一种电网谐波单通道混叠信号的滤波方法和装置

1.本技术涉及无线电信号处理技术领域，是针对电网谐波中混叠有目标信号的滤波方法，用以处理目标信号和电网谐波混叠且只有一个接收通道的情况。


背景技术：

2.由于发电源固有的非线性、用电设备中整流装置的移项操作等原因，供电系统在正常运行和发生故障时发出的电磁信号都会产生各次谐波,有时还会含有突变信号或高频谐振干扰。谐波的出现一方面使电能生产、传输和利用的效率降低，还会使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；另一方面，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，也对无线电信号检测产生了一些影响。70年代以来，世界各国都对谐波问题予以充分关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。现有的对于电网谐波的研究主要分为两类：一、基于谐波的产生原因对硬件设备所做的一些工作，主要是装设谐波补偿装置来补偿谐波和对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波；二、对电网谐波信号本身的分析研究，主要采用快速傅里叶变换和小波变换等频谱分析方法。对于目标信号和电网谐波信号单通道混叠情况的研究目前很少看到。


技术实现要素：

3.本发明的目的是公开一种针对电网谐波单通道混叠信号的滤波方法，解决目标信号与电网谐波信号混叠时难以分辨的问题，以提取出混叠在电网谐波中感兴趣的目标信号。
4.本技术实施例提出一种电网谐波单通道混叠信号的滤波方法，包括以下步骤：
5.接收电网辐射信号，进行采样，生成原时域信号；
6.对时域工频基波进行载波调制，将所述时域工频基波搬移到特定频点，构造出杂波参考信号；
7.用构造出的杂波参考信号和原时域信号作为自适应滤波器的输入参数，提取出原时域信号中的杂波信号；
8.最后用原时域信号减去上一步中滤波器输出的杂波信号，得到对消杂波后的目标信号。
9.优选地，所述时域工频基波信号是从原时域信号中滤波生成，或者，所述时域工频基波信号是设定信号。
10.关于所述特定频点，优选地，所述特定频点，为所述时域工频基波信号的基波频率的奇数倍；进一步优选地，所述特定频点为1个或多个。作为本技术进一步优化的实施例，在上述步骤之前，对先验的目标信号进行频域分析，获得特定频点的值。
11.本技术实施例还提出实现任意一项实施例所述方法的计算机装置、存储介质。
12.本技术实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
13.通过研究电网谐波的产生机理以及实验分析验证，给出了电网谐波信号的信号特性，并针对这一特性，构造出杂波参考信号完成杂波对消，克服了现有算法中由于通道数不足，无法进行杂波对消的缺陷；通过对目标信号的实验分析验证，得到目标信号的先验信息，并针对这一先验信息，构造目标参考信号完成目标信号提纯；经实验验证，这两种方法均可以有效的滤除大部分背景杂波，为被电网谐波污染的单通道混叠信号滤波提供了解决思路。
14.本发明提出的两种技术方案，通过研究电网谐波的产生机理以及实验分析验证，给出了电网谐波信号的信号特性，并针对这一特性进行单通道自适应滤波，克服了现有算法中由于通道数不足无法进行自适应滤波的缺陷。
附图说明
15.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
16.图1为本技术方法的实施例流程图；
17.图2为工频谐波信号相位随时间变化；
18.图3为目标信号相位随时间变化。
19.图4为基于实时提取工频基波的实施例流程图；
20.图5为根据杂波特性构造的自适应滤波器结构；
21.图6为wiener滤波算法流程图；
22.图7为杂波对消前后频谱对比图；
23.图8为本技术方法的另一实施例流程图；
24.图9为目标信号提纯前后频谱对比图。
具体实施方式
25.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术具体实施例及相应的附图对本技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
26.本专利用于解决单通道电网谐波中具有稳定频率信号的检测问题，目标信号就是指具有某种先验信息的信号，具体应用场景是某种设备在通电工作时会产生一种具有稳定频率的信号，因为该信号的产生是在设备通电工作时产生的，并且在现实场景中只要用电就会产生相应的电网谐波干扰，因此在进行电磁探测时，该信号会不可避免地与电网中产生的谐波信号混叠在一起，此时混叠信号中具有稳定频率的信号为目标信号，其他的为背景杂波信号，通过检测接收到的单通道混叠信号中是否具有这种稳定频率的信号来判断该种设备是否存在。为了达到以上目的，本发明提供了两种针对电网谐波单通道混叠信号的滤波方法，包括杂波对消方法和目标信号提纯方法。
