CN112362967A - 一种利用kl散度的功率信号滤波方法和系统 - Google Patents

一种利用kl散度的功率信号滤波方法和系统 Download PDF

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CN112362967A
CN112362967A CN202011151364.1A CN202011151364A CN112362967A CN 112362967 A CN112362967 A CN 112362967A CN 202011151364 A CN202011151364 A CN 202011151364A CN 112362967 A CN112362967 A CN 112362967A
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CN
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signal sequence
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signal
value
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翟明岳
李道格
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Guangdong University of Petrochemical Technology
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Abstract

本发明的实施例公开一种利用KL散度的功率信号滤波方法和系统，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 求取信号分块块数；步骤103 求取分块信号序列；步骤104 创建迭代控制参数并赋值，生成NBLOCK个KL散度矢量并赋值；步骤105 更新NBLOCK个分块信号序列的值；步骤106 求取迭代误差并结束迭代更新；步骤107 求取重构后的信号序列。

Description

一种利用KL散度的功率信号滤波方法和系统
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其涉及一种功率信号的滤波方法和系统。
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。
因此，开关事件检测过程中，所使用的实测功率信号常常受到噪声的影响，利用这些不完善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，滤除噪声的影响，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
开关事件检测过程中，所使用的实测功率信号常常受到噪声的影响，利用这些不完善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，滤除噪声的影响，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KL散度的功率信号滤波方法和系统，所提出的方法利用了功率信号与噪声在发生机制方面的差异，根据KL散度性质，实现功率信号的滤波。所提出的方法具有较好的鲁棒性，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KL散度的功率信号滤波方法，包括：
步骤101获取按时间顺序采集的信号序列S
步骤102求取信号分块块数，具体为：信号分块块数记为NBLOCK，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000021
其中：
Figure BDA0002741415790000022
为所述信号序列S的方差,
N为所述信号序列S的长度,
SNR为所述信号序列S的信噪比，
Figure BDA0002741415790000023
表示对
Figure BDA0002741415790000024
下取整；
步骤103求取分块信号序列，具体为：第m个分块信号序列记为bm，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000025
其中：
m＝1,2,…,NBLOCK为块序号，
Figure BDA0002741415790000026
为所述分块信号序列bm的长度，
Figure BDA0002741415790000027
表示对
Figure BDA0002741415790000028
上取整，
Figure BDA0002741415790000029
所述信号序列S的第(m-1)N0+1个元素，
Figure BDA00027414157900000210
所述信号序列S的第(m-1)N0+2个元素，
Figure BDA00027414157900000211
所述信号序列S的第mN0个元素；
步骤104创建迭代控制参数并赋值，生成NBLOCK个KL散度矢量并赋值，具体为：
迭代控制参数记为k，并赋值为0；第m个KL散度矢量记为hm，其初始化值
Figure BDA00027414157900000212
赋值为bm；
步骤105更新NBLOCK个分块信号序列的值，具体为：
Figure BDA00027414157900000213
