本發(fā)明屬于智能電網(wǎng)中電能質量監(jiān)測技術領域，具體是涉及一種基于正弦曲線擬合和動態(tài)測度相結合的電能質量數(shù)據(jù)參數(shù)化壓縮方法。

背景技術：

隨著非線性電力電子負載在電網(wǎng)中的大范圍使用，使得電網(wǎng)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(jiān)測裝置需要有足夠的存儲空間來保存海量數(shù)據(jù)，增加了設備成本。此外，若這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸中出現(xiàn)阻塞現(xiàn)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(shù)據(jù)壓縮方面主要有非參數(shù)化壓縮和參數(shù)化壓縮兩大類。傳統(tǒng)的非參數(shù)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(shù)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(guī)則產生閾值，過濾掉較小的變換域系數(shù)，僅保留信號主要成分，接收側對變換域系數(shù)進行反變換得到原信號，從而達到壓縮的目的。參數(shù)化壓縮方法其主要思想是將信號中的周期成分用參數(shù)表示，小波變換對暫態(tài)成分進行壓縮，充分利用了小波變換對暫態(tài)信號稀疏表示特性。因此參數(shù)化壓縮方法在壓縮比與重構精度上均優(yōu)于非參數(shù)化壓縮方法。目前參數(shù)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(tài)擾動和穩(wěn)態(tài)擾動。(2)如何精確估計穩(wěn)態(tài)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(shù)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(wěn)態(tài)成分，這些方法在信號中存在各種擾動事件的情況下穩(wěn)態(tài)參數(shù)估計會失準，無法最大程度提升壓縮比。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明在克服目前參數(shù)化壓縮方法中出現(xiàn)的暫態(tài)擾動識別準確度不高，穩(wěn)態(tài)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(tài)測度相結合的電能質量數(shù)據(jù)參數(shù)化壓縮方法，該方法充分利用了小波變換處理暫態(tài)信號的稀疏表示特性。動態(tài)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(shù)。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(fā)明公開了一種電能質量信號參數(shù)化壓縮存儲方案，主要包括如下步驟：

步驟1，設置動態(tài)測度閾值、小波系數(shù)閾值、諧波階數(shù)、量化參數(shù)。

步驟2，初始化緩沖區(qū)，采集設定時間長度的電能質量信號數(shù)據(jù)。

步驟3，動態(tài)測度對當前信號進行檢測，檢測信號中是否存在暫態(tài)擾動和諧波擾動。

步驟4，用級聯(lián)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(shù)估計模塊的輸入頻率。

步驟5，根據(jù)動態(tài)測度檢測結果，基于三參數(shù)正弦曲線擬合法的基諧波參數(shù)估計模塊作不同的處理。若檢測到無擾動發(fā)生，則基諧波參數(shù)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(shù)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(shù)；若檢測有暫態(tài)擾動，用基諧波三參數(shù)重構信號中的穩(wěn)態(tài)成分，與原始信號相減得到暫態(tài)成分，將暫態(tài)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(wěn)態(tài)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(shù)和小波系數(shù)進行量化處理，再用霍夫曼編碼對小波系數(shù)無損壓縮。

步驟7，將基諧波各參數(shù)、量化編碼后的小波系數(shù)及其時間位置封裝成幀存儲。

進一步，在步驟4中，級聯(lián)自適應IIR陷波濾波器工作模式由動態(tài)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(fā)明采用一種高精度的電能質量信號諧波參數(shù)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(shù)正弦曲線擬合法(3PSF)擬合出各穩(wěn)態(tài)成分幅值、相位。該方法不僅可以獲得較高參數(shù)估計精度，而且計算量小，易于實現(xiàn)。