27.以下结合附图，详细说明本技术各实施例提供的技术方案。
28.图1为本技术方法的实施例流程图；
29.本技术实施例提出一种电网谐波单通道混叠信号的滤波方法，包括以下步骤：
30.步骤11、接收电网辐射信号，进行采样，生成原时域信号。
31.由于感应式磁场传感器探测磁场变化，并将这种变化转变为电信号，接收机对接收到的电信号进行采样，得到原时域信号。
32.将采集到的单通道电磁信号理解为：
33.s(t)＝s1(t)+n(t)＝s1(t)+s2(t)+n'(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
34.其中s(t)表示采集到的电磁信号，s1(t)表示目标信号，n(t)表示工频基波信号和电网谐波信号的加和，s2(t)表示工频基波信号，n'(t)表示电网谐波信号。
35.步骤12、对时域工频基波进行载波调制计算，将所述时域工频基波搬移到特定频点，构造出杂波参考信号。
36.关于所述特定频点，优选地，所述特定频点，为所述时域工频基波信号的基波频率的整数倍；进一步优选地，所述特定频点为1个或多个。
37.本技术的方法通过工频基波信号搬移的方式构造出杂波参考信号，这里的杂波具体是指电网中的与目标信号处于相同频率的n次谐波。
38.为更清楚地说明，举例如下
39.如果一个信号是频率为f的周期信号，则该信号仅是由频率是f整数倍的频率成分构成，比如f、2f、3f、4f等。这些频率成分称为谐波。
40.设f(t)是以t为周期的函数，则任何周期信号可以分解为如下形式：
[0041][0042]
傅里叶系数表示如下：
[0043][0044][0045][0046]
其中n＝1,2,3,
……
，称为基波频率。
[0047]
因此，步骤12中，可以基波频率的整数倍，即n次谐波频率，作为特定频点。
[0048]
步骤13、用构造出的杂波参考信号和原时域信号作为自适应滤波器的输入参数，提取出原时域信号中的杂波信号。
[0049]
本技术的自适应滤波算法，例如可以使用wiener滤波算法。
[0050]
步骤14、最后用原时域信号减去上一步中滤波器输出的杂波信号，得到对消杂波后的第一目标信号。
[0051]
作为本技术进一步优化的实施例，在上述步骤之前，对先验的目标信号进行频域分析，获得特定频点的值。
[0052]
图2为工频谐波信号相位随时间变化，图3为目标信号相位随时间变化。为了对单通道混叠信号进行目标检测，需要先对采集到的电磁信号进行长时间的分析，从而获得电网谐波信号和目标信号的先验认知。通过对单通道电磁信号长时间的分析和试验表明，电网谐波存在慢变的特点，对应的特征频率信号相位随着慢时间呈现非线性变化；而目标信号的特征频率稳定性很高，对应的特征频率信号相位随着慢时间呈现线性变化或者不变。图2、图3分别为6个小时背景杂波信号和目标信号持续观测的结果，由图可以看出背景杂波信号的相位随时间呈现非线性变化，说明其频率稳定度较差，而目标信号相位随时间近似呈现线性变化，说明其频率稳定度高。由于目标信号相对于电网谐波信号表现出了高度稳定的特点，如果一个信号的幅度、频率是慢变的或者稳定不变的，则在每个时刻点或一段是时间内可以把它看成单频信号，这也是构造目标参考信号的依据。
[0053]
以下进一步详细说明步骤12。
[0054]
工频基波和目标信号本没有关系，本技术的方法提取所得到的单通道混叠时域信号的工频基波部分是为了对消与目标信号相重叠的那部分杂波。在步骤12中，所述时域工频基波信号是设定信号，或者，所述时域工频基波信号是从原时域信号中滤波生成。
[0055]
所述时域工频基波信号是设定信号，例如对奇次谐波的试验波形，可表示为：
[0056][0057]
对上式进行傅里叶级数展开，可得到：
[0058][0059]
其中：
[0060][0061]
对式(6)整理可得：
[0062]
i(t)＝aksin(kωt+o)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0063]
其中，ak是奇次谐波的幅度，k决定奇次谐波的谐波次数，o是初相位，且它们均是常数，ib表示电流的最大值，并非有效值。由公式(7)～(9)可知，电网中不同次数谐波信号具有很强的关联性。因此可以通过工频基波信号搬移的方式构造出杂波参考信号。需要说明的是，在本技术公式(6)的特定的工频基波信号条件下，所述特定频点为所述时域工频基波信号的基波频率的奇数倍。
[0064]
