法可相同也可不同。

在该实施例中，采用最小二乘法分别对各采样点滤波后的幅值、频率和初相位进行拟合。作为其他实施方式，可采用现有的其他方法来进行拟合，例如，梯度下降法。

在该实施例中，在得到各采样点滤波后的幅值、频率和初相位后，采用了最小二乘法分别对各采样点滤波后的幅值、频率和初相位进行拟合，以得到更平滑的幅值、频率和初相位。作为其他实施方式，可不进行该操作。

装置实施例：

该实施例提供了一种交流信号滤波装置，该装置包括存储器和处理器，存储器和处理器之间直接或间接地电性连接以实现数据的传输或交互。这里的处理器可以是通用处理器，例如中央处理器CPU，也可以是其他可编程逻辑器件，例如数字信号处理器DSP。处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现本发明的一种交流信号滤波方法。由于在方法实施例中对该方法已详细介绍，故这里不再赘述。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种交流信号滤波方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)采集若干个交流信号周波的采样点，每个采样点包括的特征参数有：幅值、频率和初相位；

2)从每个周波的采样点中进行挑选，共挑选出若干个采样点，求取挑选出的采样点中至少一个特征参数的平均值和方差；

3)将采集的各个采样点的至少一个特征参数、步骤2)中得到的该特征参数的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后对应的特征参数；

4)根据滤波后的各特征参数，得到滤波后的采样点：对滤波后的各特征参数进行拟合，得到拟合后的各采样点对应的特征参数；根据拟合后的各采样点对应的各特征参数，得到滤波后的采样点。

2.根据权利要求1所述的交流信号滤波方法，其特征在于，采用最小二乘法对滤波后的各特征参数进行拟合。

3.根据权利要求1所述的交流信号滤波方法，其特征在于，步骤2)中，采用跳动窗对采样点中至少一个特征参数进行正弦曲线拟合，得到若干个采样点对应的特征参数。

4.根据权利要求1～3任一项所述的交流信号滤波方法，其特征在于，步骤2)中，还包括对挑选出的若干个采样点进行筛选的步骤：将方差较大的采样点去除掉。

5.一种交流信号滤波装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的指令以实现如下方法步骤：

1)采集若干个交流信号周波的采样点，每个采样点包括的特征参数有：幅值、频率和初相位；

2)从每个周波的采样点中进行挑选，共挑选出若干个采样点，求取挑选出的采样点中至少一个特征参数的平均值和方差；

3)将采集的各个采样点的至少一个特征参数、步骤2)中得到的该特征参数的平均值和方差输入至卡尔曼滤波器进行滤波，得到各采样点滤波后对应的特征参数；

4)根据滤波后的各特征参数，得到滤波后的采样点：

对滤波后的各特征参数进行拟合，得到拟合后的各采样点对应的特征参数；根据拟合后的各采样点对应的各特征参数，得到滤波后的采样点。

6.根据权利要求5所述的交流信号滤波装置，其特征在于，用最小二乘法对滤波后的各特征参数进行拟合。

7.根据权利要求5所述的交流信号滤波装置，其特征在于，步骤2)中，采用跳动窗对采样点中至少一个特征参数进行正弦曲线拟合，得到若干个采样点对应的特征参数。

8.根据权利要求5～7任一项所述的交流信号滤波装置，其特征在于，步骤2)中，还包括对挑选出的若干个采样点进行筛选的步骤：将方差较大的采样点去除掉。

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