正弦采樣信號(hào)中單一脈沖干擾信號(hào)的快速剔除實(shí)踐方法

趙 杰 周智鵬 高玄飛 宋 莉

（上海紅檀智能科技有限公司，上海 201306）

0 引言

智能微型斷路器在日常及工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，使用過(guò)程中其電壓電流等電氣參量信息大多是按正弦信號(hào)變化，然而對(duì)其正弦信號(hào)進(jìn)行測(cè)量時(shí)往往受到很多信號(hào)的干擾。為了對(duì)周期干擾信號(hào)及白噪聲干擾信號(hào)的濾除，文獻(xiàn)[1-3]進(jìn)行了深入的研究；文獻(xiàn)[4]給出了利用傅里葉級(jí)數(shù)采樣時(shí)的單數(shù)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算有效值、偶數(shù)采樣點(diǎn)計(jì)算有效值、偶數(shù)奇數(shù)采樣點(diǎn)一起計(jì)算有效值，然后進(jìn)行分析對(duì)比找出單一脈沖干擾信號(hào)，進(jìn)而對(duì)單一脈沖干擾信號(hào)進(jìn)行剔除的方法；文獻(xiàn)[5-7]則分別使用采樣值估算、奇異值分解和卡爾曼濾波三種方法進(jìn)行干擾信號(hào)的快速檢測(cè)和定位，尤其是文獻(xiàn)[5]提出了快速識(shí)別正弦信號(hào)中擾動(dòng)信號(hào)的方法，該方法基于兩個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后對(duì)第三個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行估值預(yù)算，并與實(shí)際采樣值進(jìn)行比較，當(dāng)超出給定的自適應(yīng)閾值范圍時(shí)，就可快速找出擾動(dòng)信號(hào)的起始點(diǎn)。

本文在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，對(duì)正弦采樣信號(hào)中單一信號(hào)的干擾進(jìn)行了快速正向與反向推理識(shí)別及剔除替代實(shí)踐，實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，該方法對(duì)單一脈沖干擾信號(hào)識(shí)別速度快，平擬效果好，能滿足智能微型斷路器數(shù)據(jù)快速采集計(jì)算的要求。

1 單一脈沖干擾信號(hào)的快速識(shí)別方法

設(shè)智能微型斷路器的電壓、電流按正弦規(guī)律變化，且采樣數(shù)據(jù)按等時(shí)間間隔采樣，設(shè)等間隔采樣數(shù)據(jù)序列為uki-1,uki,uki+1,uki+2,uki+3,uki+4,…，參考文獻(xiàn)[5]的干擾信號(hào)判定方法，對(duì)該方法進(jìn)行擴(kuò)展轉(zhuǎn)換，用文獻(xiàn)[5]方法測(cè)量沒(méi)有干擾信號(hào)且按正弦規(guī)律變化時(shí)數(shù)據(jù)信號(hào)，用前兩個(gè)采樣數(shù)據(jù)來(lái)推出第三個(gè)采樣值，即

式中，α=1- c os ( - ΔΦ)＞0 ， ΔΦ為等間隔采樣時(shí)間所對(duì)應(yīng)的采樣間隔角度。

同理，如果信號(hào)沒(méi)有干擾，則用后面的兩個(gè)采樣數(shù)據(jù)對(duì)前面的一個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，其關(guān)系式也成立，即

顯然，當(dāng)uki+1含有干擾信號(hào)時(shí)，式（1）和式（2）都不會(huì)成立。因此，轉(zhuǎn)換式（1）和式（2）為式（3）和式（4），形成絕對(duì)值大于自適應(yīng)閾值的單一擾動(dòng)信號(hào)判定式，即當(dāng)滿足式（3）和式（4）時(shí)，uki+1采樣點(diǎn)為干擾信號(hào)采樣點(diǎn)，則有

2 單一脈沖干擾信號(hào)的快速剔除替代

按照式（3）和式（4）判定uki+1為單一脈沖信號(hào)干擾點(diǎn)采樣值時(shí)，則舍棄此采樣值，快速利用式（1）和式（2）的平均推理值替代其采樣值，即

當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)超過(guò)每個(gè)周波 30個(gè)點(diǎn)時(shí)，α=1- c os(- ΔΦ)＞0 變得甚小，在快速計(jì)算時(shí)，式（5）可以近似表示為

3 干擾信號(hào)快速剔除實(shí)踐方案設(shè)計(jì)

3.1 流程設(shè)計(jì)

