[發明專利]基于特征排序向量內積的單通道多電器疊加電流信號分離方法

在審

• 申請號: 201710472338.0
• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN107290579A
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 高翠云;陳杰;徐荃;宋楊;楊軍
• 申請（專利權）人: 安徽建筑大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G06F17/14
• 代理公司: 北京輕創知識產權代理有限公司11212
• 代理人: 沈尚林

1.基于特征排序向量內積的單通道多電器疊加電流信號分離方法，

設家庭內部共有M個電器，每個電器包含N_k種工作狀態，N_k為正整數，不同電器N_k會存在差異，記為s_mi(t){m＝1，2，...，M i＝1，2，...，I}；如果所有電器都處于工作狀態，則觀測信號x(t)應為M個電器中的每個電器的某種狀態的組合，其與源信號之間的關系如下：

x(t)=As(t)+v(t)=Σm=1Mkmamsmi(t)+v(t),{i=1,2,...,I}---(1)]]>

式(1)中k_m表征電器m的開/關狀態，k_m＝{0，1}，由于家庭內部無中間傳感器，故權值系數a_m＝1；v(t)為噪聲信號；即可得到式(2)：

x(t)=Σm=1Mkmsmi(t)+v(t),{i=1,2,...,I}---(2)]]>

記各電器對應的工作狀態s_mi(t)的FFT變換為s_mi(k)，噪聲v(t)的FFT變換為V(k)，觀測信號x(t)的FFT變換為X(k)，下式中N為FFT點數；

smi(k)=Σn=0N-1smi(n)e-j2πNnk---(3)]]>

V(k)=Σn=0N-1v(n)e-j2πNnk---(4)]]>

X(k)=Σn=0N-1x(n)e-j2πNnk---(5)]]>

將式(2)-(4)代入式(5)可得：

X(k)=Σn=0N-1x(n)e-j2πNnk=Σn=0N-1(Σm=1Mkmsmi(n)+v(n))e-j2πNnk=Σn=0N-1(Σm=1Mkmsmi(n)e-j2πNnk)+v(n))e-j2πNnk=Σm=1M(Σn=0N-1kmsmi(n)e-j2πNnk)+v(n))e-j2πNnk=Σm=1Mkmsmi(k)+v(k)---(6)]]>

由式(6)可知：觀測信號x(t)的頻譜X(k)的主成分必然來自于某一個或幾個信號源；

本方法利用此線性疊加性質進行單通道盲源分離，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：對電器工作電壓電流進行采樣，采用跟蹤電壓基頻的方式采樣，即保證一個工頻周期為128或256點；如果非跟蹤采樣，則采樣率選擇大于10KHz以上頻率，并對采樣數據進行降采樣，將采樣頻率降至6.4KHz。初始化，并置i＝1，m＝1；輸入電壓信號u＝[u₀，u₁，...，u_N-1]及M種電器的疊加電流信號x＝[x₀，x₁，...，x_N-1]，此處N代表工頻周期的點數；波形的截取以電壓信號為參考基準，即以最靠近采樣起始時刻的第一個正向過零點作為0時刻，以下的盲源分離步驟是針對單周期進行的；

步驟2：對x進行N點FFT變換，將0～(N/2-1)次諧波含量組成向量F＝[c₀，c₁，...，c_N/2-1]；把諧波幅值排名前k₁所對應的向量元素置1，其余元素置0，得到特征排序向量F；k₁取值范圍為15～30；

步驟3：計算特征排序向量F與各標準狀態樣本s_j所對應的特征排序向量F_j的內積d_j＝<F，F_j>；

步驟4：判斷d_j最大值對應的狀態個數number1；若number1＝1且對應狀態ID號為j，則提取j對應的標準狀態波形為主分量，即p_i＝s_j；若number1＞1，則首先選擇各電器內積排名前k₂名所對應的標準狀態s_j作為待選主分量，k₂取值范圍為1～3；然后判斷狀態s_j的基波幅值A(s_j)是否滿足A(s_j)≥A(x)/(M_on-m+1)andA(s_j)≤A(x)，若滿足，保存標準狀態s_j，若不滿足，剔除壞點；最后判斷滿足上一步的標準狀態個數number2，若number2＝1，提取此狀態ID號對應的標準狀態波形為主分量，即p_i＝s_j；若number2＞1，則計算各狀態s_j所對應的諧波幅值排名k₁的諧波能量按max(E_j)所對應的標準狀態波形作為主分量p_i＝s_j；

步驟5：分別求取疊加電流信號x和主分量p_i的周波最大值所對應的時間點位置，記為t_x和若對主分量p_i所對應的標準狀態樣本s_j進行修正，將s_j的周波最大值對應的時間點修正到t_x處，從而獲得修正后的p_i，計算殘差e_m＝x-p_i，進入下一步；若直接計算殘差e_m＝x-p_i，進入下一步；

步驟6：判斷m是否滿足m≤M_on，其中M_on為開啟電器種類；若m＞M_on，進入下一步；若m≤M_on，i＝i+1，x＝e_m，m＝m+1，返回步驟(2)；

步驟7：判斷殘差e_m的平均功率若p(e_m)＜threshold，此時的殘差e_m等同于噪聲v；循環結束；反之，補償修正基波幅值判定條件，返回步驟(4)。