一种基于压缩感知的超高次谐波检测装置及检测方法与流程

本发明涉及压缩感知及谐波检测，具体涉及一种基于压缩感知的超高次谐波检测装置及检测方法。

背景技术：

配电网作为经济和社会发展的重要基础设施，对实现智能电网和能源互联网战略目标起着关键作用。超高次谐波是我国新一代智能配电网衍生出的新型电能质量问题，会给配电网电气设备和通讯带来许多不利的影响，已引起工业界和学术界的高度重视。2017年6月，国际供电会议cired针对超高次谐波问题专门设立了创新论坛和技术讲座。

目前，市场主流的谐波测量仪器谐波测量次数不大于50次，仪器的抗频谱混叠电路，使其无法测量大于50次以上的谐波分量。由nyquist采样定理可知，为满足超高次谐波的测量，要求谐波测量仪器的测量次数大于100次以上，这就对测量仪器的adc采样率、采样位数、抗混叠滤波器阶次和截止频率提出了更高的要求，增加了谐波测量仪器硬件实现成本。同时，因实时、高速率的采样易导致海量数据的产生，进一步引发数据计算量大、存储困难、传输效率低等一系列问题。

2004年由candes和donoho等人提出的压缩感知理论，突破了nyquist采样定理的限制。其思想为：信号x∈r^n×1通过基函数ψ∈r^n×n变换为θ＝ψ^tx，若θ在ψ域内是k-稀疏的(非零系数k＜＜n)。则采用一个与ψ不相关的观测矩阵φ∈r^m×n(m<<n)，对x执行压缩采样，则可得到压缩信号y＝φx∈r^m×1，该数据包含了重构信号时的足够信息。但从y直接恢复x存在无穷多个解，因此可将y看成y＝φx＝φψθ＝aθ，其中a＝φψ∈r^m×n称为传感矩阵。由于θ是k-稀疏的，则从y先恢复出θ成为重构x的关键步骤，重构过程为0-范数意义下的优化问题模型求解。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于压缩感知的超高次谐波检测装置及检测方法，针对前述现有谐波测量仪器的检测方法和技术所存在的问题，并结合压缩感知理论在压缩采样和重构方面已取得的进展，弥补传统谐波测量仪器在超高次谐波信号检测领域的不足以及压缩感知在谐波检测应用中的空白。超高次谐波具有频域稀疏信号的特点，因此可以通过压缩感知理论实现采样压缩和重构，其采样压缩频率不再取决于信号的最高频率成分及带宽，而是取决于超高次谐波的稀疏度。同时采用压缩感知的检测方法，可将计算复杂度从采集过程转移到后台计算机数据的重构过程，有效避免了因高速采样产生的一系列问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于压缩感知的超高次谐波检测装置，包括传感电路，增益可调的高通滤波器，混频滤波器，多功能数据采集卡，上位机，传感电路通过电压电流信号连接增益可调的高通滤波器，增益可调的高通滤波器连接混频滤波器，混频滤波器的混频器、低通滤波器与多功能数据采集卡的a/d模块、d/a模块依次信号连接，多功能数据采集卡的同步触发模块与a/d模块、d/a模块信号连接，多功能数据采集卡通过usb连接上位机；

所述的传感电路布置在配电网测量端，包括电压传感器和电流传感器；

所述的增益可调的高通滤波器用于信号调理，一方面可滤除信号中的工频及其它低频成分，另一方面起到信号幅度调理的作用，是增益、截止频率、中心频率可调的模拟滤波器；

所述的混频滤波器由混频器和低通滤波器组成，低通滤波器截止频率、中心频率可调，可起到变压缩比检测作用；

所述的多功能数据采集卡用于随机序列产生、低速采样、同步触发和usb数据传输；

所述的a/d模块用于低速采样，d/a模块用于产生伪随机序列，同步触发用于实现d/a、a/d两路分别按上升沿和下降沿触发，usb模块用于数据传输功能。

所述的上位机用于实现对超高次谐波时频信号的重构和显示，可实现伪随机序列产生、数据采集、信号重构和显示等多个任务。

一种基于压缩感知的超高次谐波检测方法，包括以下步骤：

步骤1)传感电路安装在配电网测量端，包含电压互感器和电流互感器，可将配电网中的大电压、电流信号转换为小电压、电流信号并起到与电网隔离的作用；

步骤2)传感电路输出的信号x(t)送至增益可调的高通滤波器得到滤波后的信号x1(t)，高通滤波器的作用可起到滤除信号中的工频及其它低频成分，仅保留超高次谐波带宽成分的信号；