其中：
Figure BDA00027414157900000214
为所述第m个KL散度矢量hm的第k+1步值，
Figure BDA00027414157900000215
为所述第m个KL散度矢量hm的第k步值，
Figure BDA00027414157900000216
为冲量因子，
Figure BDA0002741415790000031
为下降速度，
Figure BDA0002741415790000032
为相邻因子，
si为所述信号序列S中的第i个元素，
sj为所述信号序列S中的第j个元素，
i＝1,2,…,N为行序号，
j＝1,2,…,N为列序号，
m0为所述信号序列S中的均值；
步骤106求取迭代误差并结束迭代更新，具体为：迭代误差记为ε＝||bk+1-bk||；如果所述迭代误差ε≥0.001，则返回所述步骤105和所述步骤106重新迭代更新；否则，迭代更新过程结束，并将所述迭代控制参数k的值赋给步骤结束变量Ko，并得到第m个分块滤波后信号序列
Figure BDA0002741415790000033
步骤107求取重构后的信号序列，具体为：重构后的信号序列记为Snew，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000034
一种利用KL散度的功率信号滤波系统，包括：
模块201获取按时间顺序采集的信号序列S
模块202求取信号分块块数，具体为：信号分块块数记为NBLOCK，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000035
其中：
Figure BDA0002741415790000036
为所述信号序列S的方差,
N为所述信号序列S的长度,
SNR为所述信号序列S的信噪比，
Figure BDA0002741415790000037
表示对
Figure BDA0002741415790000038
下取整；
模块203求取分块信号序列，具体为：第m个分块信号序列记为bm，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000039
其中：
m＝1,2,…,NBLOCK为块序号，
Figure BDA00027414157900000310
为所述分块信号序列bm的长度，
Figure BDA0002741415790000041
表示对
Figure BDA0002741415790000042
上取整，
Figure BDA0002741415790000043
所述信号序列S的第(m-1)N0+1个元素，
Figure BDA0002741415790000044
所述信号序列S的第(m-1)N0+2个元素，
Figure BDA0002741415790000045
所述信号序列S的第mN0个元素；
模块204创建迭代控制参数并赋值，生成NBLOCK个KL散度矢量并赋值，具体为：
迭代控制参数记为k，并赋值为0；第m个KL散度矢量记为hm，其初始化值
Figure BDA0002741415790000046
赋值为bm；
模块205更新NBLOCK个分块信号序列的值，具体为：
Figure BDA0002741415790000047
其中：
Figure BDA0002741415790000048
为所述第m个KL散度矢量hm的第k+1步值，
Figure BDA0002741415790000049
为所述第m个KL散度矢量hm的第k步值，
Figure BDA00027414157900000410
为冲量因子，
Figure BDA00027414157900000411
为下降速度，
Figure BDA00027414157900000412
为相邻因子，
si为所述信号序列S中的第i个元素，
sj为所述信号序列S中的第j个元素，
i＝1,2,…,N为行序号，
j＝1,2,…,N为列序号，
m0为所述信号序列S中的均值；
模块206求取迭代误差并结束迭代更新，具体为：迭代误差记为ε＝||bk+1-bk||；如果所述迭代误差ε≥0.001，则返回所述模块205和所述模块206重新迭代更新；否则，迭代更新过程结束，并将所述迭代控制参数k的值赋给步骤结束变量Ko，并得到第m个分块滤波后信号序列
Figure BDA00027414157900000413
模块207求取重构后的信号序列，具体为：重构后的信号序列记为Snew，所用求取公式为：
Figure BDA00027414157900000414
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：
开关事件检测过程中，所使用的实测功率信号常常受到噪声的影响，利用这些不完善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，滤除噪声的影响，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KL散度的功率信号滤波方法和系统，所提出的方法利用了功率信号与噪声在发生机制方面的差异，根据KL散度性质，实现功率信号的滤波。所提出的方法具有较好的鲁棒性，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KL散度的功率信号滤波方法的流程示意图
