李飛 劉林 耿寧 楊光 楊靜 于洋 李志剛

【摘? 要】變電站現場電磁環(huán)境復雜，高頻信號和干擾信號頻發(fā)，難以捕捉到單一的設備狀態(tài)信號。本文針對高速傳感器采樣得到的試驗數據，提出了基于形態(tài)學的干擾信號濾波算法，通過數學論證、試驗驗證證明所采集設備狀態(tài)信號的完整不失真性，實現了設備狀態(tài)信號的精準檢測。

【關鍵詞】高頻信號;干擾信號;形態(tài)學;濾波算法;

0引言

在電力系統中，對電壓和電流信號的檢測和測量式電力設備維護的基礎。在復雜的電磁環(huán)境下，站內干擾信號包括：電源的干擾、空間的輻射干擾、信號信道間的干擾、用戶設備引發(fā)的高次諧波的干擾等。

在國網山東省電力公司科技項目2018A-046的資助下，淄博供電公司研制了基于高速傳感器采集技術的狀態(tài)檢測裝置，為了消除站內高頻信號和隨機信號對裝置檢測效果的影響，本文提出了基于形態(tài)學的干擾濾波算法，從數學論證和試驗驗證兩個角度證明了所提濾波算法的有效性^[1]-[3]。

1 試驗信號成分及處理方法研究

1.1隨機噪聲干擾及處理方法

由于工作現場的多樣性和復雜性，干擾源的渠道也是多種多樣的，但概括起來主要有以下幾種：

（1）來自電源的干擾。在電網上帶有各種各樣的負荷，每一種負荷的運行都會使電網電壓波動，還會將其它干擾信號（如磁場等）饋入電網，從而影響電網上的其它系統;

（2）來自空間的輻射干擾。此干擾分為兩種：一種是電場輻射，另一種是磁場輻射。它們可通過靜電感應、電磁感應等方式在微機系統中形成干擾;

（3）信號信道間的干擾。在應用系統中，各種信號線是很多的，既有輸入信號線，也有輸出信號線，這些信號線不僅會受到外來干擾信號的干擾，而且相互之間也會通過線間耦合等產生干擾。實際上線間干擾既屬于電場干擾又屬于磁場干擾。干擾分為輻射干擾和傳導干擾。在設計抗干擾電路時，要針對不同性質的干擾源，采取合理的措施。對于輻射干擾，主要采用屏蔽技術。對于傳導干擾，可采用隔離、濾波以及合理布線等措施。采取的措施主要有以下幾種：

（1）屏蔽技術。屏蔽就是用導體制成的盒、殼、板、柵等來吸收輻射信號，以保護被屏蔽體免受干擾;

（2）接地技術?！暗亍笔侵鸽娐废到y的參考零電位點（或面），并不一定是大地。若選擇大地的表面作為接地點，必須選擇導電性良好的地標，且應與電路的零參考點具有相同的電位。接地的目的有兩個：一是為了減小干擾;二是為了人身安全;

（3）濾波技術。濾波就是采用合適的濾波器，濾除混在有效信號中的干擾信號，本文濾波主要是為了消除傳導干擾信號;

（4）隔離技術。隔離就是用隔離元器件將信號信道隔離，以防干擾竄入。在微機數控系統中，弱電部分和強電部分需隔離，以免強電電壓饋入計算器或低壓器件;

（5）其它。硬件抗干擾措施包括平衡技術、調制解調技術、采用積分電路、選通電路及采用抗干擾元器件等多種方法。采用哪種或哪些抗干擾措施，需根據實際情況決定。

1.2 高次諧波信號干擾及處理方法

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，各種新型檢測設備越來越多地問世和被使用，高次諧波的影響越來越嚴重。檢測設備受到諧波污染后，會影響檢測效果。因此，如何過濾檢測設備諧波的影響具有重要意義。

設f（wt）是一個周期T=2pi/w的函數，可以用傅里葉級數表示為

當n=1時，An表示基波分量，其余的代表諧波分量。因此，我們只要得到試驗信號的數學表達式，就可以通過傅里葉級數對其進行諧波分析。對數學表達式的處理，可以采用數值分析的方法，包括牛頓-柯特斯公式等。