步骤3)采用多功能数据采集板卡上的同步触发源，保证步骤4)、步骤5)中伪随机序列输出通道ao和低速采样输入通道ai同步，确保不会出现相位偏差情况；

步骤4)将信号x1(t)送至混频滤波器中，混频滤波器包含乘法器和低通滤波器，其中伪随机序列pc(t)由多功能数据采集卡的ao口输出，x1(t)与pc(t)先在乘法器中相乘得到信号y(t)，根据连续傅里叶变换的卷积性质：

ft[y(t)]＝ft[x1(t)pc(t)]＝x1(jω)*p(jω)＝y(jω)

可知，y(t)的频谱是x1(t)、pc(t)频谱的卷积，由于伪随机序列的频谱分布在整个频域内，因此可通过卷积计算将超高次谐波的频谱搬移至低频处；

随后，y(t)再通过低通滤波器得到信号y1(t)，其经过低通滤波器的过程可表示为：

h(t)为低通滤波器的单位脉冲响应；

通带最大衰减给定后，该低通滤波器的通带截止频率f0可根据所需的采样压缩比进行手动调节，实现变压缩比滤波；

步骤5)将信号y1(t)送至多功能数据采集卡4的ai通道进行低速a/d采样，采样过程如下：

采样时间间隔t由采样频率fs决定。令fs≥2f0，当低通滤波器的通带截止频率f0越低时，采样频率fs越低，采样时间间隔t越大，采样点数n越少，即可以实现对超高次谐波的变压缩比压缩采样；

步骤6)将y1(n)送入上位机，利用正交匹配追踪omp算法对压缩采样信号进行重构，首先恢复出信号的频谱θ，θ中不为0的系数就是超高次谐波的频谱成分，其次对θ经过fft反变换后便可获取重构信号x＇1(n)；

步骤7)显示重构后的超高次谐波时频波形。

所述的步骤6)输出的信号进行重构的具体步骤如下：

步骤a：根据模拟信息转换器aic实际电路，构造随机序列矩阵p，低通滤波环节的单位脉冲响应矩阵h，低速采样环节的采样矩阵b；

步骤b：获取观测矩阵φ＝bhp；

步骤c：构造离散傅里叶变换基矩阵ψ；

步骤d：获取传感矩阵a＝φψ；

步骤e：利用正交匹配追踪算法重构出超高次谐波的频谱θ，并通过离散傅里叶逆变换恢复出超高次谐波信号。

所述的步骤3)中物理可实现的观测矩阵为模拟信息转换器aic，且aic中的低通滤波器是增益、截止频率、中心频率可调的模拟滤波器。

本发明的优点和积极效果为：

1)本发明方法利用超高次谐波信号具有高频、稀疏的特点，采用压缩感知理论及技术实现对超高次谐波的压缩采样、重构及分析，不仅能够实现对超高次谐波的正确检测，还大大降低了检测装置的采样频率和采样点数。

2)本发明方案中的高通滤波器设计为增益可调，不仅能够有效减小工频及其它低频信号的干扰，还能实现对超高次谐波信号的调理。本发明方案中的同步触发模块可实现d/a和a/d同步，构造出相位偏差为0时的观测矩阵，提高重构精度。

3)本发明的检测方法和方案还可以推广至其它领域的高频信号检测中。若将检测方法中和实现方案中的高通滤波器去掉，还可适用于配电网中暂态电能质量信号的检测。

附图说明

图1是本发明检测方法的实现流程图；

图2是本发明实现方案的结构示意图，

其中，1为传感电路；2为增益可调的高通滤波器；3为混频滤波器；4为多功能数据采集卡；5为上位机；

图3为相位偏差为0和相位偏差为1的时序图；

图4为不同相位偏差、不同截止频率下的重构精度；

图5为通过高通滤波器后实测得到的波形；

图6为通过混频器后实测得到的波形。

图7为低通滤波后的波形图。

图8为输入的波形及其幅度谱显示在pc机的labview软件显示图。

图9为低速采样后的波形及其幅度谱。

图10为重构出的波形及其幅度谱。

具体实施方式

以下结合附图及实施利对本发明进一步叙述。

如图2所示，一种基于压缩感知的超高次谐波检测装置，包括传感电路1，增益可调的高通滤波器2，混频滤波器3，多功能数据采集卡4，上位机5，传感电路1通过电压电流信号连接增益可调的高通滤波器2，增益可调的高通滤波器2连接混频滤波器3，混频滤波器3的混频器、低通滤波器与多功能数据采集卡4的a/d模块、d/a模块依次信号连接，多功能数据采集卡4的同步出发模块与a/d模块、d/a模块信号连接，多功能数据采集卡4通过usb连接上位机5；

