CN115598416A - 台区采样信号的处理方法、系统、存储介质及计算机设备 - Google Patents

台区采样信号的处理方法、系统、存储介质及计算机设备 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供了一种台区采样信号的处理方法、系统、存储介质及计算机设备，所述方法包括：获取台区线路的第一采样信号，所述第一采样信号包括离散的第一采样序列；对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列；对所述第二采样序列进行傅里叶变换，得到所述第一采样信号对应的频谱信息。本发明实施例通过对采样序列迭代运算，解决了采样频率与信号频率不能完全同步的问题，减少了频谱泄露现象，同时，提高了基于特征电流分析台区拓扑识别的成功率。

Description

台区采样信号的处理方法、系统、存储介质及计算机设备
技术领域
本实施例涉及电力电子技术领域，尤其涉及台区采样信号的处理方法、系统、存储介质和计算机设备。
背景技术
随着电力电子技术的发展，各种非线性负载在工农业生产和输用电设备中得到了广泛的应用，使得电网波形畸变，即谐波干扰越来越严重。导致基于特征电流分析台区拓扑识别越来越具有挑战性，在干扰越严重的情况下其拓扑识别成功率越低。
现有技术方案中，拓扑识别的方法是先对台区电信号AD采样，经过AD采样后，采用傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，提取目标频点的分量，实现其拓扑识别运算。
然而这种方式由于硬件本身的特性原因，特别是AD采样器件采集信号进行模数转换时及滤波器件滤波时数据都需要一个稳定时间，同时在模拟信号转变成数字信号的过程中，会有大量的噪声(参见图1)，而且采样和量化误差使得其数据的连贯性并不能做到完全的一致，即采样频率与信号频率并不能完全同步，造成周期采样信号的相位在始端和终端不连续，进而在后级数据运算过程中，即频域变换中，极其容易出现频谱泄露现象，导致信号离散傅里叶变换的结果产生测试误差，影响谐波分析的精度。
发明内容
本发明实施例提供一种台区采样信号的处理方法、系统、存储介质和计算机设备，用于解决采样频率与信号频率不同步导致的频谱泄露问题，提高了谐波分析的精度和准确度。
本发明的技术方案为：
第一方面，本申请实施例提供了一种台区采样信号的处理方法，包括：
获取台区线路的第一采样信号，所述第一采样信号包括离散的第一采样序列；
对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列；
对所述第二采样序列进行傅里叶变换，得到所述第一采样信号对应的频谱信息。
进一步地，所述对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列，包括：
步骤1，对所述第一采样序列中的相邻数值之间进行正弦函数或余弦函数插值，得到插值后的采样序列；
步骤2，在所述插值后的采样序列中删除原采样序列，得到迭代后的采样序列；
步骤3，判断步骤1的执行次数，当所述步骤1的执行次数少于m，则执行步骤4；当所述步骤1的执行次数为m，则执行步骤5，其中，2≤m≤20；
步骤4，将所述迭代后的采样序列作为所述第一采样序列，从步骤1开始重新执行；
步骤5，将所述迭代后的采样序列作为第二采样序列。
进一步地，对所述第一采样序列进行插值迭代之前，还包括对所述第一采样序列进行去极值滤波，所述去极值滤波的方法包括：
对所述第一采样序列中符合一定预设条件的采样点进行重新赋值；
所述符合一定预设条件的采样点包括：所述第一采样序列中的各采样点的采样值高于预设峰值的采样点。
进一步地，所述对所述第一采样序列中符合一定预设条件的采样点进行重新赋值的方法包括：
判断所述第一采样序列中是否出现采样值大于第一峰值的采样点；
若所述第一采样序列中出现采样值大于第一峰值的采样点，对采样序列中大于第一峰值的采样点，采用正弦函数或余弦函数插值法重新赋值，将赋值后的采样序列作为第一采样序列。
进一步地，所述第一峰值的获取方法包括：
根据公式
Figure BDA0003849967110000021
获取所述第一峰值；
其中，A表示第一峰值，Xi为所述第一采样序列中第i个采样点的采样数值，n为所述第一采样序列中采样点的数量。
进一步地，所述若所述第一采样序列中出现采样值大于第一峰值的采样点，对采样序列中大于第一峰值的采样点，采用正弦函数或余弦函数插值法重新赋值之后还包括：判断所述第一采样序列中每1～1.5个工频周期中波峰和波谷的数量；当有且只有一个波峰和波谷，数据不作处理；当出现两个或者两个以上的波峰和波谷，则对出现的所有波峰和波谷对应的采样点，采用正弦函数或余弦函数插值法重新赋值，将赋值后的采样序列作为第一采样序列。
进一步地，所述方法还包括：依据所述频谱信息，确定所述第一采样信号是否包括台区设备发送的特征信号。
进一步地，所述依据所述频谱信息，确定所述第一采样信号是否包括台区设备发送的特征信号，具体包括：
