正弦采樣信號中單一脈沖干擾信號的快速剔除實踐方法

趙 杰 周智鵬 高玄飛 宋 莉

（上海紅檀智能科技有限公司，上海 201306）

0 引言

智能微型斷路器在日常及工業生產中獲得了廣泛的應用，使用過程中其電壓電流等電氣參量信息大多是按正弦信號變化，然而對其正弦信號進行測量時往往受到很多信號的干擾。為了對周期干擾信號及白噪聲干擾信號的濾除，文獻[1-3]進行了深入的研究；文獻[4]給出了利用傅里葉級數采樣時的單數采樣點數據計算有效值、偶數采樣點計算有效值、偶數奇數采樣點一起計算有效值，然后進行分析對比找出單一脈沖干擾信號，進而對單一脈沖干擾信號進行剔除的方法；文獻[5-7]則分別使用采樣值估算、奇異值分解和卡爾曼濾波三種方法進行干擾信號的快速檢測和定位，尤其是文獻[5]提出了快速識別正弦信號中擾動信號的方法，該方法基于兩個采樣點數據，然后對第三個采樣數據進行估值預算，并與實際采樣值進行比較，當超出給定的自適應閾值范圍時，就可快速找出擾動信號的起始點。

本文在文獻[5]的基礎上，對正弦采樣信號中單一信號的干擾進行了快速正向與反向推理識別及剔除替代實踐，實踐數據表明，該方法對單一脈沖干擾信號識別速度快，平擬效果好，能滿足智能微型斷路器數據快速采集計算的要求。

1 單一脈沖干擾信號的快速識別方法

設智能微型斷路器的電壓、電流按正弦規律變化，且采樣數據按等時間間隔采樣，設等間隔采樣數據序列為uki-1,uki,uki+1,uki+2,uki+3,uki+4,…，參考文獻[5]的干擾信號判定方法，對該方法進行擴展轉換，用文獻[5]方法測量沒有干擾信號且按正弦規律變化時數據信號，用前兩個采樣數據來推出第三個采樣值，即

式中，α=1- c os ( - ΔΦ)＞0 ， ΔΦ為等間隔采樣時間所對應的采樣間隔角度。

同理，如果信號沒有干擾，則用后面的兩個采樣數據對前面的一個采樣數據進行推理，其關系式也成立，即

顯然，當uki+1含有干擾信號時，式（1）和式（2）都不會成立。因此，轉換式（1）和式（2）為式（3）和式（4），形成絕對值大于自適應閾值的單一擾動信號判定式，即當滿足式（3）和式（4）時，uki+1采樣點為干擾信號采樣點，則有

2 單一脈沖干擾信號的快速剔除替代

按照式（3）和式（4）判定uki+1為單一脈沖信號干擾點采樣值時，則舍棄此采樣值，快速利用式（1）和式（2）的平均推理值替代其采樣值，即

當采樣點數超過每個周波 30個點時，α=1- c os(- ΔΦ)＞0 變得甚小，在快速計算時，式（5）可以近似表示為

3 干擾信號快速剔除實踐方案設計

3.1 流程設計

圖1 單一脈沖干擾信號剔除替代流程

基于單一脈沖干擾信號的快速判定與剔除替代設計單一脈沖干擾信號剔除替代流程如圖1所示。在程序開始運行后，會按照1.6kHz的采樣頻率進行交流電的數據采集和存儲，一個周波采集32個數據點，按照式（1）和式（2）可以推算出當前數據的理論值U1和U2，同采集的當前數據點實際值進行差值比較，若兩個差值同時滿足大于自適應閾值判定，則可確定此當前點為單一脈沖信號干擾點，按照式（5）將U1和U2進行均值處理，替換當前數據點實際值，最后當32個數據點皆判定結束，便開始重新進行數據采集。

3.2 程序算法設計

根據流程設計，編寫程序進行實踐。采集交流電信號作為實驗數據，判斷驗證是否可以快速判定且剔除替代單一干擾信號。程序設計如圖2所示。

圖2 單一脈沖干擾信號剔除替代程序

4 單一脈沖干擾信號的快速判定與剔除替代實踐數據

智能微型斷路器一端接市電，一端接負載，電流電壓采樣頻率為 1.6kHz，每周波采樣 32個點，采樣間隔角度為 11.25°，α=5.87×10-6且由于α非常小計算時可忽略不計。根據實際測量可得到單一干擾信號數據波形（系列1）、剔除替代干擾信號后數據波形（系列2）、同一時刻無干擾信號數據波形（系列3），同時根據干擾信號的大小可具體分為強單一干擾信號、一般單一干擾信號、弱單一干擾信號。具體電壓采樣數據見表 1，其中電壓采樣數據與實際值換算系數為0.960 1。

4.1 強單一干擾信號識別與剔除替代

采樣的強單一干擾信號電壓數據波形如圖3所示。從圖3中可以看出系列1有一處明顯的強單一干擾信號，將此波形利用方均根值算法可得出實際電壓值234.2V，系列3為同一時刻無干擾信號數據波形，計算后可得到實際電壓值為239.0V。由此可看出，由于單一脈沖干擾信號的擾動，導致最終計算值會發生小范圍內的波動，系列2為經過替代干擾信號后的數據波形，計算后可得到實際電壓值239.0V?？膳卸ù朔椒梢钥焖偬蕹鎿Q強單一脈沖干擾信號，使最終計算結果精度得到提高。

表1 采樣得到的單一脈沖干擾的電壓信號采樣數據表 單位: V

圖3 強單一干擾信號電壓數據波形

4.2 一般單一干擾信號識別與剔除替代

采樣的一般單一干擾信號電壓數據波形如圖 4所示。從圖4中可以看出系列1有一處一般單一干擾信號，將此波形利用方均根值算法可得出實際電壓值228.4V，系列3計算后實際電壓值為230.4V，系列2計算后實際電壓值230.4V?？膳卸ù朔椒梢钥焖偬蕹鎿Q一般單一脈沖干擾信號，提高精度。

圖4 一般單一干擾信號電壓數據波形

4.3 弱單一干擾信號識別與剔除替代

采樣的弱單一干擾信號電壓數據波形如圖5所示。從圖5中可以看出系列1有一處弱單一干擾信號，將此波形利用方均根值算法可得出實際電壓值223.5V，系列3計算后實際電壓值為222.7V，系列2計算后實際電壓值222.7V?？膳卸ù朔椒梢钥焖偬蕹鎿Q弱單一脈沖干擾信號，提高精度。

圖5 弱單一干擾信號電壓數據波形

5 結論

本文基于單一脈沖干擾信號的快速剔除方法，可快速推算出當前采樣點的理論值，若與實際值的偏差過大，不在線性自適應閾值內，可判定當前數據點為單一脈沖干擾信號，剔除實際值，由理論值替代。實驗結果表明了該方法的正確性與有效性；在智能微型斷路器電氣正弦量測量處理中采用的單一脈沖干擾信號識別剔除替代方法，快捷簡單實用，可滿足工程高速采集和計算保護需求。