所述的传感电路1布置在配电网测量端，包括电压传感器和电流传感器；

所述的增益可调的高通滤波器2用于信号调理，一方面可滤除信号中的工频及其它低频成分，另一方面起到信号幅度调理的作用，是增益、截止频率、中心频率可调的模拟滤波器；

所述的混频滤波器3由混频器和低通滤波器组成，低通滤波器截止频率、中心频率可调，可起到变压缩比检测作用；

所述的多功能数据采集卡4用于随机序列产生、低速采样、同步触发和usb数据传输；

所述的a/d模块用于低速采样，d/a模块用于产生伪随机序列，同步触发用于实现d/a、a/d两路分别按上升沿和下降沿触发，usb模块用于数据传输功能。

所述的上位机5用于实现对超高次谐波时频信号的重构和显示，可实现伪随机序列产生、数据采集、信号重构和显示等多个任务。

如图1、2所示，一种基于压缩感知的超高次谐波检测方法，包括以下步骤：

步骤1)、传感电路1安装在配电网测量端，包含电压互感器和电流互感器，可将配电网中的大电压、电流信号转换为小电压、电流信号并起到与电网隔离的作用；

步骤2)传感电路1输出的信号x(t)送至增益可调的高通滤波器2得到滤波后的信号x1(t)，高通滤波器的作用可起到滤除信号中的工频及其它低频成分，仅保留超高次谐波带宽成分的信号；

步骤3)采用多功能数据采集板卡4上的同步触发源，保证步骤4)、步骤5)中伪随机序列输出通道ao和低速采样输入通道ai同步，确保不会出现相位偏差情况；

步骤4)将信号x1(t)送至混频滤波器3中，混频滤波器3包含乘法器和低通滤波器，其中伪随机序列pc(t)由多功能数据采集卡4的ao口输出，x1(t)与pc(t)先在乘法器中相乘得到信号y(t)，根据连续傅里叶变换的卷积性质：

ft[y(t)]＝ft[x1(t)pc(t)]＝x1(jω)*p(jω)＝y(jω)

可知，y(t)的频谱是x1(t)、pc(t)频谱的卷积，由于伪随机序列的频谱分布在整个频域内，因此可通过卷积计算将超高次谐波的频谱搬移至低频处；

随后，y(t)再通过低通滤波器得到信号y1(t)，其经过低通滤波器的过程可表示为：

h(t)为低通滤波器的单位脉冲响应；

通带最大衰减给定后，该低通滤波器的通带截止频率f0可根据所需的采样压缩比进行手动调节，实现变压缩比滤波；

步骤5)将信号y1(t)送至多功能数据采集卡4的ai通道进行低速a/d采样，采样过程如下：

采样时间间隔t由采样频率fs决定。令fs≥2f0，当低通滤波器的通带截止频率f0越低时，采样频率fs越低，采样时间间隔t越大，采样点数n越少，即可以实现对超高次谐波的变压缩比压缩采样；

步骤6)将y1(n)送入上位机，利用正交匹配追踪omp算法对压缩采样信号进行重构，首先恢复出信号的频谱θ，θ中不为0的系数就是超高次谐波的频谱成分，其次对θ经过fft反变换后便可获取重构信号x1(n)；

步骤7)显示重构后的超高次谐波时频波形。

所述的步骤6)输出的信号进行重构的具体步骤如下：

步骤a：根据物理可实现的观测矩阵为模拟信息转换器aic实际电路，构造随机序列矩阵p，低通滤波环节的单位脉冲响应矩阵h，低速采样环节的采样矩阵b；

步骤b：获取观测矩阵φ＝bhp；

步骤c：构造傅里叶变换基矩阵ψ；

步骤d：获取传感矩阵a＝φψ；

步骤e：利用正交匹配追踪算法重构出超高次谐波的频谱θ，并通过离散傅里叶逆变换恢复出超高次谐波信号。

所述的步骤3)中物理可实现的观测矩阵为模拟信息转换器aic，且aic中的低通滤波器是增益、截止频率、中心频率可调的模拟滤波器。

实施例一：

该实施例为了清楚说明相位偏差对信号重构精度造成的影响以及低通滤波器的通带截止频率对信号重构精度的影响。参照图3，clk_m是产生伪随机序列的驱动时钟，pc(t)是生成的伪随机序列，clk_ad是相位偏差为0的低速采样时钟，其变化频率是驱动时钟频率的1/5，此时采样的第一个值即为伪随机序列起始时刻的第一个值，并依次间隔5个驱动时钟周期进行采样，如图3中红色曲线所示。在没有相位偏差时，重构时所构造的伪随机序列矩阵p、低速采样矩阵b如下：

