CN113740678A - 一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法及系统，属于电网环境保护领域。本发明方法包括：采集目标试验导线的电晕电流测量数据；对采集的电晕电流数据，进行滤除工频及倍频谐波干扰处理；对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行滤除窄带干扰处理，得出降噪的电晕电流测量数据。本发明相比于利用数字多频陷波器进行电晕电流数据降噪算法实现比较简单，相比于传统的频域滤波算法，保留了更多的电晕电流信号，而且适用性强。

Description

一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法及系统

技术领域

本发明涉及电网环境保护领域，并且更具体地，涉及一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法及系统。

背景技术

通常高压输电线路上会产生电晕放电，进而会产生可听噪声、无线电干扰和电晕损耗等，对周围的自然环境和输电工程的正常运行会造成一定的影响。国外对高压直流线路的电磁环境研究起步较早，最早开始于美国工程师皮克，他利用不同直径的输电导线进行电磁环境实验，得到输电导线刚发生电晕放电时的电压，提出了起晕场强预测的Peek公式。

真型导线的电晕电流测量系统一般安装在户外大型试验线段上，正常工作时会受到各种空间信号的干扰，采集得到的电晕电流数据里不仅含有原始的电晕电流信号，而且含有多种噪声干扰信号。在对电晕电流信号进行分析研究时，需要剔除电晕电流数据中的各种噪声干扰。国内学者通过分析研究工频周期的包络信号的特性来滤除电晕电流信号的周期性脉冲干扰。但是，这些算法仅能滤除单一干扰信号，适用性不强。

在实际的电晕电流测量实验中，测量系统的采集对象仅为实际试验线段的一部分，即测得的是多个电晕放电点的放电实验数据，因为天气等自然情况的不确定性的因素，电晕放电特性也具有很大的不确定性。中国电力科学研究院对电晕电流信号做了具体的分析研究，对加压之后的采集得到的电晕电流信号和背景干扰信号对比分析，发现加压之后的电晕电流信号在时域上会出现正向和反向的波动。通过研究在1200Hz以下的电晕电流数据的频谱发现，在分裂导线的正负极线路上所采集得到的电晕电流数据频谱上都有以50Hz为等间隔的特征。在1200Hz以下，以100Hz为起始频率点，100Hz为间隔的偶次谐波对电晕电流信号的影响比较大。这些偶次谐波对应的频谱幅值较大，出现这种情况是由于在交流转换为直流时，逆变整流不完全造成的。

对于这种工频谐波及其倍频谐波的滤除方法研究，国内的科研机构和学生一般都是使用数字多频陷波器。它是在时域上对信号滤除工频谐波的。该滤波方式不仅可以应用在雷达等通信处理领域，对于在电晕电流信号处理中同样是适用的。北京航空航天大学的学生孙娜对传统的数字多频陷波器进行了改进，通过背景干扰和加压之后的电晕电流信号进行对比分析，确定谐波干扰的指标，例如谐波中心频率和频带宽。根据谐波的指标设计数字多频陷波器，以此来滤除工频谐波，改善原始的电晕电流信号。

数字多频陷波器虽然能有效地滤除电晕电流信号中的谐波干扰，但是设计比较复杂。在对高压直流电晕电流信号处理研究中，如果对需要滤波频率对应的频谱幅值采用简单的置零处理，会丢失有用的电晕电流信号。在0Hz-1200Hz内的电晕电流信号含有丰富的信息。

由于常进行电晕电流测量的电晕笼和试验线段均在户外，采集到的信号数据不仅包含电晕电流信号之外，还存在多种噪声干扰成分，非常复杂，这对特高压直流线路的电晕特性研究带来了一系列的困难。中国电力科学研究院的专家对电晕电流数据中的噪声干扰的来源和噪声类型进行了深入地研究分析。利用针对特高压直流电晕电流数据提取AM信号的方法确定了数据中一共含有20种AM信号。在实际的特高压直流电晕电流测量实验中，电晕电流测量系统采集的是一段导线的电晕电流数据。在测量实验时，由于天气等自然情况的不同，电晕特性也会存在不确定性。综合对0kV电压下采集得到的背景干扰数据分析研究可知，我们在对特高压直流电晕电流信号进行降噪处理时，不仅需要考虑最大限度保留电晕放电信号，还需要在有效滤除窄带干扰的同时，保证其它有用的电晕电流信号的频谱特征不被破坏。国内的科研机构和学校对频域抗窄带干扰技术的研究已持续多年，多针对特定频点采用陷波等处理算法，但陷波滤波器有陷波的个数等多方面的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于为了消除已有算法在处理户外真型导线的电晕电流数据中的不足，而提出了一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法，包括：

