專利名稱：應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電流信號(hào)高精度分離及角差測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法。
背景技術(shù)：
電力設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。它是結(jié)合傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、信號(hào)處理以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)其中的電氣設(shè)備的絕緣狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其基本要求是監(jiān)測(cè)過(guò)程不改變系統(tǒng)的運(yùn)行方式，并保證測(cè)
量精度等。容性電力設(shè)備的介質(zhì)損耗(tan δ )是表征設(shè)備絕緣性能的一個(gè)重要參數(shù)，主要通過(guò)比較流經(jīng)設(shè)備的漏電流與加在設(shè)備兩端的高壓信號(hào)的相位差來(lái)獲得。其中，漏電流的獲取主要通過(guò)設(shè)備接地點(diǎn)處的電流傳感器測(cè)量獲得，要求電流傳感器具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。然而，目前應(yīng)用于各種電力設(shè)備絕緣在線監(jiān)測(cè)的電流傳感器，都是用高導(dǎo)磁材料作為磁芯繞制而成。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，這類電流傳感器對(duì)電流信號(hào)角差的監(jiān)測(cè)能夠達(dá)到較高的精度，同時(shí)其穩(wěn)定性也能滿足測(cè)量的要求。但實(shí)際在線運(yùn)行后，由于現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)電磁干擾、環(huán)境溫度及濕度的大幅度變化、強(qiáng)沖擊電流等對(duì)磁性材料的作用，使得電流傳感器磁芯的性能降低。另一方面，電流傳感器中的電子電路同樣會(huì)受電磁干擾、工作溫度及濕度、器件老化等影響，使得輸出信號(hào)的幅度變比，特別是角差特性發(fā)生較大變化。因此，要對(duì)電流傳感器的角差進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證絕緣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中能夠獲得高精度、穩(wěn)定可靠的測(cè)量結(jié)果。一種在線監(jiān)測(cè)電流傳感器角差系統(tǒng)，是人為在傳感器的輸入端加入已知頻率和相位的單頻正弦測(cè)試電流，在輸出端得到的是正常工作時(shí)的輸出電流與測(cè)試電流的混合。采用獨(dú)立分量分析(ICA)方法將測(cè)試信號(hào)和電流傳感器的原始輸出電流分離，通過(guò)比較測(cè)試信號(hào)輸入與輸出前后相位變化來(lái)確定電流傳感器的相位差。這樣就可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件的方法，在電流傳感器監(jiān)測(cè)電力設(shè)備正常工作的電流的同時(shí)獲得它的相位差，從而實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。采用ICA方法來(lái)分離混合信號(hào)存在的最主要的問(wèn)題就是估計(jì)出來(lái)的獨(dú)立源分量接近于其真實(shí)值的程度是未知的。這種情況是由多種原因造成的ICA方法要求各源分量是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，且其中至多有一個(gè)分量是高斯分布的。然而實(shí)際應(yīng)用中真實(shí)數(shù)據(jù)并不能嚴(yán)格符合ICA的模型。ICA方法使用的隨機(jī)產(chǎn)生的初始混合矩陣，在計(jì)算的過(guò)程中可能會(huì)收斂于不同的
局部最小值?；旌闲盘?hào)的抽樣點(diǎn)數(shù)是有限的，這也會(huì)引入統(tǒng)計(jì)誤差。因此，有必要對(duì)ICA分離的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究它的可靠性。對(duì)同一混合信號(hào)運(yùn)行多次ICA并且選取最優(yōu)的結(jié)果，這樣比單獨(dú)運(yùn)行一次的結(jié)果具有更高的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，以將其應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中電流信號(hào)分離模塊，并提高輸出結(jié)果的準(zhǔn)確度。