图1为本发明一种利用KL散度的功率信号滤波方法的流程示意图。如图1所示，所述的一种利用KL散度的功率信号滤波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求取信号分块块数，具体为：信号分块块数记为NBLOCK，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000051
其中：
Figure BDA0002741415790000052
为所述信号序列S的方差,
N为所述信号序列S的长度,
SNR为所述信号序列S的信噪比，
Figure BDA0002741415790000053
表示对
Figure BDA0002741415790000054
下取整；
步骤103求取分块信号序列，具体为：第m个分块信号序列记为bm，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000061
其中：
m＝1,2,…,NBLOCK为块序号，
Figure BDA0002741415790000062
为所述分块信号序列bm的长度，
Figure BDA0002741415790000063
表示对
Figure BDA0002741415790000064
上取整，
Figure BDA0002741415790000065
所述信号序列S的第(m-1)N0+1个元素，
Figure BDA0002741415790000066
所述信号序列S的第(m-1)N0+2个元素，
Figure BDA0002741415790000067
所述信号序列S的第mN0个元素；
步骤104创建迭代控制参数并赋值，生成NBLOCK个KL散度矢量并赋值，具体为：
迭代控制参数记为k，并赋值为0；第m个KL散度矢量记为hm，其初始化值
Figure BDA0002741415790000068
赋值为bm；
步骤105更新NBLOCK个分块信号序列的值，具体为：
Figure BDA0002741415790000069
其中：
Figure BDA00027414157900000610
为所述第m个KL散度矢量hm的第k+1步值，
Figure BDA00027414157900000611
为所述第m个KL散度矢量hm的第k步值，
Figure BDA00027414157900000612
为冲量因子，
Figure BDA00027414157900000613
为下降速度，
Figure BDA00027414157900000614
为相邻因子，
si为所述信号序列S中的第i个元素，
sj为所述信号序列S中的第j个元素，
i＝1,2,…,N为行序号，
j＝1,2,…,N为列序号，
m0为所述信号序列S中的均值；
步骤106求取迭代误差并结束迭代更新，具体为：迭代误差记为ε＝||bk+1-bk||；如果所述迭代误差ε≥0.001，则返回所述步骤105和所述步骤106重新迭代更新；否则，迭代更新过程结束，并将所述迭代控制参数k的值赋给步骤结束变量Ko，并得到第m个分块滤波后信号序列
Figure BDA00027414157900000615
步骤107求取重构后的信号序列，具体为：重构后的信号序列记为Snew，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000071
图2一种利用KL散度的功率信号滤波系统的结构意图
图2为本发明一种利用KL散度的功率信号滤波系统的结构示意图。如图2所示，所述一种利用KL散度的功率信号滤波系统包括以下结构：
模块201获取按时间顺序采集的信号序列S
模块202求取信号分块块数，具体为：信号分块块数记为NBLOCK，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000072
其中：
Figure BDA0002741415790000073
为所述信号序列S的方差,
N为所述信号序列S的长度,
SNR为所述信号序列S的信噪比，
Figure BDA0002741415790000074
表示对
Figure BDA0002741415790000075
下取整；
模块203求取分块信号序列，具体为：第m个分块信号序列记为bm，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000076
其中：
m＝1,2,…,NBLOCK为块序号，
Figure BDA0002741415790000077
为所述分块信号序列bm的长度，
Figure BDA0002741415790000078
表示对
Figure BDA0002741415790000079
上取整，
Figure BDA00027414157900000710
所述信号序列S的第(m-1)N0+1个元素，
Figure BDA00027414157900000711
所述信号序列S的第(m-1)N0+2个元素，
Figure BDA00027414157900000712
所述信号序列S的第mN0个元素；
模块204创建迭代控制参数并赋值，生成NBLOCK个KL散度矢量并赋值，具体为：
迭代控制参数记为k，并赋值为0；第m个KL散度矢量记为hm，其初始化值
Figure BDA00027414157900000713
赋值为bm；
模块205更新NBLOCK个分块信号序列的值，具体为：
Figure BDA0002741415790000081
其中：
Figure BDA0002741415790000082
为所述第m个KL散度矢量hm的第k+1步值，
Figure BDA0002741415790000083
为所述第m个KL散度矢量hm的第k步值，
