变电站宽频信号同步触发录波方法、系统、设备及存储介质

1.本发明涉及变电站宽频信号触发录波技术领域，特别涉及一种变电站宽频信号同步触发录波方法、系统、设备及存储介质，用于针对变电站端信号中存在的宽频信号量进行识别及捕捉。


背景技术：

2.随着现代电力系统的日趋发展，大量新能源装置和非线性负载大规模并网，使得电网系统愈发呈现出高电力电子化特征，大量宽频振荡信号充斥在电网中，对电力系统的安全稳定运行和供电质量安全造成了巨大的影响。而变电站作为电网能量变换和交换的枢纽，在对电网宽频信号进行测量和监控方面具有重要地位。电网电能传输至电网进行电压变换，变电站可以视作站前端电能传输的终点，又是后端电能传输的起始端，所以作为承前启后单元的变电站在电能信号测量监控方面具备显著优势。与此同时，变电站的安全稳定运行也对电力系统整体安全稳定具有重要意义，对变电站内信号进行宽频信号检测同时具备必要性。
3.现阶段广域测量系统(wams)具有低频振荡监测功能，对较低频率振荡甚至超低频振荡具有较好的监测效果，但该系统完全基于主站指令进行振荡监测，实时性较差，并且由于同步相量测量单元(pmu)的最大传输速率(100帧/s)限制，wams监测的频率范围仅在50hz以下，不能满足对电网宽频振荡的监测需求。目前主流的宽频信号测量方法在识别宽域频率信号时处理时间较长，并且容易出现频谱泄露、干扰等诸多问题，需要进一步对采集到的信号波形进行处理，不适用于实时录波；目前主流的宽频录波启动条件多选用固定阈值方法，该方法虽然简单有效，但对干扰信号和噪声分量缺乏足够的抵抗性，鲁棒性差。此外，传统宽频信号录波方法变电站端与主站间的通信方式采用4g通信方式，数据传输速率和性能已经无法满足同步通信需求。
4.现有宽频信号录波方法存在如下缺点：
5.1)录波触发条件固定且覆盖频率范围固定，易受到噪声和干扰信号的影响。
6.2)采样信号未经过滤波频率分段处理，在处理频率信息时采样信号之间会由于频谱泄露等产生相互干扰，影响处理效果和效率。
7.3)采样信号未通过降噪处理，使得录波时会记录到无关噪声量，影响进一步的分析处理。
8.4)录波数据信息冗余，无法实时上传至主站进行进一步的分析处理，导致录波装置数据冗余甚至数据爆炸。
9.5)若scada装置采集到的数据信息失准，则宽频信号录波系统录波数据提取不准确，难以准确高效提取高频信号分量。


技术实现要素：

10.为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种变电站宽频信号同步触发录波方
法、系统、设备及存储介质，该方法满足门槛阈值自适应整定，实现录波装置与主站即时通信。
11.本发明所采用的技术方案是：
12.一种变电站宽频信号同步触发录波方法，包括以下步骤：
13.同步采样数据，得到变电站宽频信号；
14.对变电站宽频信号的信号频率进行滤波分段处理，得到不同信号频率的多个滤波信号；
15.对多个滤波信号同步进行随机脉冲噪声抑制；
16.对多个滤波信号分别进行宽频带多分量阈值检测计算，确定门槛阈值；
17.判断多个滤波信号是否高于对应的门槛阈值：
18.若否，则返回同步采样数据步骤；
19.若是，则将随机脉冲噪声抑制后的滤波信号进行数据缓存，并将数据缓存的滤波信号转换格式，通过5g信号进行无线通信将转换格式的滤波信号上传至主站。
20.作为本发明的进一步改进，所述对变电站宽频信号的信号频率进行滤波分段处理，具体包括：
21.所述滤波分段处理包括滤波、分段、检测以及降噪和谱分析；
22.对变电站宽频信号进行高通滤波、低通滤波及带通滤波处理，得到低频信号、工频信号和高频信号；其中，低频信号频率范围为0～45hz，55～100hz，工频信号频率范围为45～55hz，高频信号频率范围为大于100hz。
23.作为本发明的进一步改进，所述对多个滤波信号同步进行随机脉冲噪声抑制，具体包括：
24.首先使用局部回归平滑滤波方法实现对宽频采样信号进行快速滤波：
25.s
lrs
＝ξ
lrssl
26.其中ξ
lrs
为lrs滤波系数矩阵，s
l
为局部信号；经过lrs滤波的信号为s
lrs
，滤波残余信号为r
lrs
，以r
lrs
为检测对象，快速获取随机脉冲噪声的位置信息，然后运用鲁棒局部回归平滑滤波方法对相应位置的s
lrs
数据进行修复；具体为
27.s
ipn
＝ξ
fwrlrsslrs
28.其中ξ
fwrlrs