采集目标试验导线的电晕电流测量数据；

对采集的电晕电流数据，进行滤除工频及倍频谐波干扰处理；

对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行滤除窄带干扰处理，得到降噪的电晕电流测量数据。

可选的，采集电晕电流测量数据包括：

架设试验导线，并针对试验导线安装电晕电流测量装置；

通过电晕电流测量装置采集试验导线的电晕电流测量数据；

采集的电晕电流测量数据通过光纤传输至试验终端设备。

可选的，滤除工频及倍频谐波干扰处理包括：

计算电晕电流测量数据的离散频谱；

针对离散频谱进行在工频及倍频谐波干扰处做平滑处理；

对平滑处理后的离散频谱，进行傅里叶逆变换。

可选的，滤除窄带干扰包括：

针对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，计算离散频谱；

根据离散频谱确定谱线门限值，对离散频谱大于门限值的谱线进行均值平滑处理；

对平滑处理后的频谱数据进行傅里叶逆变换。

可选的，计算离散频谱具体为：

针对电晕电流测量数据进行傅里叶变换，获取离散频谱。

可选的，平滑处理为：

采用插值补偿算法，使谐波频带内的信号与其它频段一样保持平稳。

可选的，离散频谱具体为：

对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行离散傅里叶变换，并在频域范围内计算谱线幅值。

可选的，计算门限值具体为：

对不含窄带干扰的频率的频谱幅值进行均值处理,固定门限TH＝Nu，u为均值，N为固定门限的系数；

其中，固定门限的系数N是通过对比滤除窄带干扰的数量和质量确定。

可选的，对大于门限值的谱线进行均值平滑处理为：

记录下所有幅值大于门限值的中心频率点，对记录下的中心频率点对应的谱线做均值平滑处理。

本发明还提出了一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法，包括：

采集目标试验导线的电晕电流测量数据；

对采集的电晕电流数据，进行傅里叶变换；

并针对变换后的电晕电流数据进行滤除工频及倍频谐波干扰处理，和滤除窄带干扰处理；

对进行了滤除工频及倍频谐波干扰处理，和滤除窄带干扰处理的电晕电流数据进行，傅里叶逆变换，得到降噪的电晕电流测量数据。

本发明还提出了一种适用于电晕电流测量数据的降噪系统，所述系统包括：

采集单元，采集目标试验导线的电晕电流测量数据；

滤除处理单元，对采集的电晕电流数据，进行滤除工频及倍频谐波干扰处理；

降噪单元，对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行滤除窄带干扰处理，得到降噪的电晕电流测量数据。

本发明相比于利用数字多频陷波器进行电晕电流数据降噪算法实现比较简单，相比于传统的频域滤波算法，保留了更多的电晕电流信号，而且适用性强。

附图说明

图1为本发明一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法的流程图；

图2为本发明实例中频域滤波算法滤除工频谐波之后的信号时域波形；

图3为本发明实例中1200Hz以下滤除工频谐波之后前后的单边幅值频谱对比图；

图4为本发明实例中滤除窄带干扰之后的时域波形；

图5为本发明一种适用于电晕电流测量数据的降噪系统的结构图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

本发明提出了一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法，如图1所示，包括：

采集目标试验导线的电晕电流测量数据；

对采集的电晕电流数据，进行滤除工频及倍频谐波干扰处理；

对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行滤除窄带干扰处理，得到降噪的电晕电流测量数据。

其中，采集电晕电流测量数据包括：

架设试验导线，并针对试验导线安装电晕电流测量装置；

通过电晕电流测量装置采集试验导线的电晕电流测量数据；

采集的电晕电流测量数据通过光纤传输至试验终端设备。

其中，滤除工频及倍频谐波干扰处理包括：

计算电晕电流测量数据的离散频谱；

针对离散频谱进行在工频及倍频谐波干扰处做平滑处理；

对平滑处理后的离散频谱，进行傅里叶逆变换。

其中，滤除窄带干扰包括：

针对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，计算离散频谱；

根据离散频谱确定谱线门限值，对离散频谱大于门限值的谱线进行均值平滑处理；

对平滑处理后的频谱数据进行傅里叶逆变换。

其中，计算离散频谱具体为：

针对电晕电流测量数据进行傅里叶变换，获取离散频谱。

其中，平滑处理为：

采用插值补偿算法，使谐波频带内的信号与其它频段一样保持平稳。

其中，离散频谱具体为：

对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行离散傅里叶变换，并在频域范围内计算谱线幅值。

其中，计算门限值具体为：

对不含窄带干扰的频率的频谱幅值进行均值处理,固定门限TH＝Nu，u为均值，N为固定门限的系数；

其中，固定门限的系数N是通过对比滤除窄带干扰的数量和质量确定。

其中，对大于门限值的谱线进行均值平滑处理为：

记录下所有幅值大于门限值的中心频率点，对记录下的中心频率点对应的谱线做均值平滑处理。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明，本发明方法包括：