本發(fā)明提供一種應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，包括如下步驟步驟1 將電流傳感器的輸出信號(hào)與兩個(gè)不同初始相位的測(cè)試信號(hào)一起組成3維觀測(cè)信號(hào)矩陣X (η)；步驟2 對(duì)觀測(cè)信號(hào)矩陣運(yùn)行多次FastICA算法，進(jìn)行信號(hào)分離以得到多次分離結(jié)果；步驟3 對(duì)每次分離得到的3個(gè)源分量進(jìn)行頻率計(jì)算，根據(jù)頻率的差異判斷電流傳感器的正常工作電流分量所在行為k ；步驟4 對(duì)每次分離結(jié)果計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)，公式為f = ((a2k- μ )2+ (a3k" μ)2+μ2)/3,其中aij為分離結(jié)果中混合矩陣A的第i行j列的元素，μ為和0的均值；步驟5 比較各次分離的評(píng)價(jià)函數(shù)值，選擇評(píng)價(jià)函數(shù)值最大的一次分離為該次測(cè)量的最優(yōu)分離結(jié)果；步驟6 根據(jù)最優(yōu)分離結(jié)果計(jì)算電流傳感器的角差。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果1、本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法及其擇優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，可以應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中電流信號(hào)分離模塊，提高輸出結(jié)果的準(zhǔn)確度。2、本發(fā)明提供的這種應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法及其擇優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)，提出的評(píng)價(jià)函數(shù)能有效地選取多次分離結(jié)果中測(cè)量誤差較小的分離作為最優(yōu)分離結(jié)果，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合附圖及實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明詳細(xì)說(shuō)明如后，其中圖1是本發(fā)明提供的一種應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法及其擇優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)流程圖。圖2是本發(fā)明采用的電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是評(píng)價(jià)函數(shù)與測(cè)量誤差的關(guān)系(1000次樣本，各運(yùn)行一次FastICA算法)。圖4是本發(fā)明選擇的最優(yōu)結(jié)果的評(píng)價(jià)函數(shù)與相位測(cè)量誤差散點(diǎn)圖(100次樣本，各運(yùn)行20次FastICA算法，并根據(jù)本發(fā)明評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行擇優(yōu)挑選)。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供一種應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，包括如下步驟步驟101 將電流傳感器的輸出信號(hào)與兩個(gè)不同初始相位的測(cè)試信號(hào)一起組成3 維觀測(cè)信號(hào)矩陣X(n)，該兩個(gè)不同初始相位的測(cè)試信號(hào)為單頻正弦信號(hào)，與電流傳感器輸入信號(hào)中的測(cè)試信號(hào)具有相同的頻率，組成觀測(cè)信號(hào)矩陣時(shí)，電流傳感器的輸出信號(hào)χ (η)， 該信號(hào)x(n)位于3維觀測(cè)信號(hào)矩陣X (η)的第一行，兩個(gè)測(cè)試信號(hào)位于3維觀測(cè)信號(hào)矩陣 X(η)的第二和第三行，所述不同初始相位的兩個(gè)測(cè)試信號(hào)的初始相位不同，幅度不同或相同；步驟102 對(duì)觀測(cè)信號(hào)矩陣運(yùn)行多次!^stICA算法，進(jìn)行信號(hào)分離以得到多次分離
結(jié)果；步驟103 對(duì)每次分離得到的3個(gè)源分量進(jìn)行頻率計(jì)算，根據(jù)頻率的差異來(lái)判斷電流傳感器的正常工作電流分量所在行為k ；所述將產(chǎn)生的3維觀測(cè)信號(hào)矩陣X(n)運(yùn)行 FastICA算法后得到一個(gè)3X3的混合矩陣A和一個(gè)3維源分量矩陣S(η)，該3維源分量矩陣S(n)由三個(gè)源分量組成，分別是電流傳感器的正常工作電流信號(hào)Ig(n)、正弦分量 sin (η)及余弦分量cosOi)，其中正弦分量Sin(Ii)與余弦分量cosfc)具有相同的頻率，且與測(cè)試信號(hào)的頻率相同，與正常工作電流信號(hào)Ig(η)的頻率不同，通過(guò)比較各源分量頻率的差異來(lái)判斷正常工作電流信號(hào)Ig (η)位于3維源分量矩陣S (η)的哪一行；步驟104 對(duì)每次分離結(jié)果計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)，公式為f = ((a2k- μ )2+ (a3k" μ)2+μ2)/3,其中為分離結(jié)果中混合矩陣A的第i行j列的元素，μ為 