一种工频脉冲电流信号检测方法和装置
1.本技术要求申请日为2021年6月21日，申请号为2021106829390，发明名称为“一种工频通信信号检测方法，装置及计算机设备”的在先申请的优先权，该在先申请的全部内容均已在本技术中体现。
技术领域
2.本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种工频脉冲电流信号检测方法和装置。
背景技术：3.电力线工频脉冲电流信号可以跨越用户变压器传输到中压侧，且在不同的馈线之间信号窜扰小，对于线路变压器对应关系(线-变关系)识别具有重要应用价值。但是在电网中存在着大量的突发干扰，导致有用的工频脉冲电流信号可能湮没在干扰信号中，故亟待提出一种工频脉冲电流信号检测方法以实现工频脉冲电流信号的检测，保证可靠的线变关系识别。
技术实现要素：4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中电网中存在着大量的突发干扰，导致有用的工频脉冲电流信号可能湮没在干扰信号中，本发明提供一种工频脉冲电流信号检测方法和装置。
5.根据第一方面，本发明公开了一种工频脉冲电流信号检测方法，应用于中低压配电网，包括如下步骤：获取待检测工频脉冲电流信号；对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱；确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置；将初始尺度谱重排到时频能量重心位置，得到目标尺度谱；根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测。
6.可选地，时频分析方法为基于小波变换的时频分析方法。
7.可选地，确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置，包括：对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的时频能量分布；根据时频能量分布确定时频能量重心位置。
8.可选地，目标尺度谱计算公式如下：
[0009][0010]
式中，表示目标尺度谱；sf(t,a)表示小波变换初始尺度谱；a表示小波变换的尺度因子；表示初始尺度谱中的任意一点的位置(t,a)重排转换到新的时间和小波变换尺度坐标下的位置；(t
′
,a
′
)表示时频能量重心位置；δ为冲激函数，只有当时，而时，只有当只有当而时，
[0011]
可选地，根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测，包括：获取预设检测阈值；将目标尺度谱中时频值大于预设检测阈值的信号确定为工频脉冲电流信号；将目标尺度谱中时频值小于预设检测阈值的信号确定为干扰信号。
[0012]
根据第二方面，本发明公开了一种工频脉冲电流信号检测装置，应用于中低压配电网，包括：获取模块，用于获取待检测工频脉冲电流信号；时频分析模块，用于对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱；确定模块，用于确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置；重排模块，用于将初始尺度谱重排到时频能量重心位置，得到目标尺度谱；检测模块，用于根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测。
[0013]
可选地，时频分析方法为基于小波变换的时频分析方法。
[0014]
可选地，目标尺度谱计算公式如下：
[0015][0016]
式中，表示目标尺度谱；sf(t,a)表示小波变换初始尺度谱；a表示小波变换的尺度因子；表示初始尺度谱中的任意一点的位置(t,a)重排转换到新的时间和小波变换尺度坐标下的位置；(t
′
,a
′
)表示时频能量重心位置；δ为冲激函数，只有当时，而时，只有当只有当而时，
[0017]
本发明技术方案，具有如下优点：
[0018]
本发明提供的工频脉冲电流信号检测方法及装置，通过获取待检测工频脉冲电流信号，对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱，确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置，将初始尺度谱重排到时频能量重心位置，得到目标尺度谱，根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测。本发明通过对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，将得到的初始尺度谱重排到重心位置，得到目标尺度谱，从而实现对工频脉冲电流信号的检测，保证有效线-变关系识别。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]
图1为本发明实施例中电网的一个具体示例图；
[0021]
图2为本发明实施例中工频脉冲电流信号检测方法的一个具体示例的流程图；
[0022]
图3为本发明实施例中重心位置和中心位置的一个具体示例图；
[0023]
图4(a)为本发明实施例中采集到的待检测工频脉冲电流信号的真实时频图；
[0024]
图4(b)为本发明实施例中待检测工频脉冲电流信号经过小波变换后的时频图；
[0025]
图4(c)为本发明实施例中待检测工频脉冲电流信号经过谱重排后的时频图；
[0026]
图5为本发明实施例中实际电流脉冲信号的时频分布的一个具体示例图；
[0027]
