电弧炉电流信号检测中抑制谐波及间谐波噪声的方法与流程

本发明属于电力工业谐波及间谐波的检测技术领域，尤其是涉及一种电弧炉电流信号检测中抑制谐波及间谐波噪声的方法。

背景技术：

非线性元件的大量使用，使电网面临严重的谐波污染，既有与基波成整数倍的谐波，又有与基波成非整数倍的间谐波。对谐波及间谐波的准确检测，有助于分析电网谐波及治理谐波。在检测工作中信号中的噪声干扰会影响谐波及间谐波检测结果的准确性，因此，抑制谐波及间谐波检测中的噪声干扰，能够改善检测精度，为后续的谐波分析及治理打下良好基础。检测信号中经常伴有随机噪声，若信噪比较低，直接对检测信号进行分析势必会影响精度。因此，分析谐波及间谐波信号时，对噪声的抑制极为重要。故需进行对检测信号中噪声抑制的研究，确保在谐波及间谐波分析中所使用数据的质量。

频率切片小波变换(frequency slice wavelet transform，FSWT)是一种对信号进行时频化处理的过程，能够揭示检测信号在时域和频域两个方面包含的信息。FSWT通过引入在时域和频域均具有对称结构的频率切片函数，使其时频窗口中心成为频率观测中心，且FSWT的时频分辨率可以通过尺度因子灵活调节，其逆变换也不再依赖于所选的切片函数，在时频空间中能够进行时频区域的自由切割与信号重构。它能将噪声信号与谐波、间谐波信号在时频域分布的差异展示出来，详细刻画噪声与有用信号在时域和频域的变化特征，因此，频率切片小波变换为谐波及间谐波检测中抑制噪声干扰提供可能。

设为P(t)的傅里叶变换，称为频率切片函数，对于任意信号f(t)∈L²(R)(L²(R)为平方可积空间)，其在频域中的FSWT为：

式(1)中：“*”表示函数共轭；尺度因子δ(δ≠0)为常数或t,w和u的函数，t,w分别为观测时间与观测频率，u为估计频率。

设尺度因子δ＝w/k，k＞0，则式(1)变为：

式(2)中：k称为时频分辨系数或动态尺度，用来控制FSWT对频率或时间的灵敏度。

k可由式(3)获得：

式(3)中：Δw_p为频率切片函数的频窗宽度，η_s为待测信号的频率分辨比率。增大η_s可以提高时间分辨率，反之提高频率分辨率。

在信号f(t)的时频变换区间内，通过选择时频切片(t₁,t₂,w₁,w₂)即可重构分离所需的信号，即FSWT逆变换为：

常用的两种频率切片函数及其时域表达式为：

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电弧炉电流信号检测中抑制谐波及间谐波噪声的方法。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种电弧炉电流信号检测中抑制谐波及间谐波噪声的方法，包括步骤如下：

(1)利用频率切片小波变换技术获取电弧炉电流信号的时频分布，

建立频率切片函数的选择机制，由海森伯格不确定性原理可得：

μ＝ΔtΔw (1)

式中：Δw＝δΔw_P，Δt_P、Δw_p分别为频率切片函数的时窗、频窗宽度，δ为尺度因子，μ为大于等于0.5的一个常数。

利用公式(1)比较两种频率切片小波函数的时间-带宽积，值分别为0.5和0.86，由此确定最优的频率切片小波函数为即高斯函数，利用该高斯函数对实测电弧炉电流信号进行频率切片小波变换，获取时频分布图；

(2)根据噪声信号与谐波、间谐波信号时频分布的差异，选择时频区域进行细化分析，

建立频率细化原则，在时频区域上，观察谐波及间谐波信号分布，将频率间距5Hz以内的谐波、间谐波信号划分在同一区域，将频率间距大于5Hz的谐波、间谐波信号单独划分区域，获取时频细化分布图；