p＝diag(pc(0)，pc(1)，...，pc(n-1))

cld_ad1是相位偏差为1的低速采样时钟，采样的第一个值为m序列起始时刻的第二个值，并依次间隔5个驱动时钟周期进行采样，如蓝色曲线所示。在相位偏差为1时，参与重构的伪随机序列矩阵p和低速采样矩阵b会发生相应变化：

p＝diag(pc(1)，...，pc(n-1)，pc(0))

这种变化会引起观测矩阵φ也发生改变。若信号重构时的观测矩阵φ是按照无相位偏差时所构造出的，当存在偏差时，就会导致实际硬件所对应的观测矩阵与重构模型中所使用的观测矩阵不一致，对重构精度产生影响。参照图4所示，相位偏差越大，重构后的信号与原始信号之间的残差越大，且在没有相位偏差时，降低低通滤波器的通带截止频率，不影响重构精度。该实施例表明，本发明具体实施步骤3)采用的变压缩比的滤波方法不会影响重构精度，且能大幅降低低速采样的采样频率；本发明具体实施步骤(5)采用的同步触发方案能够确保生成随机序列的驱动时钟和低速采样时的采样时钟不出现相位偏差问题。

实施例二：

该实施例用一台信号发生器模拟实际配电网中产生的信号，该信号中含有工频50hz和1khz谐波信号。利用图1、2所示本发明提出的检测方法和实现方案，搭建了一套基于虚拟仪器的测试平台。该平台乘法器选择ad835，高通滤波器和低通滤波器选择uaf42有源滤波器，多功能数据采集卡选择nielvisii，pc机选择intel(r)core(tm)i7-4500u。高通滤波器截止频率设置为800hz，低通滤波器的截止频率设置为1khz，随机序列的驱动时钟设置为10khz，低速采样频率设置为2khz，采集时间长度为0.1s，采样点数为200，压缩采样比为20％，ao通道触发源设置为上升沿有效，ai通道触发源设置为下降沿有效，触发时钟为nielvisii自带的crt0，触发输出端为nielvisii板上端口pfi12。

根据具体实施步骤2)，将信号送入高通滤波器进行滤波，滤波后的波形通过nielvisii自带的示波器功能显示如图5所示。

根据具体实施步骤3)，设置同步触发方式。

根据具体实施步骤4)，将高通滤波后的信号送入下一级混频滤波器，触发源上升沿脉冲到来时，输出的混频波形和低通滤波后的波形如图6、7所示。

根据具体实施步骤5)，将低通滤波后的信号送入下一级nielvisii的ai通道，触发源下降沿脉冲到来时，开始低速采样，输入的波形及其幅度谱显示在pc机的labview软件的前面板上如图8所示。

根据具体实施步骤6)，采用omp算法，完成信号重构。

根据具体实施步骤7)，显示重构出的波形及其幅度谱如图10所示。

调整压缩比，将压缩比降低为5％，0.1s内的采样点数为50，则低速采样频率为500hz，反推后的低通滤波器截止频率不大于250hz。重新调整低通滤波器的截止频率到200hz，重复本发明具体实施步骤2)～7)，其低速采样后的波形及其幅度谱如图9所示，重构出的波形及其幅度谱如图10所示。

以上结果显示，本发明方法和实现方案在确保超高次谐波信号准确检测的前提下，大大降低了超高次谐波的采样频率和采样点数。

为了进一步说明本发明方法和方案在超高次谐波检测应用中的优越性，同时采用本发明方法和方案与传统谐波测量仪器对相同的谐波进行10个工频周期(0.2s)的采样，结果如表1所示。

表1

综上所述，本发明的基于压缩感知的超高次谐波检测方法和实现方案在满足谐波准确检测的前提下，能够明显降低测量仪器的adc采样率、采样点数和低通滤波器的截止频率。同时该方法稍作调整后也能应用到配电网暂态电能质量的监测和分析中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

最后要说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是有可能的。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。