图6为本发明实施例中工频脉冲电流信号检测装置的一个具体示例的原理框图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0029]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0030]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0031]
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0032]
如图1所示，在低压电力用户的电表箱处安装低压工频脉冲电流信号发送模块(该低压工频脉冲电流信号发送模块也可集成到智能电表中)，在低压分支箱、配电变压器附近低压侧等位置安装低压工频脉冲电流信号接收模块(该低压工频脉冲电流信号接收模块可集成到低压分支箱监测单元、低压抄表集中器、智能配变终端ttu等)，在中压馈线安装中压工频脉冲电流信号接收模块(该中压工频脉冲电流信号接收模块也可集成到馈线终端单元ftu)。应用时，低压工频脉冲电流信号发送模块向低压工频脉冲电流信号接收模块或者中压工频脉冲电流信号接收模块发送数据。可用于远程抄表或者馈线-变压器-用户之间线路连接关系识别。为了提高中压工频脉冲电流信号接收模块和低压工频脉冲电流信号接收模块信号接收的可靠性，本发明实施例公开了一种工频脉冲电流信号检测方法，应用于中低压配电网，如图2所示，包括如下步骤：
[0033]
s11：获取待检测工频脉冲电流信号。
[0034]
示例性地，该待检测工频脉冲电流信号可以为中压工频脉冲电流信号，也可以为低压工频脉冲电流信号，该待检测工频脉冲电流信号中携带有电网的干扰信号。本发明实施例对该待检测工频脉冲电流信号不作具体限定，本领域技术人员可以根据实际情况确定。该待检测工频脉冲电流信号也可以直接从电网获取。
[0035]
s12：对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱。
[0036]
示例性地，在本发明实施例中，该时频分析方法为基于小波变换的时频分析方法。上述初始尺度谱是能量集中在小波变换分析窗的几何中心位置处形成的。
[0037]
具体地，对于任意待检测工频脉冲电流信号f(t)，其小波变换定义为：
[0038]
[0039][0040][0041]
其中，wf(a,b)表示待检测工频脉冲电流信号f(t)经小波变换后的系数；c
ψ
《∞为小波容许条件(该系数值在信号重构时会用到)；ψ(t)∈l2(r)(表示ψ(t)为平方可积函数)，表示选取的小波函数，其傅立叶变换为当满足允许条件式(3)时，称ψ(t)为母小波。将小波函数ψ(t)经伸缩和平移后得到一小波序列，式中a,b∈r，且a≠0，a表示伸缩的尺度因子，b表示平移因子。
[0042]
小波变换的重构公式即逆变换为：
[0043][0044]
根据小波变换逆变换可知，待检测工频脉冲电流信号f(t)的小波变换没有损失任何信息，变换是能量守恒的。因此有：
[0045][0046]
式中的|wf(a,b,ψ)|2/c
ψ
a2可理解为平面(a，b)上的能量密度函数，即|wf(a,b,ψ)|2δaδb/c
ψ
a2表示了以尺度因子a和平移因子b为中心、以δa为尺度间隔、以δb为时间间隔的能量强度，将小波变换的系数幅度平方定义为初始尺度谱：
[0047]
sf(a,b,ψ)＝|wf(a,b,ψ)|2ꢀꢀ
(6)
[0048]
随着尺度因子a的变化，小波变换的时宽和频宽将同时反向变化，即小波变换提供的局部化形式是可变的。对于待检测工频脉冲电流信号的高频成分，小波变换选取小的尺度a，自动调小时宽、调大频宽；对于待检测工频脉冲电流信号的低频成分，则选取大的尺度a，自动调大时宽、调小频宽。采用可调窗的小波变换可以得到不同的时频分辨率。
[0049]
s13：确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置。
[0050]
示例性地，确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置的具体方法为：首先，对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的时频能量分布，其次，根据时频能量分布确定时频能量重心位置。
[0051]
如图3所示，以一个线性调频信号为例进行分析，图3中的粗实线大致表示了其时频能量分布。图中的矩形框为小波分析窗，其高度和ai(a为小波变换尺度因子，下标i是指某一次变换或序号)成反比，宽度和ai成正比。而初始尺度谱sf(a,b,ψ)为矩形分析窗内，以(ω0/ai,ait*+bi)为几何中心的一个局域的能量密度的平均值。但图中很明显，在这个几何中心点并没有能量分布，这就会对时频分析的分辨率产生干扰。而频率越高，分析窗的高度越大则频域的集中性越差；当分析窗的宽度越大时，则时域的集中性越差。这也是尺度谱的
高频段(小尺度)的频域集中性比低频段的频域集中性差的原因。
[0052]
s14：将初始尺度谱重排到时频能量重心位置，得到目标尺度谱。
[0053]
示例性地，还以图3为例，如果尺度谱的平均值不分配给几何中心，而是重排到这个局域能量的重心位置，即将会得到更为准确的时频信息。
[0054]
将初始尺度谱重排到时频能量重心位置，得到目标尺度谱包括：
[0055]
把初始尺度谱中的每一点的位置重排转换到新的时间和小波变换尺度坐标下，得到每一点转换后的位置
[0056][0057][0058]
式中，wf(t,ξ)和分别为工频脉冲电流信号f(t)和小波函数ψ(t)的wigner-ville分布。
[0059]
得目标尺度谱为：
[0060][0061]
式中，表示目标尺度谱；(t
′
,a
′
)表示时频能量重心位置；sf(t,a)表示小波变换的初始尺度谱；a表示小波变换的尺度因子；δ为冲激函数，只有当时，而时，只有当而时，
[0062]