k、aa和0的均值；其中構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)，評(píng)價(jià)函數(shù)的表達(dá)式與步驟101中觀測(cè)信號(hào)的組成方式有關(guān)，若電流傳感器的輸出信號(hào)x(n)位于3維觀測(cè)信號(hào)矩陣X(n)的第1行，令m，η為集合 {1,2,3}中除1的另外兩個(gè)數(shù)，則評(píng)價(jià)函數(shù)修改為f = ((amk- μ )2+ ( - μ )2+ μ 2) /3其中，μ = (amk+ank) /3 ；步驟105 比較各次分離的評(píng)價(jià)函數(shù)值，選擇評(píng)價(jià)函數(shù)值最大的一次分離為該次測(cè)量的最優(yōu)分離結(jié)果，所述比較各次分離結(jié)果的評(píng)價(jià)函數(shù)值時(shí)，需要對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)值進(jìn)行篩選，即對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)值中過(guò)小或過(guò)大的分離情況應(yīng)予以剔除；步驟106 根據(jù)最優(yōu)分離結(jié)果計(jì)算電流傳感器的角差。首先根據(jù)FastICA算法得到的分離矩陣A對(duì)源分量進(jìn)行合成，得到電流傳感器輸出信號(hào)中的測(cè)試信號(hào)成分，然后比較該測(cè)試信號(hào)成分與電流傳感器輸入信號(hào)中的測(cè)試信號(hào)的相位差，最后對(duì)該相位差進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到電流傳感器的角差。如圖2所示為本發(fā)明適用的電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，該裝置在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先人為產(chǎn)生一個(gè)測(cè)試信號(hào)201與電流傳感器的正常工作電流202 —起作為電流傳感器203的輸入信號(hào)，其中測(cè)試信號(hào)為一單頻正弦信號(hào)，其頻率應(yīng)遠(yuǎn)離電流傳感器的正常工作電流的頻率。接著通過(guò)信號(hào)分離模塊204對(duì)電流傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行分離，以提取電流傳感器輸出信號(hào)中的測(cè)試信號(hào)成分。由于電流傳感器自身存在一定的角差， 測(cè)試信號(hào)在流經(jīng)電流傳感器后其相位發(fā)生改變。通過(guò)相位比較模塊205來(lái)求該測(cè)試信號(hào)的相位改變量，最后通過(guò)一定的變換即可求得電流傳感器的角差206。
圖1所示的電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法是為了實(shí)現(xiàn)圖2裝置中的信號(hào)分離模塊204的功能。實(shí)例 1為驗(yàn)證評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)測(cè)量誤差的指導(dǎo)作用，對(duì)1000個(gè)樣本(信噪比10.9dB)各運(yùn)行一次!^astICA分離算法。圖3所示為評(píng)價(jià)函數(shù)與測(cè)量誤差的關(guān)系散點(diǎn)圖，從整體上看，評(píng)價(jià)函數(shù)值越大，相位測(cè)量誤差的絕對(duì)值越小，分離越準(zhǔn)確。實(shí)例2為測(cè)試本發(fā)明評(píng)價(jià)函數(shù)的擇優(yōu)效果，對(duì)信噪比為10. 9dB的100個(gè)樣本各運(yùn)行20 次FastICA分離算法，按照上述流程選擇評(píng)價(jià)函數(shù)值最大的分離作為該樣本的分離輸出。 如圖4所示為最優(yōu)結(jié)果的評(píng)價(jià)函數(shù)與相位測(cè)量誤差散點(diǎn)圖。通過(guò)與圖3對(duì)比，可以看出采用本發(fā)明方法后，測(cè)量誤差-0.06。<Δρ<0.06。的百分比顯著提高，即使得圖2中信號(hào)分離模塊的準(zhǔn)確度顯著提高了。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，包括如下步驟步驟1 將電流傳感器的輸出信號(hào)與兩個(gè)不同初始相位的測(cè)試信號(hào)一起組成3維觀測(cè)信號(hào)矩陣X(n)；步驟2 對(duì)觀測(cè)信號(hào)矩陣運(yùn)行多次!^astICA算法，進(jìn)行信號(hào)分離以得到多次分離結(jié)果； 步驟3 對(duì)每次分離得到的3個(gè)源分量進(jìn)行頻率計(jì)算，根據(jù)頻率的差異判斷電流傳感器的正常工作電流分量所在行為k ；步驟4 對(duì)每次分離結(jié)果計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)，公式為 f = ((a2k- μ )2+ (a3k" μ )2+ μ 2) /3，其中為分離結(jié)果中混合矩陣A的第i行j列的元素，μ為 k、a3k和0的均值； 步驟5 比較各次分離的評(píng)價(jià)函數(shù)值，選擇評(píng)價(jià)函數(shù)值最大的一次分離為該次測(cè)量的最優(yōu)分離結(jié)果；步驟6 根據(jù)最優(yōu)分離結(jié)果計(jì)算電流傳感器的角差。