CN111931660A - 一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法和系统 - Google Patents

一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法和系统 Download PDF

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CN111931660A CN202010804979.3A CN202010804979A CN111931660A CN 111931660 A CN111931660 A CN 111931660A CN 202010804979 A CN202010804979 A CN 202010804979A CN 111931660 A CN111931660 A CN 111931660A
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Abstract

本发明的实施例公开一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法和系统，所述方法包括：步骤101获取按时间顺序采集的信号序列S；步骤102生成信号差分序列；步骤103求取自适应Jordan变换调整因子；步骤104求取自适应Jordan变换时间调整因子；步骤105求取N个自适应Jordan变换幅度调整因子；步骤106求取自适应Jordan变换系数；步骤107求取重构后的信号序列。

Description

一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法和系统
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其涉及一种功率信号的重构方法和系统。
背景技术
随着智能电网的发展，家庭用电负荷的分析变得越来越重要。通过用电负荷的分析，家庭用户可以及时获得每个电器的用电信息，以及电费的精细化清单；电力部门可以获得更详尽的用户用电信息，并可以提高用电负荷预测的准确度，为电力部门提供统筹规划的依据。同时，利用每个电器的用电信息，可获知用户的用电行为，这对于家庭能耗评估和节能策略的研究具有指导意义。
当前用电负荷分解主要分为侵入式负荷分解和非侵入式负荷分解两种方法。非侵入式负荷分解方法不需要在负荷的内部用电设备上安装监测设备，只需要根据用电负荷总信息即可获得每个用电设备的负荷信息。非侵入式负荷分解方法具有投入少、方便使用等特点，因此，该方法适用于家庭负荷用电的分解。
非侵入式负荷分解算法中，电气设备的开关事件检测是其中最重要的环节。最初的开关事件检测以有功功率P的变化值作为开关事件检测的判断依据，方便且直观。这是因为任何一个用电设备的运行状态发生变化，其所消耗的功率值也必然发生改变，并且该改变也将会在所有电器所消耗的总功率中体现出来。这种方法除了需要设置功率变化值的合理阈值，还需要解决事件检测方法在实际应用中存在的问题，例如某些电器启动时刻的瞬时功率值会出现较大的尖峰(马达启动电流远大于额定电流)，会造成电器稳态功率变化值不准确，从而影响对开关事件检测的判断；而且不同家用电器的暂态过程或长或短(脉冲噪声的持续时间和发生频率相差较大)，因此功率变化值的确定变得较为困难；由于电能质量的变化(如电压突降)有功功率会出现突变的情况，这样很可能会出现误判。同时，功率信号在采集和传输过程中，相关的仪器设备的运行状态可能暂时处于异常状态，常会造成功率信号的缺失。
因此，开关事件检测过程中，所使用的实测功率信号常常不完整，利用这些不完整的功率信号是不能正确地进行开关事件检测的。因此如何有效地重构不完整的功率信号，是此方法能否成功的关键。现在常用的方法，对此问题重视不够，还未采取有效的措施解决此问题。
发明内容
如前所述，开关事件检测过程中，所使用的实测功率信号常常不完整，利用这些不完整的功率信号是不能正确地进行开关事件检测的。因此如何有效地重构不完整的功率信号，是此方法能否成功的关键。现在常用的方法，对此问题重视不够，还未采取有效的措施解决此问题。
本发明的目的是提供一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法和系统，所提出的方法利用了功率信号的连续性，通过自适应Jordan变换性质区分功率信号和背景噪声。所提出的方法具有较好的信号重构性能，计算也较为简单。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法，包括：
步骤101获取按时间顺序采集的信号序列S；
步骤102生成信号差分序列，具体为：所述信号差分序列记为ΔS，其第一个元素为Δs1，值为0；第n个元素为Δsn，值为Δsn＝sn-sn-1；其中，n为元素序号，取值范围为n＝2,3,···,N；N为所述信号序列S的长度；
步骤103求取自适应Jordan变换调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换调整因子为λ，其求取公式为：
Figure BDA0002628782350000022
其中，σS为所述信号序列S的均方差；||ΔS||F为所述信号差分序列ΔS的Frobenus模；min|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最小元素；max|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最大元素；
步骤104求取自适应Jordan变换时间调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换时间调整因子为p，其计算公式为
Figure BDA00026287823500000210
其中，snr为所述信号序列S的信噪比；Δf为所述信号序列S的采样频率；max S为所述信号序列S的最大值；min S为所述信号序列S的最小值；
步骤105求取N个自适应Jordan变换幅度调整因子，具体为：第m个所述自适应Jordan变换幅度调整因子为am，其计算公式为
Figure BDA0002628782350000023
其中，Δsm为所述信号差分序列ΔS的第m个元素；mS为所述信号序列S的均值；m为因子序号，其取值范围为m＝1,2,···,N；
