正弦采样信号中单一脉冲干扰信号的快速剔除实践方法

赵 杰 周智鹏 高玄飞 宋 莉

（上海红檀智能科技有限公司，上海 201306）

0 引言

智能微型断路器在日常及工业生产中获得了广泛的应用，使用过程中其电压电流等电气参量信息大多是按正弦信号变化，然而对其正弦信号进行测量时往往受到很多信号的干扰。为了对周期干扰信号及白噪声干扰信号的滤除，文献[1-3]进行了深入的研究；文献[4]给出了利用傅里叶级数采样时的单数采样点数据计算有效值、偶数采样点计算有效值、偶数奇数采样点一起计算有效值，然后进行分析对比找出单一脉冲干扰信号，进而对单一脉冲干扰信号进行剔除的方法；文献[5-7]则分别使用采样值估算、奇异值分解和卡尔曼滤波三种方法进行干扰信号的快速检测和定位，尤其是文献[5]提出了快速识别正弦信号中扰动信号的方法，该方法基于两个采样点数据，然后对第三个采样数据进行估值预算，并与实际采样值进行比较，当超出给定的自适应阈值范围时，就可快速找出扰动信号的起始点。

本文在文献[5]的基础上，对正弦采样信号中单一信号的干扰进行了快速正向与反向推理识别及剔除替代实践，实践数据表明，该方法对单一脉冲干扰信号识别速度快，平拟效果好，能满足智能微型断路器数据快速采集计算的要求。

1 单一脉冲干扰信号的快速识别方法

设智能微型断路器的电压、电流按正弦规律变化，且采样数据按等时间间隔采样，设等间隔采样数据序列为uki-1,uki,uki+1,uki+2,uki+3,uki+4,…，参考文献[5]的干扰信号判定方法，对该方法进行扩展转换，用文献[5]方法测量没有干扰信号且按正弦规律变化时数据信号，用前两个采样数据来推出第三个采样值，即

式中，α=1- c os ( - ΔΦ)＞0 ， ΔΦ为等间隔采样时间所对应的采样间隔角度。

同理，如果信号没有干扰，则用后面的两个采样数据对前面的一个采样数据进行推理，其关系式也成立，即

显然，当uki+1含有干扰信号时，式（1）和式（2）都不会成立。因此，转换式（1）和式（2）为式（3）和式（4），形成绝对值大于自适应阈值的单一扰动信号判定式，即当满足式（3）和式（4）时，uki+1采样点为干扰信号采样点，则有

2 单一脉冲干扰信号的快速剔除替代

按照式（3）和式（4）判定uki+1为单一脉冲信号干扰点采样值时，则舍弃此采样值，快速利用式（1）和式（2）的平均推理值替代其采样值，即

当采样点数超过每个周波 30个点时，α=1- c os(- ΔΦ)＞0 变得甚小，在快速计算时，式（5）可以近似表示为

3 干扰信号快速剔除实践方案设计

3.1 流程设计

图1 单一脉冲干扰信号剔除替代流程

基于单一脉冲干扰信号的快速判定与剔除替代设计单一脉冲干扰信号剔除替代流程如图1所示。在程序开始运行后，会按照1.6kHz的采样频率进行交流电的数据采集和存储，一个周波采集32个数据点，按照式（1）和式（2）可以推算出当前数据的理论值U1和U2，同采集的当前数据点实际值进行差值比较，若两个差值同时满足大于自适应阈值判定，则可确定此当前点为单一脉冲信号干扰点，按照式（5）将U1和U2进行均值处理，替换当前数据点实际值，最后当32个数据点皆判定结束，便开始重新进行数据采集。

3.2 程序算法设计

根据流程设计，编写程序进行实践。采集交流电信号作为实验数据，判断验证是否可以快速判定且剔除替代单一干扰信号。程序设计如图2所示。

图2 单一脉冲干扰信号剔除替代程序

4 单一脉冲干扰信号的快速判定与剔除替代实践数据

智能微型断路器一端接市电，一端接负载，电流电压采样频率为 1.6kHz，每周波采样 32个点，采样间隔角度为 11.25°，α=5.87×10-6且由于α非常小计算时可忽略不计。根据实际测量可得到单一干扰信号数据波形（系列1）、剔除替代干扰信号后数据波形（系列2）、同一时刻无干扰信号数据波形（系列3），同时根据干扰信号的大小可具体分为强单一干扰信号、一般单一干扰信号、弱单一干扰信号。具体电压采样数据见表 1，其中电压采样数据与实际值换算系数为0.960 1。

4.1 强单一干扰信号识别与剔除替代

采样的强单一干扰信号电压数据波形如图3所示。从图3中可以看出系列1有一处明显的强单一干扰信号，将此波形利用方均根值算法可得出实际电压值234.2V，系列3为同一时刻无干扰信号数据波形，计算后可得到实际电压值为239.0V。由此可看出，由于单一脉冲干扰信号的扰动，导致最终计算值会发生小范围内的波动，系列2为经过替代干扰信号后的数据波形，计算后可得到实际电压值239.0V。可判定此方法可以快速剔除替换强单一脉冲干扰信号，使最终计算结果精度得到提高。

表1 采样得到的单一脉冲干扰的电压信号采样数据表 单位: V

图3 强单一干扰信号电压数据波形

4.2 一般单一干扰信号识别与剔除替代

采样的一般单一干扰信号电压数据波形如图 4所示。从图4中可以看出系列1有一处一般单一干扰信号，将此波形利用方均根值算法可得出实际电压值228.4V，系列3计算后实际电压值为230.4V，系列2计算后实际电压值230.4V。可判定此方法可以快速剔除替换一般单一脉冲干扰信号，提高精度。

图4 一般单一干扰信号电压数据波形

4.3 弱单一干扰信号识别与剔除替代

采样的弱单一干扰信号电压数据波形如图5所示。从图5中可以看出系列1有一处弱单一干扰信号，将此波形利用方均根值算法可得出实际电压值223.5V，系列3计算后实际电压值为222.7V，系列2计算后实际电压值222.7V。可判定此方法可以快速剔除替换弱单一脉冲干扰信号，提高精度。

图5 弱单一干扰信号电压数据波形

5 结论

本文基于单一脉冲干扰信号的快速剔除方法，可快速推算出当前采样点的理论值，若与实际值的偏差过大，不在线性自适应阈值内，可判定当前数据点为单一脉冲干扰信号，剔除实际值，由理论值替代。实验结果表明了该方法的正确性与有效性；在智能微型断路器电气正弦量测量处理中采用的单一脉冲干扰信号识别剔除替代方法，快捷简单实用，可满足工程高速采集和计算保护需求。