圖1 單一脈沖干擾信號(hào)剔除替代流程

基于單一脈沖干擾信號(hào)的快速判定與剔除替代設(shè)計(jì)單一脈沖干擾信號(hào)剔除替代流程如圖1所示。在程序開(kāi)始運(yùn)行后，會(huì)按照1.6kHz的采樣頻率進(jìn)行交流電的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，一個(gè)周波采集32個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，按照式（1）和式（2）可以推算出當(dāng)前數(shù)據(jù)的理論值U1和U2，同采集的當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)際值進(jìn)行差值比較，若兩個(gè)差值同時(shí)滿足大于自適應(yīng)閾值判定，則可確定此當(dāng)前點(diǎn)為單一脈沖信號(hào)干擾點(diǎn)，按照式（5）將U1和U2進(jìn)行均值處理，替換當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)際值，最后當(dāng)32個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)皆判定結(jié)束，便開(kāi)始重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3.2 程序算法設(shè)計(jì)

根據(jù)流程設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序進(jìn)行實(shí)踐。采集交流電信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，判斷驗(yàn)證是否可以快速判定且剔除替代單一干擾信號(hào)。程序設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 單一脈沖干擾信號(hào)剔除替代程序

4 單一脈沖干擾信號(hào)的快速判定與剔除替代實(shí)踐數(shù)據(jù)

智能微型斷路器一端接市電，一端接負(fù)載，電流電壓采樣頻率為 1.6kHz，每周波采樣 32個(gè)點(diǎn)，采樣間隔角度為 11.25°，α=5.87×10-6且由于α非常小計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)。根據(jù)實(shí)際測(cè)量可得到單一干擾信號(hào)數(shù)據(jù)波形（系列1）、剔除替代干擾信號(hào)后數(shù)據(jù)波形（系列2）、同一時(shí)刻無(wú)干擾信號(hào)數(shù)據(jù)波形（系列3），同時(shí)根據(jù)干擾信號(hào)的大小可具體分為強(qiáng)單一干擾信號(hào)、一般單一干擾信號(hào)、弱單一干擾信號(hào)。具體電壓采樣數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1，其中電壓采樣數(shù)據(jù)與實(shí)際值換算系數(shù)為0.960 1。

4.1 強(qiáng)單一干擾信號(hào)識(shí)別與剔除替代

采樣的強(qiáng)單一干擾信號(hào)電壓數(shù)據(jù)波形如圖3所示。從圖3中可以看出系列1有一處明顯的強(qiáng)單一干擾信號(hào)，將此波形利用方均根值算法可得出實(shí)際電壓值234.2V，系列3為同一時(shí)刻無(wú)干擾信號(hào)數(shù)據(jù)波形，計(jì)算后可得到實(shí)際電壓值為239.0V。由此可看出，由于單一脈沖干擾信號(hào)的擾動(dòng)，導(dǎo)致最終計(jì)算值會(huì)發(fā)生小范圍內(nèi)的波動(dòng)，系列2為經(jīng)過(guò)替代干擾信號(hào)后的數(shù)據(jù)波形，計(jì)算后可得到實(shí)際電壓值239.0V。可判定此方法可以快速剔除替換強(qiáng)單一脈沖干擾信號(hào)，使最終計(jì)算結(jié)果精度得到提高。

表1 采樣得到的單一脈沖干擾的電壓信號(hào)采樣數(shù)據(jù)表 單位: V

圖3 強(qiáng)單一干擾信號(hào)電壓數(shù)據(jù)波形

4.2 一般單一干擾信號(hào)識(shí)別與剔除替代

采樣的一般單一干擾信號(hào)電壓數(shù)據(jù)波形如圖 4所示。從圖4中可以看出系列1有一處一般單一干擾信號(hào)，將此波形利用方均根值算法可得出實(shí)際電壓值228.4V，系列3計(jì)算后實(shí)際電壓值為230.4V，系列2計(jì)算后實(shí)際電壓值230.4V。可判定此方法可以快速剔除替換一般單一脈沖干擾信號(hào)，提高精度。

圖4 一般單一干擾信號(hào)電壓數(shù)據(jù)波形

4.3 弱單一干擾信號(hào)識(shí)別與剔除替代

采樣的弱單一干擾信號(hào)電壓數(shù)據(jù)波形如圖5所示。從圖5中可以看出系列1有一處弱單一干擾信號(hào)，將此波形利用方均根值算法可得出實(shí)際電壓值223.5V，系列3計(jì)算后實(shí)際電壓值為222.7V，系列2計(jì)算后實(shí)際電壓值222.7V。可判定此方法可以快速剔除替換弱單一脈沖干擾信號(hào)，提高精度。

圖5 弱單一干擾信號(hào)電壓數(shù)據(jù)波形

5 結(jié)論

本文基于單一脈沖干擾信號(hào)的快速剔除方法，可快速推算出當(dāng)前采樣點(diǎn)的理論值，若與實(shí)際值的偏差過(guò)大，不在線性自適應(yīng)閾值內(nèi)，可判定當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)為單一脈沖干擾信號(hào)，剔除實(shí)際值，由理論值替代。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該方法的正確性與有效性；在智能微型斷路器電氣正弦量測(cè)量處理中采用的單一脈沖干擾信號(hào)識(shí)別剔除替代方法，快捷簡(jiǎn)單實(shí)用，可滿足工程高速采集和計(jì)算保護(hù)需求。