基于松弛迭代的電能擾動信號的去噪方法

摘要：提出一種基于松弛迭代的電能擾動信號去噪方法。該算法利用局部突變點與其給定窗口內的鄰域點的時域結構關系，判斷信號的各采樣點是否是突變點，然后作不同的處理。仿真實驗結果表明，與五點均值法和五點中值法相比，用松弛迭代算法處理電能擾動信號能夠得到較大的信噪比并保留較完整的突變信息。

關鍵詞：電能質量；去噪；松弛迭代；均值濾波；中值濾波

中圖分類號：TM714; TP301.6文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2007)08－0264－03

高質量的電能對于保證電網和電氣設備安全和經濟運行，提高產品質量并保障居民正常生活有著重要意義。為了系統地分析、研究電能質量問題，并能對其測量結果進行分析，從而找出引起電能質量問題的原因和應采取的針對性解決方法，對電能擾動進行監測和分析就顯得尤為重要[1，2]。但由于線路、設備安裝位置和干擾等原因，電力系統信號中總帶有噪聲，其對信號的分析影響較大，很難將擾動信號提取出來及分析其類型。對擾動信號的去噪效果便決定著電能質量問題的分析結果[3，4]。

電能擾動信號去噪的一個關鍵問題是要將突變信息從復雜的噪聲環境中區分出來，保證在去除噪聲的同時不損失突變點。在實際中，去除噪聲和保持突變點經常是一對難以解決的矛盾。松弛迭代算法可利用局部突變點與其給定窗口內的鄰域點的時域結構關系，判斷信號的各采樣點是否是突變點，然后作不同的處理。該算法不但能較好地平滑帶噪聲的信號波形，同時能將擾動信號的突變點信息完整保存，保證了電能質量問題的準確分析。

1基于松弛迭代算法的去噪

去噪的目的是盡可能地去除噪聲恢復出有用信號。對于電能擾動信號，關鍵在于如何在去噪過程中保持擾動的發生與結束點信息。由于噪聲的影響，即使找到了一個信號的突變點，也是在概率的意義下討論的[5~7]。若某點為突變點的概率是P，通過松弛迭代算法對P引入此點與鄰域點的時域結構關系，根據P的變化分別對突變點和噪聲進行保持或平滑處理。

2仿真結果分析

電力系統電能擾動的主要表現形式有電壓驟降、電壓膨脹、電壓中斷等[8]。下面采用松弛迭代算法對這幾種擾動信號進行去噪，并與五點均值法[9，10]和五點中值法[10，11]進行比較。通過信噪比來分析去噪效果，通過比較突變點的突變幅度來分析突變信息的保持效果。

1）電壓驟降指在某一時刻，電壓下降至原來的10%～90%，并持續0.5～1.0 s。短路電流、大負荷和電動機的投切均可能造成這種擾動。電壓崩潰擾動信號如圖1(a)所示。

用松弛迭代法對電壓驟降信號進行去噪，結果如圖1(b)所示。可直接觀察到，信號中的噪聲被較好地平滑，而突變點保存完好。圖1(c)為用五點均值法進行去噪的結果，噪聲的平滑效果較好，但是突變點有一定的失真。圖1(d)為用五點中值法進行去噪的結果，噪聲的平滑效果不好，但是突變點保存得較完整。

2）電壓膨脹指系統電壓暫時增大。單相短路時，非故障相容易出現這種情況。電壓膨脹擾動信號如圖2(a)所示。用松弛迭代法、五點均值法和五點中值法對電壓膨脹信號進行去噪，結果如圖2（b）~（d）所示。

3）電壓中斷電壓中斷可看做電力系統中電壓的暫時丟失。其典型特征是電壓下降了90%～100%。當開關傳動裝置，如斷路器、重合閘、保險絲等斷開時，易產生這種擾動。電壓凹陷擾動信號如圖3（a）所示。用松弛迭代算法、五點均值法和五點中值法對電壓中斷信號進行去噪，結果如圖3（b）~（d）所示。

下面從信噪比和突變點的保持兩方面來比較松弛迭代法、五點均值法和五點中值法對以上幾種電能擾動信號的去噪效果（表1、2）。

如表1、2所示，比較經過松弛迭代法、五點均值法和五點中值法處理的信號的信噪比可知，松弛迭代法最大，而五點中值法處理的信號的信噪比最小；在突變點的保持方面，松弛迭代法的去噪結果很接近原始信號，五點均值法的結果有較大的失真，五點中值法結果的突變點也較接近原始信號。通過比較這三種去噪方法可以看出，用五點均值法雖然能得到較大的信噪比，但是突變點卻有較大的失真；用五點中值法雖然能較好地保存突變信息，但是處理后的電能擾動信號的信噪比較差，不能很好地平滑噪聲；松弛迭代法能兼顧平滑噪聲和保存突變信息，很好地解決了這個矛盾。

3結束語

電能擾動信號的去噪對電能質量問題的準確分析有重要意義。本文利用松弛迭代算法對電壓驟降、電壓膨脹、電壓中斷三種電能擾動信號進行去噪。該算法利用局部突變點與其給定窗口內鄰域點的時域結構關系，得出電能擾動信號中每一點是突變點和不是突變點的概率；并將這個概率與原始概率進行比較，判斷信號的各采樣點是否是突變點；然后對不同性質的點作不同的處理，從而達到平滑噪聲和保存突變信息的目的，得到很好的去噪效果。將松弛迭代法與平滑效果較好的五點均值法和保存突變信息較好的五點中值法進行比較，在信噪比和突變點的保持兩方面，松弛迭代法均占優勢。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文”