是fwrlrs系数矩阵，s
ipn
为不含需要消除脉冲噪声的局部信号。
29.作为本发明的进一步改进，对多个滤波信号分别进行宽频带多分量阈值检测计算，确定门槛阈值；具体包括：
30.对不同信号频率的多个滤波信号运用汉宁窗进行数据加窗处理；
31.再进行快速傅里叶变换；
32.初始化门槛阈值鲁棒调节系数k
th
，将整个频谱作为背景噪声s，计算噪声s的均值μ和标准差σ并更新门槛阈值v
th
；
33.判断信号中是否有大于门槛阈值v
th
的元素：
34.若有，消去该元素并更新s，重新计算；
35.若无，则将当前门槛阈值v
th
确认为最终门槛阈值v
th
。
36.作为本发明的进一步改进，对低频信号和高频信号运用汉宁窗进行数据加窗处理，具体为：
[0037][0038]
其中，ω(n)为汉宁窗函数值，n为总采样点数；n为采样序号，0≤n≤n-1；
[0039]
计算噪声no的均值μ和标准差σ并更新门槛阈值具体为：
[0040]vth
＝μ+k
th
σ+δs
[0041]
其中δs为用户自设定的滤波阈值量。
[0042]
作为本发明的进一步改进，将数据缓存的滤波信号转换格式具体是转换为comtrade格式。
[0043]
作为本发明的进一步改进，若是则将随机脉冲噪声抑制后的滤波信号进行数据缓存，具体包括：
[0044]
随机脉冲噪声抑制后的滤波信号在设定门槛阈值范围内时，不断更新数据并缓存8个工频周波数据至flash建立缓存区，当同步采样数据识别出超过设定的门槛阈值的宽频信号时，在flash缓存区中取前8周波数据，再开始对采样信号进行录波，直至保存至设定上传容量，再向主站报告上传录波数据，等待主站确认后将录波数据上传。
[0045]
一种变电站宽频信号同步触发录波系统，包括：
[0046]
采样数据同步单元，用于同步采样数据，得到变电站宽频信号；
[0047]
滤波分段处理单元，用于对变电站宽频信号的信号频率进行滤波分段处理，得到不同信号频率的多个滤波信号；
[0048]
随机脉冲噪声抑制单元，用于对多个滤波信号同步进行随机脉冲噪声抑制；
[0049]
宽频带多分量阈值检测单元，用于对多个滤波信号分别进行宽频带多分量阈值检测计算，确定门槛阈值；
[0050]
同步触发录波单元，用于判断多个滤波信号是否高于对应的门槛阈值，若否则返回同步采样数据单元处理；若是则将随机脉冲噪声抑制后的滤波信号进行数据缓存，并将数据缓存的滤波信号转换格式，通过5g信号进行无线通信将转换格式的滤波信号上传至主站。
[0051]
一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述变电站宽频信号同步触发录波方法的步骤。
[0052]
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述变电站宽频信号同步触发录波方法的步骤。
[0053]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0054]
本发明的种变电站宽频信号同步触发录波方法，包括信号频率滤波分段、随机脉冲噪声抑制、门槛阈值自适应整定和录波与无线通信四部分。主要针对变电站的宽频信号进行录波，通过构造自适应跟踪门槛阈值作为启动判据，提取相对更加纯净的宽频信号，并通过提高阈值选取的自适应性，提高录波系统对于噪声和其他杂散信号的抗干扰能力，有效提高系统实现同步提取有效宽频信号的能力和录波可靠性。本发明提出的宽频信号同步触发录波方法在变电站信号超过设定的录波门槛阈值时，利用宽频测量方法，数据缓存记录系统和5g无线通信技术，将实时获取的纯净宽频信号波形数据快速上传至主站，为主站进行宽频信号波形查询、分析及诊断等提供辅助，有利于对变电站信号进行实时监测，辅助
工作人员进行信号诊断。本发明提出的变电站宽频信号同步触发录波方法针对变电站的宽频信号进行有效录波，并对缓冲区数据充分利用，同时构造快速且自适应的门槛阈值作为启动判据，提取符合阈值条件的宽频信号分量，同时给予一定的鲁棒性，有效减少干扰信号和噪声的同时最大限度提高录波可靠性。
[0055]
进一步，本发明提出的变电站宽频信号同步触发录波方法，在采样信号中存在超过整定阈值的分量时，便运用宽频测量技术，数据记录系统获取在宽频域内得到的低失真、高去噪和快速实时的宽频波形数据，并能将记录的宽频数据信号传输至主站进行存储和显示录波数据及相关内容，以备监察分析系统状态，有利于变电站的实时维护与故障诊断排除。