Figure BDA0002741415790000084
为冲量因子，
Figure BDA0002741415790000085
为下降速度，
Figure BDA0002741415790000086
为相邻因子，
si为所述信号序列S中的第i个元素，
sj为所述信号序列S中的第j个元素，
i＝1,2,…,N为行序号，
j＝1,2,…,N为列序号，
m0为所述信号序列S中的均值；
模块206求取迭代误差并结束迭代更新，具体为：迭代误差记为ε＝||bk+1-bk||；如果所述迭代误差ε≥0.001，则返回所述模块205和所述模块206重新迭代更新；否则，迭代更新过程结束，并将所述迭代控制参数k的值赋给步骤结束变量Ko，并得到第m个分块滤波后信号序列
Figure BDA0002741415790000087
模块207求取重构后的信号序列，具体为：重构后的信号序列记为Snew，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000088
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求取信号分块块数，具体为：信号分块块数记为NBLOCK，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000089
其中：
Figure BDA00027414157900000810
为所述信号序列S的方差,
N为所述信号序列S的长度,
SNR为所述信号序列S的信噪比，
Figure BDA00027414157900000811
表示对
Figure BDA00027414157900000812
下取整；
步骤303求取分块信号序列，具体为：第m个分块信号序列记为bm，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000091
其中：
m＝1,2,…,NBLOCK为块序号，
Figure BDA0002741415790000092
为所述分块信号序列bm的长度，
Figure BDA0002741415790000093
表示对
Figure BDA0002741415790000094
上取整，
Figure BDA0002741415790000095
所述信号序列S的第(m-1)N0+1个元素，
Figure BDA0002741415790000096
所述信号序列S的第(m-1)N0+2个元素，
Figure BDA0002741415790000097
所述信号序列S的第mN0个元素；
步骤304创建迭代控制参数并赋值，生成NBLOCK个KL散度矢量并赋值，具体为：
迭代控制参数记为k，并赋值为0；第m个KL散度矢量记为hm，其初始化值
Figure BDA0002741415790000098
赋值为bm；
步骤305更新NBLOCK个分块信号序列的值，具体为：
Figure BDA0002741415790000099
其中：
Figure BDA00027414157900000910
为所述第m个KL散度矢量hm的第k+1步值，
Figure BDA00027414157900000911
为所述第m个KL散度矢量hm的第k步值，
Figure BDA00027414157900000912
为冲量因子，
Figure BDA00027414157900000913
为下降速度，
Figure BDA00027414157900000914
为相邻因子，
si为所述信号序列S中的第i个元素，
sj为所述信号序列S中的第j个元素，
i＝1,2,…,N为行序号，
j＝1,2,…,N为列序号，
m0为所述信号序列S中的均值；
步骤306求取迭代误差并结束迭代更新，具体为：迭代误差记为ε＝||bk+1-bk||；如果所述迭代误差ε≥0.001，则返回所述步骤305和所述步骤306重新迭代更新；否则，迭代更新过程结束，并将所述迭代控制参数k的值赋给步骤结束变量Ko，并得到第m个分块滤波后信号序列
Figure BDA00027414157900000915
步骤307求取重构后的信号序列，具体为：重构后的信号序列记为Snew，所用求取公式为：
Figure BDA0002741415790000101
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KL散度的功率信号滤波方法，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求取信号分块块数，具体为：信号分块块数记为NBLOCK，所用求取公式为：
Figure FDA0002741415780000011
其中：
Figure FDA0002741415780000012
为所述信号序列S的方差,
N为所述信号序列S的长度,
SNR为所述信号序列S的信噪比，
Figure FDA0002741415780000013
表示对
Figure FDA0002741415780000014
下取整；
步骤103求取分块信号序列，具体为：第m个分块信号序列记为bm，所用求取公式为：
Figure FDA0002741415780000015
其中：
m＝1,2,…,NBLOCK为块序号，
Figure FDA0002741415780000016
为所述分块信号序列bm的长度，
Figure FDA0002741415780000017
表示对
Figure FDA0002741415780000018
上取整，
Figure FDA0002741415780000019