(3)分区域重构分离出谐波及间谐波信号，得到抑制噪声干扰后的电弧炉电流信号图，

根据上述步骤(2)的频率细化原则分区域重构信号，提取各谐波及间谐波分量，将提取的各谐波及间谐波分量进行时域组合，得到抑制噪声干扰后的电弧炉电流信号图。

而且，所述步骤(2)中获取的时频细化分布图是选取[0,200]Hz时频区间进行细化分析得到的时频细化分布图。

本发明的优点和积极效果是：

本发明的谐波及间谐波检测中抑制噪声干扰的频率切片小波变换方法，对频率切片函数建立选择机制，通过分析电弧炉电流数据，利用频率切片小波变换技术获取信号的时频分布，根据噪声信号与有用信号时频特征差异，以及建立的频率细化原则，把能表征谐波及间谐波的时频区间进行细化分析，分区域重构提取出谐波及间谐波信号，排除了噪声等无关因素对检测信号质量的影响，具有方法科学、合理、实用等优点。

附图说明

图1是本发明中实测电弧炉电流数据图；

图2是本发明中获取的电弧炉电流信号的时频分布图；

图3是本发明中0～200Hz区间的时频细化分析图；

图4是本发明对10～35Hz区间的信号重构图；

图5是本发明方法对35～60Hz区间的信号重构图；

图6是本发明方法对100～150Hz区间的信号重构图；

图7是本发明抑制噪声干扰后的电弧炉电流信号图；

图8是本发实测电弧炉信号与抑制噪声干扰后的电弧炉信号的局部波形对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述，需要强调的是，以下实施方式是说明性的，而不是限定性的，不能以此实施方式作为对本发明的限定。

一种电弧炉电流信号检测中抑制谐波及间谐波噪声的方法，包括方法步骤如下：

(1)利用频率切片小波变换技术获取电弧炉电流信号的时频分布

建立频率切片函数的选择机制，由海森伯格不确定性原理可得：

μ＝ΔtΔw (1)

式中：Δw＝δΔw_P，Δt_P、Δw_p分别为频率切片函数的时窗、频窗宽度，δ为尺度因子，μ为大于等于0.5的一个常数。利用公式(1)来比较两种频率切片小波函数的时间-带宽积，确定最优的频率切片小波函数；

在本发明的具体实施中，确定最优的频率切片小波函数为为即高斯函数，利用高斯函数对图1中的实测电弧炉电流信号进行频率切片小波变换，获取的时频分布图，见图2。

(2)根据噪声信号与谐波、间谐波信号时频分布的差异，选择时频区域进行细化分析

现场常见的噪声信号主要是随机噪声，随机噪声的能量较为分散，其均匀分布在时频面上。谐波及间谐波信号在时频面上能量较为集中，表现为沿时间轴的连续分布。利用上述信号间的时频分布差异，选取时频细化区域进行细化分析，削弱噪声频率的干扰，来突出有用信号时频特征。

建立频率细化原则，在时频区域上，观察谐波及间谐波信号分布，将频率间距5Hz以内的谐波、间谐波信号划分在同一区域，反之对频率间距大于5Hz的谐波、间谐波信号单独划分区域；

在本发明的具体实施中，观察步骤(1)中得到的时频分布图，大于200Hz时频区间上的分布无明显规律，即噪声干扰主要集中于此，在[0,200]Hz区间存在明显且稳定的沿时间轴的时频分布，即谐波及间谐波主要集中于此，因此，选取[0,200]Hz时频区间进行细化分析，获取时频细化分布图，见图3。

(3)分区域重构分离出谐波及间谐波信号，得到抑制噪声后的谐波及间谐波信号分量，

在本发明的具体实施中，根据上述步骤(2)的频率细化原则分区域重构信号，提取各谐波及间谐波分量，如图4-图6所示，划分时频区域，然后将提取的各谐波及间谐波分量进行时域组合，得到抑制噪声干扰后的电弧炉电流信号，见图7。将实测电弧炉信号与抑制噪声干扰后的电弧炉信号的局部波形进行对比，见图8，比较图1、图7、图8不难看出，噪声干扰得到了很好的抑制，既排除了噪声等无关因素对检测信号质量的影响，又能够降低分析多分量谐波信号的难度。