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，其中步驟1中的兩個(gè)不同初始相位的測(cè)試信號(hào)的頻率與電流傳感器輸入信號(hào)中的測(cè)試信號(hào)具有相同的頻率，組成觀測(cè)信號(hào)矩陣時(shí)，電流傳感器的輸出信號(hào)χ (η)位于3維觀測(cè)信號(hào)矩陣 X(η)的第一行，兩個(gè)測(cè)試信號(hào)位于3維觀測(cè)信號(hào)矩陣X(η)的第二和第三行。
3.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，其中不同初始相位的兩個(gè)測(cè)試信號(hào)的初始相位不同，幅度不同或相同。
4.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，其中將產(chǎn)生的3維觀測(cè)信號(hào)矩陣X (η)運(yùn)行FastICA算法后得到一個(gè)3維源分量矩陣S (η)，該3維源分量矩陣S(n)由三個(gè)源分量組成，分別是電流傳感器的正常工作電流信號(hào)Ig(η)、正弦分量Sin(Ii)及余弦分量c0S(n)，其中正弦分量Sin(Ii)與余弦分量cosfc)具有相同的頻率，且與測(cè)試信號(hào)的頻率相同，與正常工作電流信號(hào)Ig(H)的頻率不同，通過(guò)比較各源分量頻率的差異來(lái)判斷正常工作電流信號(hào)Ig(η)位于3維源分量矩陣S(n)的哪一行。
5.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，其中構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)，評(píng)價(jià)函數(shù)的表達(dá)式與步驟1中觀測(cè)信號(hào)的組成方式有關(guān)，若電流傳感器的輸出信號(hào)x(n)位于3維觀測(cè)信號(hào)矩陣X(η)的第1行，令m，η為集合{1，2，3}中除1的另外兩個(gè)數(shù)，則評(píng)價(jià)函數(shù)修改為f = ((amk-y)2+(ank-y)2+y2)/3 其中，μ = (amk+ank) /3 °
6.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，其中比較各次分離結(jié)果的評(píng)價(jià)函數(shù)值時(shí)，需要對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)值進(jìn)行篩選，即對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)值中過(guò)小或過(guò)大的分離情況應(yīng)予以剔除。
7.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，其中根據(jù)最優(yōu)分離結(jié)果計(jì)算電流傳感器的角差，首先根據(jù)FastICA算法得到的分離矩陣A對(duì)源分量進(jìn)行合成，得到電流傳感器輸出信號(hào)中的測(cè)試信號(hào)成分，然后比較該測(cè)試信號(hào)成分與電流傳感器輸入信號(hào)中的測(cè)試信號(hào)的相位差，最后對(duì)該相位差進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到電流傳感器的角差。
全文摘要
一種應(yīng)用于電流傳感器角差在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)分離方法，包括如下步驟步驟1將電流傳感器的輸出信號(hào)與兩個(gè)不同初始相位的測(cè)試信號(hào)一起組成3維觀測(cè)信號(hào)矩陣X(n)；步驟2對(duì)觀測(cè)信號(hào)矩陣運(yùn)行多次FastICA算法，進(jìn)行信號(hào)分離以得到多次分離結(jié)果；步驟3對(duì)每次分離得到的3個(gè)源分量進(jìn)行頻率計(jì)算，根據(jù)頻率的差異判斷電流傳感器的正常工作電流分量所在行為k；步驟4對(duì)每次分離結(jié)果計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)，公式為f＝((a2k-μ)2+(a3k-μ)2+μ2)/3，其中aij為分離結(jié)果中混合矩陣A的第i行j列的元素，μ為a2k、a3k和0的均值；步驟5比較各次分離的評(píng)價(jià)函數(shù)值，選擇評(píng)價(jià)函數(shù)值最大的一次分離為該次測(cè)量的最優(yōu)分離結(jié)果；步驟6根據(jù)最優(yōu)分離結(jié)果計(jì)算電流傳感器的角差。
文檔編號(hào)G01R35/02GK102540130SQ20121000583
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者邊昳, 金敏, 陳天翔, 魯華祥, 龔國(guó)良 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所