一、在不同电晕程度下开展导线的电晕电流测量实验，开展导线的电晕电流测量实验的具体流程为：

(1)、架设试验导线，选择合适位置安装电晕电流测量装置：

电晕电流测量装置为自主研制成功的宽频域电晕电流测量装置，测量带宽为30MHz，采样频率最高为500MHz，采样深度为128MB；

(2)、在电晕电流测量实验中，使用光纤连接室内的终端设备：

电晕电流数据采集时需要用光纤连接到控制室内的测量终端设备，由光纤延长器，室外光纤以及光纤转接盒组成的光纤通路也是整个电晕电流测量系统中重要的一部分。光纤不仅可以实现电晕电流信号的远距离传输，通过光纤连接使电晕电流测量实验更加安全快捷，还可以使电晕电流测量回路和控制设备在不同地方工作；

(3)、电晕电流测量装置经过采集、光电转换、光纤传输等，最终在终端设备获取电晕电流数据：

该测量系统在高压侧完成电晕电流的取样，然后经采集、光电转换等模块，最后经光纤绝缘子由高压端传输到低压端。光纤直接到达测量室内，经过光电逆变换最终得到要采集的电晕电流信号。

二、对采集得到的电晕电流数据滤除工频及其倍频谐波干扰：

(1)输入某一日期下的某种电晕程度下的特高压直流电晕电流数据文件，对其进行傅里叶变换，获得电晕电流信号的离散频谱；

(2)平滑处理频谱幅值：

如果对频带内的谐波进行简单的置零处理，会滤除有用的电晕电流信号。对特高压直流电晕电流信号中的谐波干扰处理时，我们应该遵循不能滤除有用信号成分的原则，本专利采用插值补偿算法，使谐波频带内的信号和其它频段一样保持平稳。假设在电晕电流信号中的谐波频带内有n个频率点为(M，M+1....M+n)，则使用该频带内的相邻的前n个频率点(M-n+1，M-n+2....M)，后n个频率点(M+n+1，M+n+2....M+2n)做中值平滑处理。即信号内的谐波频带内的数据点可用S(M+i)＝1/2(S(M-n+i)+S(M+n+i))代替，其中i＝1，2.....n；

(3)对平滑处理后的电晕电流测量数据进行傅里叶逆变换。

三、对滤波之后的数据进行滤除窄带干扰处理：

(1)计算滤波处理后数据的离散频谱；

对滤波处理之后的特高压直流电晕电流测量数据进行离散傅里叶变换，并在频域范围内计算谱线幅值；

(2)计算门限值，对大于门限值的谱线进行均值平滑处理：

在对电晕电流数据滤除工频谐波的基础之上，设计合理的门限值是滤除多种窄带型干扰的关键，具体的实现方法是：

对不含窄带干扰的频率区间的频谱幅值进行均值处理，得到的均值设为u，计算固定门限TH＝Nu，N为固定门限的系数，它是通过对比滤除窄带干扰的数量和质量确定的；

记录下所有幅值大于该门限值的中心频率点，对记录下的所有的中心频率点对应的谱线做插值补偿；

显然，设计合理的门限值是滤除多种窄带型干扰的关键，具体的实现方法是：

对200kHz以下的频谱幅值进行均值处理，得到的均值设为u，计算固定门限TH＝Nu，N为固定门限的系数，它是通过对比滤除窄带干扰的数量和质量确定的，通过对比表1中给出了详细的窄带干扰信号检测结果可以看出，固定门限设置为7开始，识别滤除的窄带干扰信号的数目越来越少，但是正确率越来越高；

所以，综合考虑利用此算法滤除窄带干扰信号的数量和质量的因素，此算法设置门限系数为10比较合理。

表1

(3)信号傅里叶逆变换。

本发明以真型分裂导线进行电晕电流测量实验，利用电晕电流数据降噪算法为例进行说明；

图2为某一电晕程度下采集得到的电晕电流数据，从图2中可以看出电晕电流信号出现了正向准周期性波动，这很容易被认为是电晕信号，但实则不然。

图3为改进频域滤波算法滤除工频谐波之后的信号时域波形，低频部分(<1200Hz)的尖峰得到抑制，电晕电流原始信号的时域波形得到了明显的改善，数据时域波形中的准周期性波动的确是由于高压发生器产生的50Hz工频谐波造成，并非电晕信号。