附图说明
[0056]
此处的附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。
[0057]
在附图中：
[0058]
图1为一种变电站宽频信号同步触发录波方法的录波流程概图；
[0059]
图2为录波流程细化图；
[0060]
图3为本发明一种变电站宽频信号同步触发录波系统示意图；
[0061]
图4为本发明提供一种电子设备示意图。
具体实施方式
[0062]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0063]
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本发明所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
[0064]
术语解释：
[0065]
门槛阈值：在进行录波操作时需要进行确定录波阈值确定，因为不进行阈值整定将会导致大量原波形中存在的噪声和干扰信号被记录，不仅会影响后续波形分析还会造成大量的内存浪费。
[0066]
自适应：自适应则是通过系统自身状态进行参数自我修正，可有效提高系统的鲁棒性和适用性。
[0067]
宽频：相较于窄频信号而言，宽频带覆盖更宽的频率范围，数据量更大，信号分量更多。
[0068]
现存录波方法中对于录波阈值的确定多采用固定阈值方法，采用固定阈值方案虽然在运行录波系统时会更加便捷高效，但缺乏对于噪声和干扰分量的鲁棒性。现有录波技术和方法中多针对低频或者中低频分量进行录波，而对变电站宽频域信号录波方法的研究较少，且同时无法做到有效提取纯净宽频分量。现有录波方法对于频率信号的接收往往不经过处理直接送入录波系统进行阈值判定，进而导致录波效率低下，且波形干扰严重，在于主站通信方面，现存方法多通过4g信号进行无线通信，无法实现最优速率实时数据传输需
求。
[0069]
传统录波方法中对于录波阈值的确定多采用固定阈值方法，采用固定阈值方案虽然在运行录波系统时会更加便捷高效，但同时还存在着巨大的问题。首先固定阈值方法对于系统中的噪声干扰不具备鲁棒性，只能通过设置高阈值来排除噪声影响，但高阈值又可能导致有用信号分量的丢失，所以固定阈值方法类录波方法愈发不可取。
[0070]
传统录波方法对于频率信号的接收往往不经过处理直接送入录波系统进行阈值判定，但对于宽频信号来说，此方法不可取，因为宽频信号频率范围宽，存在大量宽频域电能信号，如果进行直接处理则会导致大量频谱泄露和频谱干扰，同时降低录波和处理效率。同时，现存通信方法多无法实现高速率实时数据通信需求。
[0071]
为了实现对高电力电子化电力系统中存在的大量宽频振荡信号进行有效自适应监测，保证电力系统及变电站的稳定运行，本发明设计了一种变电站宽频信号同步触发录波方法，用以实现对变电站端电能信号进行实时测量监控，本发明包括信号频率滤波分段、随机脉冲噪声抑制、门槛阈值自适应整定和录波与无线通信四部分构成，进而实现为主站进行宽频信号波形查询、分析及诊断等提供辅助的目的。具体方案如下：
[0072]
本发明提供一种变电站宽频信号同步触发录波方法，包括以下步骤：
[0073]
同步采样数据，得到变电站宽频信号；
[0074]
对变电站宽频信号的信号频率进行滤波分段处理，得到不同信号频率的多个滤波信号；
[0075]
对多个滤波信号同步进行随机脉冲噪声抑制；
[0076]
对多个滤波信号分别进行宽频带多分量阈值检测计算，确定门槛阈值；
[0077]
判断多个滤波信号是否高于对应的门槛阈值，若否则返回同步采样数据步骤；若是则将随机脉冲噪声抑制后的滤波信号进行数据缓存，并将数据缓存的滤波信号转换格式，通过5g信号进行无线通信将转换格式的滤波信号上传至主站。
[0078]
提出一种宽频信号录波方法主要针对变电站的宽频信号进行录波，通过构造自适应跟踪门槛阈值作为启动判据，提取相对更加纯净的宽频信号，并通过滤波阈值自适应选取方法，提高录波系统对于噪声和其他杂散信号的抗干扰能力，有效提高系统实现同步提取有效宽频信号的能力和录波可靠性。提出的宽频信号同步触发录波方法可以在变电站信号超过设定的录波门槛阈值时，利用宽频测量方法，数据缓存记录系统和5g无线通信技术，将实时获取的纯净宽频信号波形数据快速上传至主站。
[0079]