所述时域工频基波信号是从原时域信号中滤波生成，图4为基于实时提取工频基波的实施例流程图，其步骤12中进一步包含步骤12a～c。
[0065]
步骤11、接收沿电网传递的信号进行采样，生成原时域信号；
[0066]
步骤12a、对所得到的时域信号做fft，提取该信号的工频基波部分；
[0067]
首先对所得到的时域信号做fft，提取该信号的工频基波部分：
[0068]
fft(s(t))＝fft(s1(t)+n(t))＝fft(s1(t)+s2(t)+n'(t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0069]
将除工频基波信号频谱以外的频谱分量之外置零，得到fft(s2(t))。
[0070]
步骤12b、对得到的工频基波部分频谱做ifft，得到时域工频基波信号；对得到的工频基波部分频谱做ifft，得到时域工频基波信号：
[0071]
s2(t)＝ifft(fft(s2(t)))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0072]
步骤12c、对时域工频基波信号进行载波调制，搬移到特定频点，构造出杂波参考信号；
[0073]
接着对该信号进行载波调制，目的是将工频基波信号搬移到特定频点从而构造出杂波参考信号：
[0074]srefer
＝s2(t)a(cos(ω
1 t)+cos(ω
2 t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0075]
需要说明的是，在公式(12)的实施例中，特定频点包含两个，即ω1、ω2，这是目标信号所在的位置决定的。
[0076]
步骤13用构造出的杂波参考信号和原时域信号作为自适应滤波器的输入参数，提取出原时域信号中的杂波信号；
[0077]
步骤14、最后用原时域信号减去上一步中滤波器输出的杂波信号，得到对消杂波后的信号。
[0078]
图5为根据杂波特性构造的自适应滤波器结构。可以看出根据杂波分布的特点，滤波器结构能做出相应改变，也说明了频谱搬移方法的可用性。
[0079]
图6为wiener滤波算法流程图。
[0080]
本发明中所使用的自适应滤波算法是wiener滤波算法，wiener滤波算法的实现原理是设计一个冲击响应函数h，对观察到的信号序列x进行滤波，使得其与期望信号s的最小平方和达到最小值。假设信号s的长度为n，下标从0开始计算，对于滤波器h而言，其滤波过程如下：
[0081]
对n时刻的信号估计值：
[0082][0083]
维纳滤波器的目标如下：
[0084][0085]
对上式进行求导，由最小值条件得到:
[0086][0087]
整理上式，结合相关函数的性质可以得到:
[0088]
e[s(n)x(n-i)]＝r
sx
(-i)＝r
xs(i)ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0089]
e[h(m)x(n-m)*x(n-i)]＝h(m)e[x(n-m)*x(n-i)]＝h(m)r
xx
(m-i)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0090]
[0091]
对于长度为n的滤波器h，则有：
[0092][0093]
将上式进行简化，得到：
[0094][0095]
其中，r
xx
是一个对称矩阵，且对角线元素都是r
xx
(0)。
[0096]
图7为杂波对消前后频谱对比图，是基于实测数据的杂波对消前后的频谱对比图，说明了此方法对于背景杂波抑制的有效性。
[0097]
图8为本技术方法的另一实施例流程图。
[0098]
本发明实施例还提出一种电网谐波单通道混叠信号的滤波方法，对于目标信号提纯方法，首先根据目标信号在特定频点处频率比较稳定，表现出窄带单频特性的特点，用正弦信号构造出目标参考信号；然后用构造出的目标参考信号和原时域信号作为自适应滤波器的输入参数，直接得到目标信号提纯之后的信号。具体包含以下步骤21～22：
[0099]
步骤21、构造所述特定频点的1个或多个单频信号作为目标参考信号。
[0100]
首先要做的是根据目标特性构造出目标参考信号，我们知道如果一个信号的幅度、频率是慢变化或者稳定不变的，则在每个时刻点或一段时间内可以把它看成单频信号，所以对于目标参考信号的构造如下：
[0101]srefer
＝a(cos(ω
1 t)+cos(ω
2 t))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0102]
需要说明的是，在公式(13)的实施例中，特定频点包含两个，即ω1、ω2，这是目标信号所在的位置决定的。
[0103]