图4为1200Hz以下滤除工频谐波之后前后的单边幅值频谱对比图，统计表明，在小于1200Hz的频率范围内，正负极数据频谱均有50Hz等间隔特性，且100Hz、200Hz、300Hz等偶次谐波幅值较大，对信号的影响较明显。

本发明还提出了一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法，包括：

采集目标试验导线的电晕电流测量数据；

对采集的电晕电流数据，进行傅里叶变换；

并针对变换后的电晕电流数据进行滤除工频及倍频谐波干扰处理，和滤除窄带干扰处理；

对进行了滤除工频及倍频谐波干扰处理，和滤除窄带干扰处理的电晕电流数据进行，傅里叶逆变换，得到降噪的电晕电流测量数据。

本发明还提出了一种适用于电晕电流测量数据的降噪系统200，如图5所示，包括：

采集单元201，采集目标试验导线的电晕电流测量数据；

滤除处理单元202，对采集的电晕电流数据，进行滤除工频及倍频谐波干扰处理；

降噪单元203，对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行滤除窄带干扰处理，得到降噪的电晕电流测量数据。

本发明相比于利用数字多频陷波器进行电晕电流数据降噪算法实现比较简单，相比于传统的频域滤波算法，保留了更多的电晕电流信号，而且适用性强。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请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，本申请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。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、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。

尽管已描述了本申请的优选实施例，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申请范围的所有变更和修改。

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

Claims (11)

1.一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法，所述方法包括：

采集目标试验导线的电晕电流测量数据；

对采集的电晕电流数据，进行滤除工频及倍频谐波干扰处理；

对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行滤除窄带干扰处理，得到降噪的电晕电流测量数据。

2.根据权利要求1所述的方法，所述采集电晕电流测量数据包括：

架设试验导线，并针对试验导线安装电晕电流测量装置；

通过电晕电流测量装置采集试验导线的电晕电流测量数据；

采集的电晕电流测量数据通过光纤传输至试验终端设备。

3.根据权利要求1所述的方法，所述滤除工频及倍频谐波干扰处理包括：

计算电晕电流测量数据的离散频谱；

针对离散频谱进行在工频及倍频谐波干扰处做平滑处理；

对平滑处理后的离散频谱，进行傅里叶逆变换。

4.根据权利要求1所述的方法，所述滤除窄带干扰包括：

针对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，计算离散频谱；

根据离散频谱确定谱线门限值，对离散频谱大于门限值的谱线进行均值平滑处理；

对平滑处理后的频谱数据进行傅里叶逆变换。

5.根据权利要求3所述的方法，所述计算离散频谱具体为：

针对电晕电流测量数据进行傅里叶变换，获取离散频谱。

6.根据权利要求3所述的方法，所述平滑处理为：

采用插值补偿算法，使谐波频带内的信号与其它频段一样保持平稳。

7.根据权利要求4所述的方法，所述离散频谱具体为：

对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行离散傅里叶变换，并在频域范围内计算谱线幅值。

8.根据权利要求4所述的方法，所述计算门限值具体为：

对不含窄带干扰的频率的频谱幅值进行均值处理,固定门限TH＝Nu，u为均值，N为固定门限的系数；

其中，固定门限的系数N是通过对比滤除窄带干扰的数量和质量确定。

9.根据权利要求4所述的方法，所述对大于门限值的谱线进行均值平滑处理为：

记录下所有幅值大于门限值的中心频率点，对记录下的中心频率点对应的谱线做均值平滑处理。

10.一种适用于电晕电流测量数据的降噪方法，所述方法包括：

采集目标试验导线的电晕电流测量数据；

对采集的电晕电流数据，进行傅里叶变换；

并针对变换后的电晕电流数据进行滤除工频及倍频谐波干扰处理，和滤除窄带干扰处理；

对进行了滤除工频及倍频谐波干扰处理，和滤除窄带干扰处理的电晕电流数据进行，傅里叶逆变换，得到降噪的电晕电流测量数据。

11.一种适用于电晕电流测量数据的降噪系统，所述系统包括：

采集单元，采集目标试验导线的电晕电流测量数据；

滤除处理单元，对采集的电晕电流数据，进行滤除工频及倍频谐波干扰处理；

降噪单元，对滤除工频及倍频谐波干扰处理之后的电晕电流测量数据，进行滤除窄带干扰处理，得到降噪的电晕电流测量数据。

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