步骤106求取自适应Jordan变换系数，具体为:第n行第m列自适应Jordan变换系数为
Figure BDA0002628782350000024
其计算公式为：
Figure BDA0002628782350000025
Figure BDA0002628782350000026
其中，sn为所述信号序列S的第n个元素；Δsn-q为所述信号差分序列ΔS的第n-q个元素，如果n-q≤0，则所对应的第n-q个元素Δsn-q的值置为0；q为求和参数，其值为q＝1,2,···,N；
步骤107求取重构后的信号序列，具体为：所述重构后的信号序列记为Snew，其第m个元素为
Figure BDA0002628782350000027
其计算公式是
Figure BDA0002628782350000028
一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构系统，包括：
模块201获取按时间顺序采集的信号序列S；
模块202生成信号差分序列，具体为：所述信号差分序列记为ΔS，其第一个元素为Δs1，值为0；第n个元素为Δsn，值为Δsn＝sn-sn-1；其中，n为元素序号，取值范围为n＝2,3,···,N；N为所述信号序列S的长度；
模块203求取自适应Jordan变换调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换调整因子为λ，其求取公式为：
Figure BDA0002628782350000029
其中，σS为所述信号序列S的均方差；||ΔS||F为所述信号差分序列ΔS的Frobenus模；min|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最小元素；max|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最大元素；
模块204求取自适应Jordan变换时间调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换时间调整因子为p，其计算公式为
Figure BDA0002628782350000031
其中，snr为所述信号序列S的信噪比；Δf为所述信号序列S的采样频率；max S为所述信号序列S的最大值；min S为所述信号序列S的最小值；
模块205求取N个自适应Jordan变换幅度调整因子，具体为：第m个所述自适应Jordan变换幅度调整因子为am，其计算公式为
Figure BDA0002628782350000032
其中，Δsm为所述信号差分序列ΔS的第m个元素；mS为所述信号序列S的均值；m为因子序号，其取值范围为m＝1,2,···,N；
模块206求取自适应Jordan变换系数，具体为:第n行第m列自适应Jordan变换系数为
Figure BDA0002628782350000033
其计算公式为：
Figure BDA0002628782350000034
Figure BDA0002628782350000035
其中，sn为所述信号序列S的第n个元素；Δsn-q为所述信号差分序列ΔS的第n-q个元素，如果n-q≤0，则所对应的第n-q个元素Δsn-q的值置为0；q为求和参数，其值为q＝1,2,···,N；
模块207求取重构后的信号序列，具体为：所述重构后的信号序列记为Snew，其第m个元素为
Figure BDA0002628782350000036
其计算公式是
Figure BDA0002628782350000037
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
如前所述，开关事件检测过程中，所使用的实测功率信号常常不完整，利用这些不完整的功率信号是不能正确地进行开关事件检测的。因此如何有效地重构不完整的功率信号，是此方法能否成功的关键。现在常用的方法，对此问题重视不够，还未采取有效的措施解决此问题。
本发明的目的是提供一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法和系统，所提出的方法利用了功率信号的连续性，通过自适应Jordan变换性质区分功率信号和背景噪声。所提出的方法具有较好的信号重构性能，计算也较为简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的系统流程示意图；
图3为本发明的具体实施案例流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法的流程示意图
图1为本发明一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法的流程示意图。如图1所示，所述的一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法具体包括以下步骤：
步骤101获取按时间顺序采集的信号序列S；
步骤102生成信号差分序列，具体为：所述信号差分序列记为ΔS，其第一个元素为Δs1，值为0；第n个元素为Δsn，值为Δsn＝sn-sn-1；其中，n为元素序号，取值范围为n＝2,3,···,N；N为所述信号序列S的长度；
步骤103求取自适应Jordan变换调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换调整因子为λ，其求取公式为：
Figure BDA0002628782350000041
其中，σS为所述信号序列S的均方差；||ΔS||F为所述信号差分序列ΔS的Frobenus模；min|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最小元素；max|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最大元素；
步骤104求取自适应Jordan变换时间调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换时间调整因子为p，其计算公式为
Figure BDA0002628782350000042
其中，snr为所述信号序列S的信噪比；Δf为所述信号序列S的采样频率；max S为所述信号序列S的最大值；min S为所述信号序列S的最小值；
步骤105求取N个自适应Jordan变换幅度调整因子，具体为：第m个所述自适应Jordan变换幅度调整因子为am，其计算公式为