将f1+f2作为第一特征频率，f1-f2作为第二特征频率，其中f1为所述特征信号对应的频率，f2为工频；
根据所述频谱信息中频率与模值的对应关系，确定所述第一特征频率和/或所述第一特征频率所对应的最低信号量；
在所述最低信号量高于第一预设信号量时，确定所述第一采样信号包括台区设备发送的特征信号。
第二方面，本申请实施例还提供了一种台区采样信号的处理系统，包括：
采样信号获取单元，用于获取台区线路的第一采样信号，所述第一采样信号包括离散的第一采样序列；
采样信号处理单元，用于对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列；
频谱信息提取单元，用于对所述第二采样序列进行傅里叶变换，得到所述第一采样信号对应的频谱信息。
第三方面，本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有多条指令，所述指令适于有处理器加载并执行上述方法步骤。
第四方面，本申请实施例还提供了一种计算机设备，可包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序适于由所述处理器加载并执行上述方法步骤。
本申请一些实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：通过对采样序列进行插值迭代，并对迭代后的信号进行傅里叶变换，从而得到对应的频谱信息，解决了采样频率和信号频率不能完全同步的问题，避免了频谱泄露的现象，消除了测试误差，提高了谐波的分析精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实施例的一些实施例，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它的附图。
图1为现有技术方案中台区电信号目标频点的分量提取的方法流程图；
图2为本发明实施例的方法流程图；
图3为本发明实施例的对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列的方法步骤流程图；
图4为本发明示例的第一采样序列的第一次插值迭代的插值位置示意图；
图5为本发明示例中的删除原序列的结构示意图；
图6为本发明实施例的投切电流的波形；
图7为图6的频域变换后的波形；
图8为本发明实施例投切电流+台区负荷电流波形；
图9为本发明实施例去极值滤波并迭代10次的投切电流+台区负荷电流波形；
图10为本发明实施例的台区采样信号的处理系统结构示意图；
图11为本发明实施例的台区采样信号的处理装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本实施例的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实施例的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本实施例还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实施例的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本实施例中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实施例保护的范围。
下面结合图2具体介绍本实施例的方法。
如图2所示，本实施例提供的一种台区采样信号的处理方法，包括步骤：
S101，获取台区线路的第一采样信号，所述第一采样信号包括离散的第一采样序列；
本步骤采集的第一采样信号，可以是采集到的台区线路上的原始的电压或电流信号，对于纯阻线性负载来说，电流与电压是完全同步的，都是正弦波，但是由于居民用户的普遍存在变频空调、电磁炉等含有电力电子器件的用电器。同时还有大量的非线性负载，如电机等，使得电流并不是标准的正弦波信号。电网的频率特性基本是恒定的，其相位依然存在周期性变化，因此在台区线路上采集的原始电流或电压信号可看做“类正弦波”或“类余弦波”信号。“类正弦波”与“类余弦波”由于只是相位相差90度，但是在处理本方法的原理上基本相同，可选择其一进行说明，另外，为了计算方便，本实施例以电流信号作为处理对象进行处理，对于电力信号来说，其真实信号波形更加接近正弦函数或余弦函数，特别对于用户负载是纯阻性的，其电流波形几乎完全是正弦波。
由于在采样时，按照一定的采样频率进行采样，因此第一采样信号包括离散的第一采样序列，当第一采样信号为原始的电信号时，由于大量噪声的存在，使得采样波形存在毛刺型突发干扰，当按照一定的采样频率进行采样时，采样序列中也会伴随着噪声干扰信号的存在，当不滤除出现的干扰信号时，会对后续的迭代处理产生影响，影响其提取的频谱信息，所以在一些实施例中，作为比较优选的方式，首先针对第一采样序列中符合一定预设条件的采样点进行正弦函数或余弦函数的赋值，所述符合一定预设条件的采样点包括所述第一采样序列中的各采样点的采样值高于预设峰值的采样点。