为使本发明一种变电站宽频信号同步触发录波方法的技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。具体实施方式如本发明附图1、2所示，包括以下步骤：
[0080]
1)基于信号频率进行滤波分段：
[0081]
通过对宽频信号进行高通滤波、低通滤波及带通滤波处理，对同步信号频率信号进行分段处理，将采样信号分成了3个并行的流程。
[0082]
3个频段信号分别为：工频信号(45～55hz)、低频信号(0～45hz，55～100hz)、高频信号(100hz～)。
[0083]
2)随机脉冲噪声抑制：
[0084]
随机脉冲噪声抑制通过鲁棒局部回归平滑滤波方法(fwrlrs)来实现。首先使用局
部回归平滑(lrs)滤波方法实现对宽频采样信号进行快速滤波：
[0085]slrs
＝ξ
lrssl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0086]
其中ξ
lrs
为lrs滤波系数矩阵，s
l
为局部信号。设经过lrs滤波的信号为s
lrs
，滤波残余信号为r
lrs
，以r
lrs
为检测对象，快速获取随机脉冲噪声的位置信息，然后运用fwrlrs方法对相应位置的s
lrs
数据进行修复。
[0087]sipn
＝ξ
fwrlrsslrs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0088]
其中ξ
fwrlrs
是鲁棒局部回归平滑滤波系数矩阵，s
ipn
为不含脉冲噪声的局部信号。
[0089]
3)宽频带多分量阈值检测：
[0090]
具体包括以下步骤：
[0091]
第一步：采样信号加窗处理：
[0092]
为有效避免频谱的泄漏，本方法使用分段频率加窗方式。根据工程需求进行综合对比分析，本方法选择汉宁窗作为窗函数。其中对低频信号(0～45hz，55～100hz)和高频信号(100hz～)运用汉宁窗进行数据加窗处理。
[0093][0094]
其中，ω(n)为汉宁窗函数值，n为总采样点数；n为采样序号，0≤n≤n-1。
[0095]
第二步：对采样信号进行快速傅里叶变换(fft)。
[0096]
第三步：初始化门槛阈值鲁棒调节系数k
th
。
[0097]
第四步：将整个频谱假设为背景噪声s。
[0098]
第五步：计算噪声s的均值μ和标准差σ并更新门槛阈值。
[0099]vth
＝μ+k
th
σ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0100]
其中δs为用户自设定的滤波阈值量，可设定为基频信号值的1％～2％，得到门槛阈值v
th
，
[0101]
第六步：判断信号中是否有若有大于门槛阈值v
th
的元素，则消去该元素并更新s，返回第五步重新计算；若没有则确定当前的门槛阈值v
th
为门槛阈值。
[0102]
4)宽频信号同步触发录波流程：
[0103]
本方法录波功能支持接收站端在线宽频信号数据，在接收数据后通过信号滤波频率分段处理、随机脉冲噪声抑制处理、在线录波单元和主站建立通讯，约定录波单元与主站的通讯协议并分配录波所得数据在内存中的存储地址。
[0104]
在站端信号数据在设定录波门槛阈值范围内时，通过录波单元串口不断更新数据并缓存8个工频周波数据至flash建立缓存区，当同步采样信号识别出超过设定的门槛阈值的宽频信号时，在flash缓存区中取前8周波数据，再使用录波单元开始对采样信号进行录波，直至保存至设定上传容量，再经通信单元向主站报告上传录波数据，等待主站确认后将录波数据上传。
[0105]
作为优选地实施例，建立的数据缓冲区用于录波装置前端用来存储录波数据。宽频信号同步触发录波流程中，建立通讯的方式包括信号滤波分段处理、5g无线通信、主站。
[0106]
所述滤波分段处理包括对同步采样数据信号进行滤波、分段、检测以及降噪和谱分析。宽频信号同步触发在线录波单元设置为具有lora无线通信技术的在线同步录波模块。
[0107]
本发明提出的变电站宽频信号同步触发录波方法，在采样信号中存在超过整定阈值的分量时，便运用宽频测量技术，数据记录系统获取在宽频域内得到的低失真、高去噪和快速实时的宽频波形数据，并能将记录的宽频数据信号传输至主站进行存储和显示录波数据及相关内容，以备监察分析系统状态，有利于变电站的实时维护与故障诊断排除。
[0108]