Figure BDA0002628782350000043
其中，Δsm为所述信号差分序列ΔS的第m个元素；mS为所述信号序列S的均值；m为因子序号，其取值范围为m＝1,2,···,N；
步骤106求取自适应Jordan变换系数，具体为:第n行第m列自适应Jordan变换系数为
Figure BDA0002628782350000044
其计算公式为：
Figure BDA0002628782350000045
Figure BDA0002628782350000046
其中，sn为所述信号序列S的第n个元素；Δsn-q为所述信号差分序列ΔS的第n-q个元素，如果n-q≤0，则所对应的第n-q个元素Δsn-q的值置为0；q为求和参数，其值为q＝1,2,···,N；
步骤107求取重构后的信号序列，具体为：所述重构后的信号序列记为Snew，其第m个元素为
Figure BDA0002628782350000047
其计算公式是
Figure BDA0002628782350000048
图2一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构系统的结构意图
图2为本发明一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构系统的结构示意图。如图2所示，所述一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构系统包括以下结构：
模块201获取按时间顺序采集的信号序列S；
模块202生成信号差分序列，具体为：所述信号差分序列记为ΔS，其第一个元素为Δs1，值为0；第n个元素为Δsn，值为Δsn＝sn-sn-1；其中，n为元素序号，取值范围为n＝2,3,···,N；N为所述信号序列S的长度；
模块203求取自适应Jordan变换调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换调整因子为λ，其求取公式为：
Figure BDA0002628782350000051
其中，σS为所述信号序列S的均方差；||ΔS||F为所述信号差分序列ΔS的Frobenus模；min|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最小元素；max|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最大元素；
模块204求取自适应Jordan变换时间调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换时间调整因子为p，其计算公式为
Figure BDA0002628782350000052
其中，snr为所述信号序列S的信噪比；Δf为所述信号序列S的采样频率；max S为所述信号序列S的最大值；min S为所述信号序列S的最小值；
模块205求取N个自适应Jordan变换幅度调整因子，具体为：第m个所述自适应Jordan变换幅度调整因子为am，其计算公式为
Figure BDA0002628782350000053
其中，Δsm为所述信号差分序列ΔS的第m个元素；mS为所述信号序列S的均值；m为因子序号，其取值范围为m＝1,2,···,N；
模块206求取自适应Jordan变换系数，具体为:第n行第m列自适应Jordan变换系数为
Figure BDA0002628782350000054
其计算公式为：
Figure BDA0002628782350000055
Figure BDA0002628782350000056
其中，sn为所述信号序列S的第n个元素；Δsn-q为所述信号差分序列ΔS的第n-q个元素，如果n-q≤0，则所对应的第n-q个元素Δsn-q的值置为0；q为求和参数，其值为q＝1,2,···,N；
模块207求取重构后的信号序列，具体为：所述重构后的信号序列记为Snew，其第m个元素为
Figure BDA0002628782350000057
其计算公式是
Figure BDA0002628782350000058
下面提供一个具体实施案例，进一步说明本发明的方案
图3为本发明具体实施案例的流程示意图。如图3所示，具体包括以下步骤：
步骤301获取按时间顺序采集的信号序列S；
步骤302生成信号差分序列，具体为：所述信号差分序列记为ΔS，其第一个元素为Δs1，值为0；第n个元素为Δsn，值为Δsn＝sn-sn-1；其中，n为元素序号，取值范围为n＝2,3,···,N；N为所述信号序列S的长度；
步骤303求取自适应Jordan变换调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换调整因子为λ，其求取公式为：
Figure BDA0002628782350000059
其中，σS为所述信号序列S的均方差；||ΔS||F为所述信号差分序列ΔS的Frobenus模；min|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最小元素；max|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最大元素；
步骤304求取自适应Jordan变换时间调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换时间调整因子为p，其计算公式为
Figure BDA0002628782350000061
其中，snr为所述信号序列S的信噪比；Δf为所述信号序列S的采样频率；max S为所述信号序列S的最大值；min S为所述信号序列S的最小值；
步骤305求取N个自适应Jordan变换幅度调整因子，具体为：第m个所述自适应Jordan变换幅度调整因子为am，其计算公式为
Figure BDA0002628782350000062
其中，Δsm为所述信号差分序列ΔS的第m个元素；mS为所述信号序列S的均值；m为因子序号，其取值范围为m＝1,2,···,N；
步骤306求取自适应Jordan变换系数，具体为:第n行第m列自适应Jordan变换系数为
Figure BDA0002628782350000063
其计算公式为：
Figure BDA0002628782350000064
Figure BDA0002628782350000065