在一些实施例中，所述对所述第一采样序列中符合一定预设条件的采样点进行重新赋值的方法包括：
判断所述第一采样序列中是否出现采样值大于第一峰值的采样点；
若所述第一采样序列中出现采样值大于第一峰值的采样点，对采样序列中大于第一峰值的采样点，采用正弦函数或余弦函数插值法重新赋值。
在另外一些可实现的实施例中，所述第一峰值的获取方法包括：
根据公式：
Figure BDA0003849967110000061
获取所述第一峰值，其中，A表示第一峰值，Xi为所述第一采样序列中第i个采样点的采样数值，n为所述第一采样序列中采样点的数量。
需要说明的是，所述第一峰值并不限于某一个固定的数值，考虑到误差的存在，第一峰值的取值范围可以允许由±％5的误差范围。
可以从上式中获取第一峰值A的原因在于：例如连续的电流信号的有效值可表示为：
Figure BDA0003849967110000062
其峰值为：
Figure BDA0003849967110000063
其中，T表示采样周期，f表示工频频率50Hz，t表示瞬时时间，
Figure BDA0003849967110000064
表示初相。
那么当采样值是离散的采样序列时，第一峰值可由式(1)获得。
在对第一采样序列中大于第一峰值的采样点，采用正弦函数或余弦函数插值法重新赋值后，再判断所述第一采样序列中每1～1.5个工频周期中波峰和波谷的数量，当有且只有一个波峰和波谷，数据不作处理，当出现两个或者两个以上的波峰和波谷，则对出现的所有波峰和波谷对应的采样点，采用正弦函数或余弦函数插值法重新赋值，将赋值后的采样序列作为第一采样序列，第一采样序列可用{H1，H2，H3…Hn}表示，其中，n≥1。
S102，对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列；
如图3所示，在一些可实现的实施例中，对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列可通过以下方法步骤实现：
步骤1，对所述第一采样序列中的相邻数值之间进行正弦函数或余弦函数插值，得到插值后的采样序列；
步骤2，在所述插值后的采样序列中删除原采样序列，得到迭代后的采样序列；
步骤3，判断步骤1的执行次数，当所述步骤1的执行次数少于m，则执行步骤4；当所述步骤1的执行次数为m，则执行步骤5，其中，2≤m≤20；
步骤4，将所述迭代后的采样序列作为所述第一采样序列，从步骤1开始重新执行；
步骤5，将所述迭代后的采样序列作为第二采样序列。
为了更直观形象的说明上述方法步骤，下面以一示例进行具体说明：
如图4所示，设第一采样序列为{H1，H2，H3，H4，H5}，此处举例采用5个采样点。
采用正弦函数插值，
得到新的采样序列：{H1，H’1，H2，H’2，H3，H’3，H4，H’4，H5}，然后再删除原采样序列，如图5所示。
得到完成了一次迭代的采样序列：{H’1，H’2，H’3，H’4}。
通过此方法，实现了一次插值迭代运算，按照上述方法，针对新的序列执行插值迭代，同时，假设设定的执行次数m为3次，判断执行次数是否少于3，若小于3，则将新的序列{H’1，H’2，H’3，H’4}作为起始状态的采样序列，继续按照上述方法插值迭代，当执行次数为3，则直接将此时的采样序列作为第二采样序列。
需要说明的是，每一次插值迭代后的采样信号均呈“类正弦波”信号。
还需要说明的是，上述插值迭代的方法，每迭代一次，每两两个采样点的数学关系就越逼近正弦函数，进而使得采样频率与信号频率趋于同步。实际应用中，数据样本也并不能无限的迭代，迭代次数过多，容易出现破坏目标信号。基于台区特性电流提取的应用，综合该应用的目标信号频率、投切电流幅值以及设备的采样率等参数，经过台区现场调试，在其迭代10次左右的时候可以达到最佳效果。
S103，对所述第二采样序列进行傅里叶变换，得到所述第一采样信号对应的频谱信息。
在一些实施例中，通过离散傅里叶变换算法提取第k次频率fk次频域分量的计算公式为：
Figure BDA0003849967110000071
Figure BDA0003849967110000081
Figure BDA0003849967110000082
式中：
ak、bk、ck分别表示频率为fk的谐波电流的实部、虚部和模值；
N表示参与离散傅里叶变换运算的采样点数；
n表示采样点序号；
Figure DA00038499671156729987
表示第n个采样点的采样值。
上述方法还包括依据所述频谱信息，确定所述第一采样信号是否包括台区设备发送的特征信号，具体包括：
将f1+f2作为第一特征频率，f1-f2作为第二特征频率，其中f1为所述特征信号对应的频率，f2为工频；
根据所述频谱信息中频率与模值的对应关系，确定所述第一特征频率和/或所述第一特征频率所对应的最低信号量；
在所述最低信号量高于第一预设信号量时，确定所述第一采样信号包括台区设备发送的特征信号。由此判断第一采样信号中是否包括台区设备发送的特征信号。
下面举例说明通过离散傅里叶变换后对最后的频点分量的影响。
