[發明專利]一種實時電能質量數據參數化壓縮方法

在審

• 申請號: 201710024967.7
• 申請日: 2017-01-13
• 公開（公告）號: CN106788449A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 王毅;劉恒;李松濃;候興哲;龍懇;孫洪亮;鄭可
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H03M7/30
• 分類號: H03M7/30;H03M7/40
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司11275
• 代理人: 廖曦

技術領域

本發明屬于智能電網中電能質量監測技術領域，具體是涉及一種基于正弦曲線擬合和動態測度相結合的電能質量數據參數化壓縮方法。

背景技術

隨著非線性電力電子負載在電網中的大范圍使用，使得電網中的污染較為嚴重，以及電力用戶對電能質量的要求越來越高，電能質量問題受到各方的廣泛關注。由于電能質量信號中可能會存在一些高頻分量，信號在頻域分布較廣，因此在對電能質量信號采集時需要很高的采樣率。這也導致了電能質量監測裝置需要有足夠的存儲空間來保存海量數據，增加了設備成本。此外，若這些數據需要同時上傳給電能質量分析中心，不僅會消耗過多通信帶寬，且可能會造成數據在網絡傳輸中出現阻塞現象，不能滿足實時性要求。為了解決這些問題，對電能質量信號進行高效、實時壓縮處理十分有必要。

目前在電能質量數據壓縮方面主要有非參數化壓縮和參數化壓縮兩大類。傳統的非參數壓縮方法主要有傅里葉變換、離散余弦變換、小波變換等。非參數化壓縮方法是將信號映射到變換域(頻域、小波域)，使得信號被稀疏表達，通過一定規則產生閾值，過濾掉較小的變換域系數，僅保留信號主要成分，接收側對變換域系數進行反變換得到原信號，從而達到壓縮的目的。參數化壓縮方法其主要思想是將信號中的周期成分用參數表示，小波變換對暫態成分進行壓縮，充分利用了小波變換對暫態信號稀疏表示特性。因此參數化壓縮方法在壓縮比與重構精度上均優于非參數化壓縮方法。目前參數化壓縮方法存在三個核心問題：(1)如何準確的檢測信號中的暫態擾動和穩態擾動。(2)如何精確估計穩態成分中基諧波幅值、頻率和相位。(3)壓縮方案應滿足電能質量分析在實際應用中實時性要求。一般電能質量參數化壓縮方法常采用卡爾曼濾波器、內插傅里葉變換提取信號中的穩態成分，這些方法在信號中存在各種擾動事件的情況下穩態參數估計會失準，無法最大程度提升壓縮比。

發明內容

本發明在克服目前參數化壓縮方法中出現的暫態擾動識別準確度不高，穩態成分提取不徹底，接收側重構精度低、壓縮比小等問題，提出了一種基于正弦曲線擬合和動態測度相結合的電能質量數據參數化壓縮方法，該方法充分利用了小波變換處理暫態信號的稀疏表示特性。動態測度先對信號進行簡單分析處理，識別信號是否含有擾動及所屬擾動類型，識別結果決定是否需要對殘余信號額外壓縮處理及正弦曲線擬合次數。在同一壓縮比情況下，本方法不僅可以提高信號重構精度，且滿足實際應用中實時性要求。

一方面，本發明公開了一種電能質量信號參數化壓縮存儲方案，主要包括如下步驟：

步驟1，設置動態測度閾值、小波系數閾值、諧波階數、量化參數。

步驟2，初始化緩沖區，采集設定時間長度的電能質量信號數據。

步驟3，動態測度對當前信號進行檢測，檢測信號中是否存在暫態擾動和諧波擾動。

步驟4，用級聯自適應IIR陷波濾波器估計當前信號基波頻率，該頻率作為諧波參數估計模塊的輸入頻率。

步驟5，根據動態測度檢測結果，基于三參數正弦曲線擬合法的基諧波參數估計模塊作不同的處理。若檢測到無擾動發生，則基諧波參數估計模塊僅擬合基波幅值、相位；若檢測有周期性擾動，則基諧波參數估計模塊估計基波和諧波幅值、相位，否則僅擬合基波各參數；若檢測有暫態擾動，用基諧波三參數重構信號中的穩態成分，與原始信號相減得到暫態成分，將暫態成分用提升小波變換壓縮處理。延時模塊用于同步輸入信號和穩態重構信號，使得兩者能夠無相位差相減。

步驟6，對基諧波三參數和小波系數進行量化處理，再用霍夫曼編碼對小波系數無損壓縮。

步驟7，將基諧波各參數、量化編碼后的小波系數及其時間位置封裝成幀存儲。

進一步，在步驟4中，級聯自適應IIR陷波濾波器工作模式由動態測度檢測結果決定。若檢測有諧波擾動，則采用多級自適應陷波濾波器；若檢測到無諧波擾動，則采用單級自適應陷波濾波器。

另一方面，本發明采用一種高精度的電能質量信號諧波參數估計方法，該方法將信號中的基諧波成分逐次分離，多次使用三參數正弦曲線擬合法(3PSF)擬合出各穩態成分幅值、相位。該方法不僅可以獲得較高參數估計精度，而且計算量小，易于實現。

考慮一個信號包含基波和K-1個諧波成分的信號x(n)，由下式表示

式中v(n)為高斯白噪聲，f_s為采樣頻率，A_k，f_k，φ_k分別為k次諧波(k＝1為基波)成分的幅值、頻率、相位，M為信號長度。提出的方法估計基諧波幅值、相位、頻率流程如下：