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：

(1)獲得當前緩沖區(qū)被分析信號的M個抽樣序列。

(2)級聯(lián)自適應IIR陷波濾波器估計出當前輸入信號基波頻率f₀。

(3)利用(2)中已經(jīng)獲得的基波頻率f₀，3PSF估計出基波的幅值和相位

(4)重構當前基波或諧波信號當前信號減去基波或諧波參數(shù)重構信號得到殘余信號，其中r₀(n)＝x(n)。

(5)用3PSF對殘余信號r_k(n)擬合得k次諧波幅值相位作為3PSF的輸入頻率。

(6)按步驟(4)估計新的殘余信號，并返回(5)直到所有諧波參數(shù)計算完畢。

另外，本發(fā)明還公開了一種電能質量信號數(shù)據(jù)解壓縮方法，包括如下步驟：

步驟1，讀取待解壓的數(shù)據(jù)塊。

步驟2，根據(jù)小波系數(shù)作小波反變換重構原始信號暫態(tài)成分，根據(jù)基諧波三參數(shù)重構原始信號穩(wěn)態(tài)成分。

步驟3，將重構的穩(wěn)態(tài)成分和暫態(tài)成分相加獲得重建的原始動態(tài)信號。

本發(fā)明提供的一種電能質量有損壓縮方法的有益效果在于：(1)首先采用級聯(lián)自適應IIR陷波濾波器估計信號的基波頻率，該方法能精確的估計頻率信息，能盡量避免了因一點點頻率偏差而帶來較大基波重構誤差和諧波參數(shù)估計誤差，其次多次使用三參數(shù)正弦曲線擬合基諧波各參數(shù)，能有效提高有暫態(tài)擾動情況下穩(wěn)態(tài)參數(shù)估計準確度，使得穩(wěn)態(tài)信號重構誤差降低，穩(wěn)態(tài)成分幾乎能被完全分離出來，致使殘余信號小波變換后稀疏度提高，從而提高了參數(shù)化壓縮算法的壓縮率。(2)對于已有參數(shù)化壓縮方法中將諧波信息作為幀中固定內容，占據(jù)一定的存儲空間，本發(fā)明靈活采用動態(tài)測度檢測是否存在諧波擾動，避免了在無諧波擾動情況存儲諧波各參數(shù)信息，從另一方面提高了整體壓縮率。(3)級聯(lián)自適應陷波濾波器使用雙模式工作，能保證在不同擾動事件下基波頻率檢測的準確性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明電能質量信號參數(shù)化壓縮方法的系統(tǒng)流程圖；

圖2為本發(fā)明電能質量信號參數(shù)化壓縮的幀格式定義；

圖3為本發(fā)明電能質量信號諧波參數(shù)估計方法流程圖。

圖4為電壓脈沖擾動信號的參數(shù)化壓縮MATLAB仿真效果圖；

圖5為采用本發(fā)明方法時電壓脈沖擾動信號的壓縮比與重構誤差百分比變化趨勢圖。

具體實施方式

本發(fā)明的一種電能質量信號的數(shù)據(jù)壓縮存儲方法，結合附圖，實施例詳細說明如下：

步驟一，設置動態(tài)測度閾值,設定該閾值用于濾掉信號峰/谷點對應的動態(tài)測度，利用保留的動態(tài)測度檢測信號的畸變點，從而識別信號是否存在暫態(tài)擾動，以及擾動類別。設置小波系數(shù)閾值比例系數(shù)u，該閾值用于對殘余信號的壓縮去噪，同時調節(jié)u可以權衡重構信號重構均方誤差百分比和壓縮比。設置量化參數(shù)，即預先定義基諧波幅值、頻率、相位及小波系數(shù)的量化步長和量化比特位數(shù)。最大諧波階數(shù)即存儲的諧波成分數(shù)。

步驟二，采樣固定時間段的電能質量信號，該信號可以是電壓信號也可以是電流信號。

步驟三，動態(tài)測度對信號進行分析檢測得到動態(tài)測度序列，再用步驟一中的動態(tài)測度閾值和背景噪聲標準差閾值對動態(tài)測度序列處理，過濾掉動態(tài)測度序列中的噪聲點和信號峰/谷點，并最終得到信號畸變點的動態(tài)測度序列。若序列中無大于0的值，則表明無擾動發(fā)生；若序列值呈周期性則表明存在周期性擾動；若序列中有大于0的值且不呈周期性，則表明有暫態(tài)擾動。

步驟四，級聯(lián)自適應IIR陷波濾波器估計采集信號的基波頻率。級聯(lián)濾波器的各級子濾波器用于濾除基波、三次諧波、五次諧波……，通過調諧各級子濾波器的共同的角頻率參數(shù)θ使得濾波器輸出達到最小，則表明θ已收斂到基波頻率處。

步驟五，根據(jù)步驟四動態(tài)測度檢測結果判定是否需要對信號中存在的暫態(tài)成分作額外壓縮處理。若檢測到無擾動發(fā)生，則基諧波參數(shù)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(shù)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(shù)；若檢測有暫態(tài)擾動，用估計的頻率、幅值、相位重構原信號中各頻率成分，與原始信號相減得到暫態(tài)成分，將暫態(tài)成分用提升小波變換變換得到小波系數(shù)，截斷較小的小波系數(shù)達到壓縮去噪目的。

步驟六，將穩(wěn)態(tài)成分的基諧波三參數(shù)作均勻量化處理，量化分層級數(shù)由步驟一決定。小波系數(shù)采用UTQ方法量化處理，每個小波系數(shù)轉化為對應的字符，再進行霍夫曼編碼。

步驟七，將量化后的穩(wěn)態(tài)參數(shù)與霍夫曼編碼后的小波系數(shù)封裝成幀。報文頭包含報文總長度及諧波成分數(shù)。頻率、幅值、相位存儲各頻率成分的頻率、幅值、相位信息。起始時刻為當前幀信號的起始時刻。小波系數(shù)域存儲編碼后的小波系數(shù)及其時間位置信息。

仿真實驗如圖4、圖5所示。圖4以脈沖暫態(tài)擾動事件為例,圖4(a)為原始信號，圖4(b)為穩(wěn)態(tài)重構信號，圖4(c)為殘余信號，圖4(d)為原始信號的動態(tài)測度，橫坐標Time/sec表示時間單位為秒，縱坐標Am/pu表示歸一化的電壓幅值。圖5為信號在不同小波系數(shù)閾值u下的重構均方誤差百分比與壓縮變化趨勢圖。橫坐標CR表示壓縮比，縱坐標PRD表示重構均方誤差百分比。