一种复杂电力信号的噪声滤除装置及方法与流程

本发明涉及智能电网技术领域，具体涉及一种复杂电力信号的噪声滤除装置及方法。

背景技术：

家庭用户是智能电网的重要消耗端，也是微电网的重要组成，电力用户的管理集中体现了电网的智能化程度。家用电器负荷识别技术是用户管理的关键基础技术，通过负荷监测技术用户可以及时监测电器的使用情况，积极响应节能政策，促进用户合理用电。对于电力部门来说，可以详细了解居民的用电构成，为电力部门统筹规划提供数据支持。

目前，家用电器负荷监测技术包括非侵入式负荷监测和侵入式负荷监测两种。与侵入式负荷监测技术相比，非侵入式负荷监测技术的经济投入小，实用性强。随着智能家居、智能电网的蓬勃发展，非侵入式负荷监测技术得到了国内外的广泛关注，但是，非侵入式负荷监测都需要在家用电力线的入口处采集电流和电压的信号，这样采集到的信号噪声和干扰会非常多，得到的电流和电压信号不够稳定，导致很多小功率的电器无法识别。目前，大部分非侵入式负荷监测系统中也都对电信号进行了去噪处理，有些是在硬件上对电信号的模拟信号滤波，有些是对于电信号的数字信号滤波，但效果都不理想。因此，如何有效的对复杂电力信号进行除噪处理、如何采集正确稳定的电力信号，为后端的家用电器用电特征提取及电器的分类提供精确的输入信号是家用电器负荷识别技术中非常关键和必须解决的问题。

技术实现要素：

针对目前非侵入式负荷监测技术存在的问题，本发明提出一种复杂的电力信号噪声滤除装置及方法，有效的减少电流和电压信号中的噪声和干扰，方便对电流和电压信号的特征提取，从而准确地反应出家庭用电中的实际情况。

为实现上述目的，本发明具体技术方案如下：一种复杂电力信号的噪声滤除装置，包括：传感器模块、低通滤波模块、a/d转换模块、数字滤波模块；所述传感器模块包括电流传感器和电压传感器，电流传感器串联在家庭用电的火线上，用于采集家庭用电中电流的模拟信号，电压传感器并联在家庭用电的总线路中，用于采集家庭用电中电压的模拟信号；所述低通滤波模块的输入端与传感器模块的输出端相连，用于对传感器模块采集的电信号实现初次噪声滤除操作，其输出端与a/d转换模块相连；所述a/d转换模块用于将低通滤波模块输出的初次滤波后的模拟信号转换为数字信号，输出端与数字滤波模块相连；所述数字滤波模块用于电信号的数字滤波，对a/d转换模块输出的数字信号进行基于小波变换的滤波，输出正确稳定的电信号。

进一步地，上述低通滤波模块包括6个电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6，5个电容c1、c2、c3、c4、c5，3个运算放大器u1a、u1b、u2a和1个电位器rl；其中，r1的一端与输入信号相连，另一端与r2、r3和c1相连，c1的另一端接地，r2的另一端与u1a反向输入端相连，r3的另一端与u1a输出端相连；c2的一端与u1a反向输入端相连，另一端与u1a输出端相连；u1a正向输入端接地；r4的一端与u1a输出端相连，另一端与r5、c3相连，r5的另一端分别于c4和u1b正向输入端相连，c4的另一端接地，c3的另一端分别与u1b反向输入端和输出端相连；r6的一端与u1b输出端相连，另一端与u2a正向输入端、c5相连，c5的另一端接地，u2a反向输入端与输出端相连；rl与u2a输出端相连；u1a、u1b、u2a正极性接12v电源，负极性接-12v电源。

本发明还提供了一种复杂电力信号的噪声滤除方法，包括如下步骤：

1)采集电信号，利用电流传感器和电压传感器，分别采集家庭用电中电流和电压的模拟信号，并将采集的模拟信号传输给低通滤波模块；

2)硬件初次滤波，利用低通滤波模块对传感器模块采集的电信号进行噪声滤除操作，并将初次噪声滤除后的模拟信号传输给a/d转换模块；

3)电信号的a/d转换，利用a/d转换模块将低通滤波模块初次噪声滤除后的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输给数字滤波模块；