如图3所示，本发明还提供一种变电站宽频信号同步触发录波系统，包括：
[0109]
采样数据同步单元，用于同步采样数据，得到变电站宽频信号；
[0110]
滤波分段处理单元，用于对变电站宽频信号的信号频率进行滤波分段处理，得到不同信号频率的多个滤波信号；
[0111]
随机脉冲噪声抑制单元，用于对多个滤波信号同步进行随机脉冲噪声抑制；
[0112]
宽频带多分量阈值检测单元，用于对多个滤波信号分别进行宽频带多分量阈值检测计算，确定门槛阈值；
[0113]
同步触发录波单元，用于判断多个滤波信号是否高于对应的门槛阈值，若否则返回同步采样数据单元；若是则将随机脉冲噪声抑制后的滤波信号进行数据缓存，并将数据缓存的滤波信号转换格式，通过5g信号进行无线通信将转换格式的滤波信号上传至主站。
[0114]
本发明录波功能支持接收站端在线宽频信号数据，在接收数据后通过信号滤波频率分段处理、随机脉冲噪声抑制处理、在线录波单元和主站建立通讯，约定录波单元与主站的通讯协议并分配录波所得数据在内存中的存储地址。
[0115]
其中，所述主站配备有具备看门狗技术和巡视监察功能。所述主站包含工控机和接口系统。所述接口系统用于主站通信、向主站发送定值/同步脉冲、检查主站当前工作状态与读取上传录波单元缓存的信号数据。
[0116]
为所述主站设置备用电源单元，所述备用电源单元功率至少为15kw且可延时4小时的不间断电源(ups)模块。为所述主站配备掉电记忆功能。
[0117]
综上所述：本发明提出的变电站宽频信号同步触发录波方法针对变电站的宽频信号进行有效录波，并对缓冲区数据充分利用，同时构造快速且自适应的门槛阈值作为启动判据，提取符合阈值条件的宽频信号分量，同时给予一定的鲁棒性，有效减少干扰信号和噪声的同时最大限度提高录波可靠性。
[0118]
如图4所示，本发明第三个目的是提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述变电站宽频信号同步触发录波方法的步骤。
[0119]
所述变电站宽频信号同步触发录波方法包括以下步骤：
[0120]
同步采样数据，得到变电站宽频信号；
[0121]
对变电站宽频信号的信号频率进行滤波分段处理，得到不同信号频率的多个滤波信号；
[0122]
对多个滤波信号同步进行随机脉冲噪声抑制；
[0123]
对多个滤波信号分别进行宽频带多分量阈值检测计算，确定门槛阈值；
[0124]
判断多个滤波信号是否高于对应的门槛阈值，若否则返回同步采样数据步骤；若是则将随机脉冲噪声抑制后的滤波信号进行数据缓存，并将数据缓存的滤波信号转换格式，通过5g信号进行无线通信将转换格式的滤波信号上传至主站。
[0125]
本发明第四个目的是提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存
储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述变电站宽频信号同步触发录波方法的步骤。
[0126]
所述变电站宽频信号同步触发录波方法包括以下步骤：
[0127]
同步采样数据，得到变电站宽频信号；
[0128]
对变电站宽频信号的信号频率进行滤波分段处理，得到不同信号频率的多个滤波信号；
[0129]
对多个滤波信号同步进行随机脉冲噪声抑制；
[0130]
对多个滤波信号分别进行宽频带多分量阈值检测计算，确定门槛阈值；
[0131]
判断多个滤波信号是否高于对应的门槛阈值，若否则返回同步采样数据步骤；若是则将随机脉冲噪声抑制后的滤波信号进行数据缓存，并将数据缓存的滤波信号转换格式，通过5g信号进行无线通信将转换格式的滤波信号上传至主站。
[0132]
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。
[0133]
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。
[0134]
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。
[0135]
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。
[0136]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。