附图4展示了谱重排法的原理和过程，附图4(a)是一个信号的准确时频分布，对该信号进行采样并进行小波变换得到图4(b)，是一个模糊化的时频图，为了提高时频聚集性，重排小波变换算法通过对小波变换的时频能量，从分析窗的几何中心聚焦到分析窗内谱的重心位置，采用上面的公式(7)～公式(9)对图b进行谱重排得到图4(c)将频率明显的锁定在了实际信号所包含的频率成分处。
[0063]
s15：根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测。
[0064]
示例性地，根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测具体可以为：获取预设检测阈值；将目标尺度谱中时频值大于预设检测阈值的信号确定为工频脉冲电流信号；将目标尺度谱中时频值小于预设检测阈值的信号确定为干扰信号。
[0065]
本发明提供的工频脉冲电流信号检测方法，通过获取待检测工频脉冲电流信号，对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱，确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置，将初始尺度谱重排到时频能量重心位置，得到目标尺度谱，根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测。本发明通过对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，将得到的初始尺度谱重排到重心位置，得到目标尺度谱，从而实现对工频脉冲电流信号的检测，保证有效线变关系识别。
[0066]
在本发明实施例中，由于无脉冲信号时的时频值大约为60左右，而有脉冲信号时的时频值大约为90左右，因此，该预设检测阈值可以设定阈值为75，以此判别脉冲信号的有
无。本发明实施例对该预设检测阈值不作具体限定，本领域技术人员可以根据实际情况确定。
[0067]
本发明实施例中应用对比如下：
[0068]
在220v侧的调制信号峰值为25a左右的脉冲信号，其10kv支线的负载电流为170a左右。在该支线同相位电流互感器的二次侧引入信号，并经过50、150及250hz的模拟陷波滤波器后，对信号进行小波变换及尺度谱重排，最终结果如附图5所示。但由于背景信号电网的自身的低频成分过大，在实际应用中绝大多数的低频成分被淹没，只有300-400hz的频带中才有电流信号的体现，因此图中只保留了300-400hz左右的频率成分。
[0069]
附图5中显示两个信号分析区域，前一个存在电流信号的过零区域的颜色亮度比较明显的大于后一个没有信号区域，说明工频脉冲电流信号的能量在该频段得以体现，即以此识别电流脉冲信号的有无。
[0070]
本发明实施例为了验证谱重排法对检测准确性的影响，终端的调制电流峰值分别为30a和20a左右的两个类型，采用时域差分法、小波变换法以及谱重排法进行了测试对比，三种检测方法的准确率对比如下表1所示。
[0071]
表1
[0072]
检测方法时域差分法小波变换法谱重排法峰值30a90.7％93.2％97.5％峰值20a73.2％85.6％94.3％
[0073]
由表1可知，当脉冲信号峰值为30a时，三种方法都可以比较好的进行检测；当脉冲信号峰值下降到20a时，时域差分法和小波法受到的影响都非常大，尤其是白天时段支线负荷大，电流信号的检测受影响很大，而谱重排法从时频两域去检测，却能够很大程度上避开了时域上的干扰，达到了很好的检测结果。同时，对调制脉冲的幅值即能量要求也明显降低，从而有效的减小了脉冲信号对电网注入的污染。
[0074]
本发明实施例还公开了一种工频脉冲电流信号检测装置，应用于中低压配电网，如图6所示，包括：
[0075]
获取模块21，用于获取待检测工频脉冲电流信号；具体实现方式见上述实施例中步骤s11的相关描述，在此不再赘述。
[0076]
时频分析模块22，用于对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱；具体实现方式见上述实施例中步骤s12的相关描述，在此不再赘述。
[0077]
确定模块23，用于确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置；具体实现方式见上述实施例中步骤s13的相关描述，在此不再赘述。
[0078]
重排模块24，用于将初始尺度谱重排到时频能量重心位置，得到目标尺度谱；具体实现方式见上述实施例中步骤s14的相关描述，在此不再赘述。
[0079]
检测模块25，用于根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测。具体实现方式见上述实施例中步骤s15的相关描述，在此不再赘述。
[0080]
本发明提供的工频脉冲电流信号检测装置，通过获取待检测工频脉冲电流信号，对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱，确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置，将初始尺度谱重排到时频能量重心位
置，得到目标尺度谱，根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测。本发明通过对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，将得到的初始尺度谱重排到重心位置，得到目标尺度谱，从而实现对工频脉冲电流信号的检测。
[0081]
作为本发明实施例一个可选实施方式，上述时频分析方法为小波变换。具体实现方式见上述实施例中对应的步骤的相关描述，在此不再赘述。
[0082]
作为本发明实施例一个可选实施方式，上述重排模块23利用式(7)～式(9)所得到目标尺度谱，具体实现方式见上述实施例中对应的步骤的相关描述，在此不再赘述。
[0083]