4)软件二次滤波，利用数字滤波模块对a/d转换模块输出的数字信号进行基于小波变换的滤波，输出正确稳定的电信号。

进一步地，上述步骤4)中，基于小波变换的滤波方法包括如下步骤：

4.1)利用小波变换中的mallat分解算法将a/d转换模块得到的一维含噪声信号分解为400hz-800hz的高频分量和ohz-400hz的低频分量；

4.2)利用小波变换中的mallat分解算法将步骤4.1)中的ohz-400hz的低频分量分解为ohz-200hz的低频分量和200hz-400hz的高频分量；

4.3)利用小波变换中的mallat分解算法将步骤4.2)中的ohz-200hz的低频分量分解为ohz-100hz的低频分量和100hz-200hz的高频分量；

4.4)利用小波变换中的mallat重构算法对小波分解树所得到的信号进行重构，在重构的过程中高频信号分量被滤除，得到稳定精确的电流和电压的数字信号。

与现有技术相比，本发明能有效的消除电力信号中的噪声和干扰，为家用电器用电特征提取及电器的分类提供稳定精确的输入信号。

附图说明

图1为复杂电力信号噪声滤除装置结构框图。

图2为低通滤波模块硬件电路图。

图3为复杂电力数字信号噪声滤除装置工作流程图。

图4为小波分解结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作进一步描述。

图1为本发明复杂电力信号噪声滤除装置结构框图，包括传感器模块、低通滤波模块、a/d转换模块、数字滤波模块。

传感器模块的输入端与电源相连，用于采集家庭用电中的电信号，得到电器的电流和电压的模拟信号；传感器模块包括电流传感器和电压传感器，电流传感器串联在家庭用电的火线上，用于采集家庭用电中电流的模拟信号，电压传感器并联在家庭用电的总线路中，用于采集家庭用电中电压的模拟信号，本实施例中电压传感器采用tbv-ada电压传感器实现，本实施例中电流传感器采用ba10-ai电流传感器实现。

低通滤波模块的输入端与传感器模块的输出端相连，用于对传感器模块采集的电流和电压模拟信号进行去噪处理，其输出端与a/d转换模块相连；图2为低通滤波模块的硬件电路图，包括6个电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6，5个电容c1、c2、c3、c4、c5，3个运算放大器u1a、u1b、u2a和1个电位器rl；其中，r1的一端与输入信号相连，另一端与r2、r3和c1相连，c1的另一端接地，r2的另一端与u1a反向输入端相连，r3的另一端与u1a输出端相连；c2的一端与u1a反向输入端相连，另一端与u1a输出端相连；u1a正向输入端接地；r4的一端与u1a输出端相连，另一端与r5、c3相连，r5的另一端分别于c4和u1b正向输入端相连，c4的另一端接地，c3的另一端分别与u1b反向输入端和输出端相连；r6的一端与u1b输出端相连，另一端与u2a正向输入端、c5相连，c5的另一端接地，u2a反向输入端与输出端相连；rl与u2a输出端相连；u1a、u1b、u2a正极性接12v电源，负极性接-12v电源。本实施例中运算放大器采用tl062acd模块实现，rl为10k的电位器。

a/d转换模块用于将低通滤波模块输出的模拟信号转换为数字信号，输出端与数字滤波模块相连，本实施例中a/d转换模块采用ad7606转换模块实现。

数字滤波模块用于电信号的数字滤波，对a/d转换模块输出的数字信号进行基于小波变换的滤波，输出正确稳定的电信号。本实施例中数字滤波模块采用stm32处理器实现。

图3所示为复杂电力数字信号的噪声滤除方法流程图，复杂电力数字信号的噪声滤除方法，包括以下步骤：

1)采集电信号，利用电流传感器和电压传感器，分别采集家庭用电中电流和电压的模拟信号，并将采集的模拟信号传输给低通滤波模块；

2)硬件初次滤波，利用低通滤波模块对传感器模块采集的电信号进行噪声滤除操作，并将初次噪声滤除后的模拟信号传输给a/d转换模块；

3)电信号的a/d转换，利用a/d转换模块将低通滤波模块初次噪声滤除后的模拟信号转换为数字信号，并将数字信号传输给数字滤波模块；

4)数字二次滤波，利用数字滤波模块对a/d转换模块输出的数字信号进行基于小波变换的滤波，输出正确稳定的电信号。其中，基于小波变换的滤波方法如下，如图4所示为小波分解结构图；

4.1)利用小波变换中的mallat分解算法将a/d转换模块得到的一维含噪声信号分解为400hz-800hz的高频分量和ohz-400hz的低频分量，其中mallat分解算法如下：

式中c1(n)为原始采样信号，h、g分别为低通、高通分解滤波器参数。j为分解层数；

4.2)利用小波变换中的mallat分解算法将步骤4.1)中的ohz-400hz的低频分量分解为ohz-200hz的低频分量和200hz-400hz的高频分量；

4.3)利用小波变换中的mallat分解算法将步骤4.2)中的ohz-200hz的低频分量分解为ohz-100hz的低频分量和100hz-200hz的高频分量；

4.4)利用小波变换中的mallat重构算法对小波分解树所得到的信号进行重构，在重构的过程中上面三步所得到的三个高频信号分量将被滤除掉，从而完成对a/d转换完成的电流和电压的数字信号滤波过程，其中mallat重构方法如下：

式中c1(n)为滤波后所得信号，分别为低通、高通重构滤波器参数，j为分解层数。