步骤22、将所述目标参考信号和原时域信号作为自适应滤波器的输入参数，提取出原时域信号中的第二目标信号。
[0104]
用构造出的目标参考信号和原时域信号作为自适应滤波器的输入参数，直接得到目标信号提纯之后的信号，图9(a)～(b)为目标信号提纯前后频谱对比图，是基于实测数据的目标信号提纯前后的频谱对比图，也说明了此方法对于背景杂波抑制的有效性。
[0105]
进一地，在步骤11～14、21～22基础上，还可包含以下步骤23～25中至少一个步骤。
[0106]
步骤23、对第一目标信号和第二目标信号的特征进行比较和/或进行加权叠加。
[0107]
对第一目标信号和第二目标信号的特征进行比较，包括峰值幅度比较和/或峰值频率比较；对二者进行加权叠加，包括对幅度值加权叠加和/或峰值频率进行加权叠加。
[0108]
步骤24、调节所述时域工频基波的基波频率和/或波形，使所述第一目标信号和第二目标信号的差异小于设定阈值。
[0109]
在步骤24中，当所述时域工频基波信号为设定信号时，调整基波频率和/或波形，改变计算结果，当所述差异减小时，所述基波频率和/或波形与真实的工频基波信号的差异减小。
[0110]
步骤25、调节所述目标参考信号的峰值频率，使所述第一目标信号和第二目标信号的差异小于设定阈值。
[0111]
在步骤25中，当借助先验知识构建目标参考信号时，所述目标参考信号的频点数量和频率值影响计算结果，调整所述目标参考信号的频点数量和频率值，改变计算结果，当所述差异减小时，所述目标参考信号的频点数量和频率值与真实目标信号的差异减小。
[0112]
在步骤24～25中，所述第一目标信号和第二目标信号的差异，例如可以是第一目标信号的峰值幅度和第二目标信号的峰值幅度的差异；例如可以是第一目标信号的峰值频率和第二目标信号的峰值频率的差异；例如还可以是第一目标信号和第二目标信号的峰值幅度差异、峰值频率差异的加权组合值。
[0113]
当所述时域工频基波信号为设定信号和/或借助先验知识构建目标参考信号时，通过步骤24～25中的至少一个步骤循环实施获得最优计算结果，所述最优计算结果，例如可以包含设定的时域工频基波信号的最优值，还可以包含构建的目标参考信号最优值，或者还可以包含对第一目标信号和第二目标信号的特征进行加权叠加的结果。
[0114]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
[0115]
因此，本技术还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本技术中任一实施例所述的方法。
[0116]
进一步地，本技术还提出一种电子设备，包括存储器，处理器及存储在存储器上并可在处理器运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如本技术任一实施例所述的方法。
[0117]
本发明提供了针对电网谐波单通道混叠信号的滤波方法，分别提出两种技术方案，第一种技术方案从杂波特性入手，采用杂波对消的方式，第二种技术方案从目标信号特性入手，采用目标信号提纯的方式。对于杂波对消方法，首先对接收到的时域信号做fft，提取该信号的工频基波部分，通过对工频基波信号频谱搬移，构造出杂波参考信号，再用构造出的杂波参考信号和原时域信号通过自适应滤波器做对消，得到对消杂波后的信号。对于目标信号提纯方法，首先根据目标特性构造出目标参考信号，然后用构造出的目标参考信号和原时域信号通过自适应滤波器提纯，直接得到目标信号提纯之后的信号。本发明提出的两种技术方案，克服了现有算法中由于通道数不足，无法进行自适应滤波的缺陷。经实验验证，这两种方法均可以有效的滤除大部分背景杂波，为被电网谐波污染的单通道目标信号检测提供了解决思路。
[0118]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
[0119]
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。
[0120]
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。
[0121]
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
[0122]
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
[0123]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0124]
以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。