所述信号序列S的第(m-1)N0+1个元素，
Figure FDA00027414157800000110
所述信号序列S的第(m-1)N0+2个元素，
Figure FDA00027414157800000111
所述信号序列S的第mN0个元素；
步骤104创建迭代控制参数并赋值，生成NBLOCK个KL散度矢量并赋值，具体为：
迭代控制参数记为k，并赋值为0；第m个KL散度矢量记为hm，其初始化值
Figure FDA00027414157800000112
赋值为bm；
步骤105更新NBLOCK个分块信号序列的值，具体为：
Figure FDA00027414157800000113
其中：
Figure FDA00027414157800000114
为所述第m个KL散度矢量hm的第k+1步值，
Figure FDA00027414157800000115
为所述第m个KL散度矢量hm的第k步值，
Figure FDA00027414157800000116
为冲量因子，
Figure FDA00027414157800000117
为下降速度，
Figure FDA00027414157800000118
为相邻因子，
si为所述信号序列S中的第i个元素，
sj为所述信号序列S中的第j个元素，
i＝1,2,…,N为行序号，
j＝1,2,…,N为列序号，
m0为所述信号序列S中的均值；
步骤106求取迭代误差并结束迭代更新，具体为：迭代误差记为ε＝||bk+1-bk||；如果所述迭代误差ε≥0.001，则返回所述步骤105和所述步骤106重新迭代更新；否则，迭代更新过程结束，并将所述迭代控制参数k的值赋给步骤结束变量Ko，并得到第m个分块滤波后信号序列
Figure FDA0002741415780000021
步骤107求取重构后的信号序列，具体为：重构后的信号序列记为Snew，所用求取公式为：
Figure FDA0002741415780000022
2.一种利用KL散度的功率信号滤波系统，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求取信号分块块数，具体为：信号分块块数记为NBLOCK，所用求取公式为：
Figure FDA0002741415780000023
其中：
Figure FDA0002741415780000024
为所述信号序列S的方差,
N为所述信号序列S的长度,
SNR为所述信号序列S的信噪比，
Figure FDA0002741415780000025
表示对
Figure FDA0002741415780000026
下取整；
模块203求取分块信号序列，具体为：第m个分块信号序列记为bm，所用求取公式为：
Figure FDA0002741415780000027
其中：
m＝1,2,…,NBLOCK为块序号，
Figure FDA0002741415780000028
为所述分块信号序列bm的长度，
Figure FDA0002741415780000029
表示对
Figure FDA00027414157800000210
上取整，
Figure FDA00027414157800000211
所述信号序列S的第(m-1)N0+1个元素，
Figure FDA00027414157800000212
所述信号序列S的第(m-1)N0+2个元素，
Figure FDA00027414157800000213
所述信号序列S的第mN0个元素；
模块204创建迭代控制参数并赋值，生成NBLOCK个KL散度矢量并赋值，具体为：
迭代控制参数记为k，并赋值为0；第m个KL散度矢量记为hm，其初始化值
Figure FDA0002741415780000031
赋值为bm；
模块205更新NBLOCK个分块信号序列的值，具体为：
Figure FDA0002741415780000032
其中：
Figure FDA0002741415780000033
为所述第m个KL散度矢量hm的第k+1步值，
Figure FDA0002741415780000034
为所述第m个KL散度矢量hm的第k步值，
Figure FDA0002741415780000035
为冲量因子，
Figure FDA0002741415780000036
为下降速度，
Figure FDA0002741415780000037
为相邻因子，
si为所述信号序列S中的第i个元素，
sj为所述信号序列S中的第j个元素，
i＝1,2,…,N为行序号，
j＝1,2,…,N为列序号，
m0为所述信号序列S中的均值；
模块206求取迭代误差并结束迭代更新，具体为：迭代误差记为ε＝||bk+1-bk||；如果所述迭代误差ε≥0.001，则返回所述模块205和所述模块206重新迭代更新；否则，迭代更新过程结束，并将所述迭代控制参数k的值赋给步骤结束变量Ko，并得到第m个分块滤波后信号序列
Figure FDA0002741415780000038
模块207求取重构后的信号序列，具体为：重构后的信号序列记为Snew，所用求取公式为：
Figure FDA0002741415780000039
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2017118099A1 (zh) * 2016-01-04 2017-07-13 中兴通讯股份有限公司 上行导频分配及接收波束赋形矢量联合优化方法、装置
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