其中，sn为所述信号序列S的第n个元素；Δsn-q为所述信号差分序列ΔS的第n-q个元素，如果n-q≤0，则所对应的第n-q个元素Δsn-q的值置为0；q为求和参数，其值为q＝1,2,···,N；
步骤307求取重构后的信号序列，具体为：所述重构后的信号序列记为Snew，其第m个元素为
Figure BDA0002628782350000066
其计算公式是
Figure BDA0002628782350000067
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述较为简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构方法，其特征在于，包括：
步骤101获取按时间顺序采集的信号序列S；
步骤102生成信号差分序列，具体为：所述信号差分序列记为ΔS，其第一个元素为Δs1，值为0；第n个元素为Δsn，值为Δsn＝sn-sn-1；其中，n为元素序号，取值范围为n＝2,3,···,N；N为所述信号序列S的长度；
步骤103求取自适应Jordan变换调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换调整因子为λ，其求取公式为：
Figure FDA0002628782340000011
Figure FDA0002628782340000012
其中，σS为所述信号序列S的均方差；||ΔS||F为所述信号差分序列ΔS的Frobenus模；min|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最小元素；max|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最大元素；
步骤104求取自适应Jordan变换时间调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换时间调整因子为p，其计算公式为
Figure FDA0002628782340000013
Figure FDA0002628782340000014
其中，snr为所述信号序列S的信噪比；Δf为所述信号序列S的采样频率；maxS为所述信号序列S的最大值；minS为所述信号序列S的最小值；
步骤105求取N个自适应Jordan变换幅度调整因子，具体为：第m个所述自适应Jordan变换幅度调整因子为am，其计算公式为
Figure FDA0002628782340000015
其中，Δsm为所述信号差分序列ΔS的第m个元素；mS为所述信号序列S的均值；m为因子序号，其取值范围为m＝1,2,···,N；
步骤106求取自适应Jordan变换系数，具体为:第n行第m列自适应Jordan变换系数为
Figure FDA00026287823400000110
其计算公式为：
Figure FDA0002628782340000016
Figure FDA0002628782340000017
其中，sn为所述信号序列S的第n个元素；Δsn-q为所述信号差分序列ΔS的第n-q个元素，如果n-q≤0，则所对应的第n-q个元素Δsn-q的值置为0；q为求和参数，其值为q＝1,2,···,N；
步骤107求取重构后的信号序列，具体为：所述重构后的信号序列记为Snew，其第m个元素为
Figure FDA0002628782340000019
其计算公式是
Figure FDA00026287823400000111
Figure FDA0002628782340000018
2.一种利用自适应Jordan变换的功率信号重构系统，其特征在于，包括：
模块201获取按时间顺序采集的信号序列S；
模块202生成信号差分序列，具体为：所述信号差分序列记为ΔS，其第一个元素为Δs1，值为0；第n个元素为Δsn，值为Δsn＝sn-sn-1；其中，n为元素序号，取值范围为n＝2,3,···,N；N为所述信号序列S的长度；
模块203求取自适应Jordan变换调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换调整因子为λ，其求取公式为：
Figure FDA0002628782340000021
Figure FDA0002628782340000022
其中，σS为所述信号序列S的均方差；||ΔS||F为所述信号差分序列ΔS的Frobenus模；min|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最小元素；max|ΔS|为所述信号差分序列ΔS绝对值最大元素；
模块204求取自适应Jordan变换时间调整因子，具体为：所述自适应Jordan变换时间调整因子为p，其计算公式为
Figure FDA0002628782340000024
Figure FDA0002628782340000023
其中，snr为所述信号序列S的信噪比；Δf为所述信号序列S的采样频率；maxS为所述信号序列S的最大值；minS为所述信号序列S的最小值；
模块205求取N个自适应Jordan变换幅度调整因子，具体为：第m个所述自适应Jordan变换幅度调整因子为am，其计算公式为
Figure FDA0002628782340000025
其中，Δsm为所述信号差分序列ΔS的第m个元素；mS为所述信号序列S的均值；m为因子序号，其取值范围为m＝1,2,···,N；
模块206求取自适应Jordan变换系数，具体为:第n行第m列自适应Jordan变换系数为
Figure FDA0002628782340000026
其计算公式为：
Figure FDA00026287823400000211
Figure FDA0002628782340000027
其中，sn为所述信号序列S的第n个元素；Δsn-q为所述信号差分序列ΔS的第n-q个元素，如果n-q≤0，则所对应的第n-q个元素Δsn-q的值置为0；q为求和参数，其值为q＝1,2,···,N；
模块207求取重构后的信号序列，具体为：所述重构后的信号序列记为Snew，其第m个元素为
Figure FDA0002628782340000029
其计算公式是
Figure FDA00026287823400000210
Figure FDA0002628782340000028
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