作为本发明实施例一个可选实施方式，上述确定模块23包括：
[0084]
时频能量分布获得模块，用于对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的时频能量分布；具体实现方式见上述实施例中对应的步骤的相关描述，在此不再赘述。
[0085]
确定子模块，用于根据时频能量分布确定时频能量重心位置。具体实现方式见上述实施例中对应的步骤的相关描述，在此不再赘述。
[0086]
作为本发明实施例一个可选实施方式，上述检测模块25包括：
[0087]
预设检测阈值获取模块，用于获取预设检测阈值；具体实现方式见上述实施例中对应的步骤的相关描述，在此不再赘述。
[0088]
工频脉冲电流信号确定模块，用于将目标尺度谱中时频值大于预设检测阈值的信号确定为工频脉冲电流信号；具体实现方式见上述实施例中对应的步骤的相关描述，在此不再赘述。
[0089]
干扰信号确定模块，用于将目标尺度谱中时频值小于预设检测阈值的信号确定为干扰信号。具体实现方式见上述实施例中对应的步骤的相关描述，在此不再赘述。
[0090]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
技术特征：1.一种工频脉冲电流信号检测方法，应用于中低压配电网，其特征在于，包括如下步骤：获取待检测工频脉冲电流信号；对所述待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到所述待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱；确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置；将所述初始尺度谱重排到所述时频能量重心位置，得到目标尺度谱；根据所述目标尺度谱对所述待检测工频脉冲电流信号进行检测。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时频分析方法为基于小波变换的时频分析方法。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置，包括：对所述待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到所述待检测工频脉冲电流信号的时频能量分布；根据所述时频能量分布确定所述时频能量重心位置。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述目标尺度谱计算公式如下：式中，表示目标尺度谱；s
f
(t,a)表示小波变换初始尺度谱；a表示小波变换的尺度因子；表示初始尺度谱中的任意一点的位置(t,a)重排转换到新的时间和小波变换尺度坐标下的位置；(t
′
,a
′
)表示时频能量重心位置；δ为冲激函数，只有当时，而时，只有当而时，5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述目标尺度谱对所述待检测工频脉冲电流信号进行检测，包括：获取预设检测阈值；将所述目标尺度谱中时频值大于所述预设检测阈值的信号确定为工频脉冲电流信号；将所述目标尺度谱中时频值小于所述预设检测阈值的信号确定为干扰信号。6.一种工频脉冲电流信号检测装置，应用于中低压配电网，其特征在于，包括：获取模块，用于获取待检测工频脉冲电流信号；时频分析模块，用于对所述待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到所述待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱；确定模块，用于确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置；重排模块，用于将所述初始尺度谱重排到所述时频能量重心位置，得到目标尺度谱；检测模块，用于根据所述目标尺度谱对所述待检测工频脉冲电流信号进行检测。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述时频分析方法为基于小波变换的时频分析方法。8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述目标尺度谱计算公式如下：
式中，表示目标尺度谱；s
f
(t,a)表示小波变换初始尺度谱；a表示小波变换的尺度因子；表示初始尺度谱中的任意一点的位置(t,a)重排转换到新的时间和小波变换尺度坐标下的位置；(t
′
,a
′
)表示时频能量重心位置；δ为冲激函数，只有当时，而时，只有当只有当而时，9.一种脉冲电流信号检测设备，其特征在于，包括：至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行如权利要求1-5任一所述的工频脉冲电流信号检测方法的步骤。
技术总结本发明公开了一种工频脉冲电流信号检测方法和装置，应用于中低压配电网，其中，该方法包括：获取待检测工频脉冲电流信号；对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，得到待检测工频脉冲电流信号的初始尺度谱；确定时频分析使用的分析窗中的时频能量重心位置；将初始尺度谱重排到时频能量重心位置，得到目标尺度谱；根据目标尺度谱对待检测工频脉冲电流信号进行检测。本发明通过对待检测工频脉冲电流信号进行时频分析，将得到的初始尺度谱重排到重心位置，得到目标尺度谱，从而实现对工频脉冲电流信号的检测，保证有效线变关系识别。保证有效线变关系识别。保证有效线变关系识别。
技术研发人员：黄毕尧 李建岐 杨斌
受保护的技术使用者：国网江苏省电力有限公司南京供电分公司 国网江苏省电力有限公司 国家电网有限公司
技术研发日：2022.06.15
技术公布日：2022/11/1