如图6所示，为测试数据投切电流220mA，投切频率833Hz，台区负荷电流(C相)约180A，电流互感器采集二次电流互感器(600:5)的投切电流的波形，图6中，线型1，线型2和线型3分别表示C通道、B通道和A通道的电流波形，其中，横坐标表示时间，纵坐标表示电流幅值。
图7为图6的频域变换后的波形，横坐标表示频点，纵坐标也表示电流幅值，通过傅里叶变换可以解析到第一特征频率883±5Hz和第二特征频率783±5Hz两个频点的波形。图8为其投切电流+台区负荷电流波形，横坐标与纵坐标的所表示的内容与图6相同，线型1，线型2和线型3分别表示C通道、B通道和A通道的电流波形。图8中频域变换后的目标频点的分量如下表1：
表1
Figure BDA0003849967110000083
Figure BDA0003849967110000091
作为对比，图9为去极值滤波并迭代10次的投切电流+台区负荷电流波形，频域变换后的目标频点的分量如下表2：
表2
投切次数 783Hz 883Hz
1 286271 211273
2 334879 186789
3 398662 230996
4 387737 224032
5 364833 177962
6 352860 207164
对比表1和表2的数据，通过本实施例方法采样后目标信号量(783±5Hz和883±5Hz)(电流幅值)总体要大于没有采样本实施例方法的。本实施例方法前的数据频域变换后其主要表现目标频点的分量(783±5Hz和883±5Hz)并不是峰值，峰值更多是出现在目标附近的频段，极端情况下还会出现频谱泄露现象。通过本发明解决了采样频率和信号频率不能完全同步的问题，避免了频谱泄露的现象，进一步地可以消除测试误差，提高谐波的分析精度。
如图10所示，本实施例还提供了一种台区采样信号的处理系统，包括
采样信号获取单元201，用于获取台区线路的第一采样信号，所述第一采样信号包括离散的第一采样序列；
采样信号处理单元202，用于对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列；
频谱信息提取单元203，用于对所述第二采样序列进行傅里叶变换，得到所述第一采样信号对应的频谱信息。
需要说明的是，上述实施例提供的系统在执行上述方法时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成上述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的系统与方法实施例属于同一构思，其体现实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本申请实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有多条指令，所述指令适于有处理器加载并执行上述方法步骤。
具体执行过程可以参见图2所示实施例的具体说明，在此不进行赘述。
本申请实施例还提供了一种计算机设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序适于由所述处理器加载并执行上述方法。
请参见图11，为本申请实施例提供了台区采样信号的处理装置。
处理装置300可以包括：至少一个处理器301，至少一个网络接口304，用户接口303，存储器305，至少一个通信总线302。
其中，通信总线302用于实现这些组件之间的连接通信。
其中，用户接口303可以包括触摸屏和摄像头(Camera)。
其中，网络接口304可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。
其中，处理器301可以包括一个或者多个处理核心。处理器301利用各种接口和线路连接整个多租户模式数据采集系统300内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器305内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器305内的数据，执行多租户模式数据采集系统300的各种功能和处理数据。可选的，处理器301可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器301可集成中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图像处理器(Graphics Processing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器301中，单独通过一块芯片进行实现。