有關諧波的主流算法還有：

（1）基于頻域分析的 FFT 方法。原理是將諧波分量分解再合成出總的諧波分量，其特點是速度慢，且對高次諧波檢測的效果不佳;

（2）用模擬帶通濾波器或陷波器檢測高次諧波電流。由于濾波器的中心頻率固定，當電網頻率波動時，濾波器效果將隨之變差。此外，濾波器的中心頻率對元件的參數十分敏感，這樣較難得到理想的幅頻特性和相頻特性;

（3）自適應諧波檢測方法。該算法基于自適應噪聲對消原理，經過自適應濾波處理，輸出電壓中的有功分量，將此分量從電壓中減去就得到高次諧波和無功分量。此算法不受元件參數變化和電壓波形畸變的影響。

2 基于形態(tài)學的高頻信號和隨機信號干擾濾波算法

數學形態(tài)學在醫(yī)學圖像處理領域應用比較廣泛，其中圖像識別方面可以用來做邊緣提取、圖像復原的工作。基于此方面的研究基礎，將數學形態(tài)學的方法應用到了信 號處理方向。在數字信號處理領域，數學形態(tài)學已逐漸引起人們的重視。數學形態(tài)學 可以很好的用在醫(yī)學圖像的邊緣提取上，將其應用于電力檢測設備信號提取上通過 進行濾波實驗，驗證是可行的。

數學形態(tài)學方法用于數字信號處理的基本思想是用一個被稱作結構元素的“探針”收集待處理信號的信息，探針在信號中不斷移動，便可考察信號各個部分之間的相互關系，從而提取信號全局或局部的有用特征。所有的形態(tài)學處理都是基于填放結構元素的概念。

數學形態(tài)學的基本運算包括膨脹、腐蝕以及由此引出的開、閉運算等。電力采樣信號為一維數據，故僅需要研究一維情況下的數學形態(tài)變換。

設待處理信號f（n）是采樣得到的一維多值信號，其定義域：

D[f]={0，1，2，3，...，N-1}

g（x）是一維結構元素序列，其定義域：

D[g]={0，1，2，3，...，M-1}? N≥M

其中M和N是整數。腐蝕和膨脹運算分別定義為

其中，oc為先開后閉的交替濾波算法;co為先閉后開交替濾波算法;hf為混合濾波算法，ah為交替混合濾波算法。

對于形態(tài)濾波器而言，其濾波效果不僅與所采用的形態(tài)學運算有關系，而且結構元素的形狀和大小選擇直接影響到檢測精度和動態(tài)響應速度，同時它對計算速度也會產生影響，結構元素形狀越復雜，長度越大，計算量也越大，反之，則越小。在一維形態(tài)學中，常采用的結構元素有直線、半圓、圓以及方形、規(guī)則的曲線等。由于開運算與閉運算都具有低通特性，開運算能夠使圖形邊緣光滑，抑制信號中的峰值噪聲;閉運算能夠彌補裂縫，濾除信號中的低谷噪聲。為了提高濾波的精度，在濾波的過程中采用不同的級聯方式，構成新的濾波器以達到濾波的目的。結構元素為直線時，為最簡單的填放形式，其運算速度也是最快的，但當其寬度過大時會出現較大的失真。采用曲線形式做為結構元素時，其濾波速度比結構元素采用直線時慢，但失真相對較小?？赏ㄟ^比較選擇一種方式做為結構元素。

本項目中設計使用數學形態(tài)學中的混合濾波器，主要對結構元素的形狀進行設計。從上述表達式中可以看到，如果要進行混合濾波，即求解方程

（10）

f為經過模數轉換后的原始數字信號，假定一個周期采集到的一維數字信號個數為N。

3.試驗驗證

通過分析處理有載開關，總結幾點建議以供參考：取兩個連續(xù)周期的 A、B、C 三相數據，利用處理效果滿足要求的混合濾波器進行濾波處理，由前述公式所規(guī)定的算法進行計算，選擇結構元素的形狀為余弦形式，客戶端程序對接收到的數據處理完成后兩個周期的三相數據進行濾波處理，得到濾波處理后的數據效果如圖所示。

參考文獻：

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