其中，存储器305可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。可选的，该存储器305包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storage medium)。存储器305可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器305可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现上述各个方法实施例的指令等；存储数据区可存储上面各个方法实施例中涉及到的数据等。存储器305可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器301的存储装置。如图11所示，作为一种计算机存储介质的存储器305中可以包括操作系统、网络通信模块、用户接口模块以及应用程序。在图11所示的系统300中，用户接口303主要用于为用户提供输入的接口，获取用户输入的数据；而处理器301可以用于调用存储器305中存储的应用程序，并具体执行如图2所示的方法，具体过程可参照图2所示，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
以上所述，仅为本实施例的具体实施方式，但本实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实施例的保护范围之内。因此，本实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种台区采样信号的处理方法，其特征在于，包括：
获取台区线路的第一采样信号，所述第一采样信号包括离散的第一采样序列；
对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列；
对所述第二采样序列进行傅里叶变换，得到所述第一采样信号对应的频谱信息。
2.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，所述对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列，包括：
步骤1，对所述第一采样序列中的相邻数值之间进行正弦函数或余弦函数插值，得到插值后的采样序列；
步骤2，在所述插值后的采样序列中删除原采样序列，得到迭代后的采样序列；
步骤3，判断步骤1的执行次数，当所述步骤1的执行次数少于m，则执行步骤4；当所述步骤1的执行次数为m，则执行步骤5，其中，2≤m≤20；
步骤4，将所述迭代后的采样序列作为所述第一采样序列，从步骤1开始重新执行；
步骤5，将所述迭代后的采样序列作为第二采样序列。
3.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于，对所述第一采样序列进行插值迭代之前，还包括对所述第一采样序列进行去极值滤波；
所述去极值滤波的方法包括：
对所述第一采样序列中符合一定预设条件的采样点进行重新赋值；
所述符合一定预设条件的采样点包括：所述第一采样序列中的各采样点的采样值高于预设峰值的采样点。
4.如权利要求3所述的处理方法，其特征在于：所述对所述第一采样序列中符合一定预设条件的采样点进行重新赋值的方法包括：
判断所述第一采样序列中是否出现采样值大于第一峰值的采样点；
若所述第一采样序列中出现采样值大于第一峰值的采样点，对采样序列中大于第一峰值的采样点，采用正弦函数或余弦函数插值法重新赋值，将赋值后的采样序列作为第一采样序列。
5.如权利要求4所述的处理方法，其特征在于：所述第一峰值的获取方法包括：
根据公式
Figure FDA0003849967100000021
获取所述第一峰值；
其中，A表示第一峰值，Xi为所述第一采样序列中第i个采样点的采样数值，n为所述第一采样序列中采样点的数量。
6.如权利要求4所述的处理方法，其特征在于：所述若所述第一采样序列中出现采样值大于第一峰值的采样点，对采样序列中大于第一峰值的采样点，采用正弦函数或余弦函数插值法重新赋值之后还包括：
判断所述第一采样序列中每1～1.5个工频周期中波峰和波谷的数量；
当有且只有一个波峰和波谷，数据不作处理；当出现两个或者两个以上的波峰和波谷，则对出现的所有波峰和波谷对应的采样点，采用正弦函数或余弦函数插值法重新赋值，将赋值后的采样序列作为第一采样序列。
7.如权利要求1所述的处理方法，其特征在于：所述方法还包括：
依据所述频谱信息，确定所述第一采样信号是否包括台区设备发送的特征信号。
8.一种台区采样信号的处理系统，其特征在于，包括
采样信号获取单元，用于获取台区线路的第一采样信号，所述第一采样信号包括离散的第一采样序列；采样信号处理单元，用于对所述第一采样序列进行插值迭代，得到第二采样序列；
频谱信息提取单元，用于对所述第二采样序列进行傅里叶变换，得到所述第一采样信号对应的频谱信息。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有多条指令，所述指令适于有处理器加载并执行如权利要求1-7中任一项所述的方法步骤。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序适于由所述处理器加载并执行如权利要求1-7中任一项所述的方法步骤。
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