基于小波變換域的電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測方法

摘 要：常規(guī)的電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測方法主要使用壓縮感知（Compressed Sensing，CS）理論處理高聚合度干擾信號(hào)能量譜，易受偽峰值變化影響，導(dǎo)致檢測干擾信號(hào)電平與實(shí)際干擾信號(hào)電平不一致。因此，本文提出一種基于小波變換域的電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測方法。利用小波變換域構(gòu)建設(shè)備干擾信號(hào)時(shí)間擴(kuò)展模型，設(shè)計(jì)電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測算法，完成電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用本文設(shè)計(jì)的電力電子設(shè)備干擾信號(hào)小波變換域自動(dòng)檢測方法檢測的干擾信號(hào)電平與實(shí)際干擾信號(hào)電平擬合，檢測效果較好，應(yīng)用價(jià)值較高，為提高電力電子設(shè)備的運(yùn)行可靠性做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：小波變換域；電力電子設(shè)備；干擾信號(hào)；自動(dòng)檢測

中圖分類號(hào)：TN 972" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電力電子設(shè)備是一種特殊的電能轉(zhuǎn)換以及功率控制設(shè)備，其主要是由電力電子元件組成的。按照功能可以將其分為電能轉(zhuǎn)換、電能控制和電能調(diào)節(jié)3種類型。常見的電力電子設(shè)備包括變壓器、電阻器等[1]，在工業(yè)化、新能源等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。我國的電力電子設(shè)備正在向多功能與智能化的方向發(fā)展。在電力電子設(shè)備運(yùn)行過程中，存在來自外部環(huán)境與設(shè)備內(nèi)部的干擾信號(hào)[2]，其中，外部干擾信號(hào)可能來自無線電波、磁場耦合等，內(nèi)部干擾信號(hào)來自晶體管噪聲或設(shè)計(jì)缺陷等。無論是外部干擾信號(hào)還是內(nèi)部干擾信號(hào)都會(huì)影響電力電子設(shè)備的綜合運(yùn)行性能[3]，因此，需要對(duì)電力電子設(shè)備干擾信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)檢測。文獻(xiàn)[4]利用異常性檢測算法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行切片重組，減輕了檢測的依賴性，但是易受真實(shí)數(shù)據(jù)樣本影響導(dǎo)致異常性判斷失誤，文獻(xiàn)[5]根據(jù)子波變換檢查干擾信號(hào)，降低檢測風(fēng)險(xiǎn)，但是整體計(jì)算量較大，計(jì)算復(fù)雜度過高。為了滿足電力電子設(shè)備的運(yùn)行可靠性要求，本文基于小波變換域設(shè)計(jì)了一種有效的電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測方法。

1 電力電子設(shè)備干擾信號(hào)小波變換域自動(dòng)檢測方法設(shè)計(jì)

1.1 基于小波變換域構(gòu)建干擾信號(hào)檢測時(shí)間擴(kuò)展模型

小波變換域可以將信號(hào)分解為不同的尺度與頻率，提取信號(hào)局部時(shí)頻特征，保證干擾信號(hào)檢測指令。因此，本文基于小波變換域構(gòu)建了設(shè)備干擾信號(hào)檢測時(shí)間擴(kuò)展模型。電力電子設(shè)備干擾信號(hào)具有局域化特征，可以根據(jù)接收信號(hào)的理想傳播狀態(tài)進(jìn)行擴(kuò)展[6]，此時(shí)生成的連續(xù)小波函數(shù)f（a，b）如公式（1）所示。

（1）

式中：a、b分別為尺度參數(shù)與平移參數(shù)；f（t）為有限能量函數(shù)；g為母小波；t為檢測時(shí)域[7]。

對(duì)該函數(shù)進(jìn)行尺度分析平移處理，可以獲取可允許性自動(dòng)檢測條件，重構(gòu)的小波變換信號(hào)Cg如公式（2）所示。

（2）

式中：CG為傅里葉變換后的檢測函數(shù)；WG為重構(gòu)原信號(hào)；ga，b為小波變換條件。

假設(shè)待檢測的電力電子設(shè)備干擾信號(hào)滿足時(shí)頻、帶寬要求，那么可以對(duì)其進(jìn)行多途徑調(diào)整[8]，確定干擾信號(hào)的波形時(shí)間擴(kuò)展，接收的卷積時(shí)間信號(hào)r（t）如公式（3）所示。

r（t）=α∫h（l）s（t）+Cgv（t）dt " （3）

式中：α為檢測衰減因子；h（l）為檢測時(shí)延；s（t）為傳輸回波信號(hào)；v（t）為白噪聲。

如果檢測噪聲存在獨(dú)立關(guān)系，就證明LFM信號(hào)假設(shè)成立，可以進(jìn)行離散化處理[9]，利用副本相關(guān)積分器擴(kuò)展時(shí)間信道，構(gòu)建的干擾信號(hào)檢測時(shí)間擴(kuò)展模型ηglrt如公式（4）所示。

（4）

式中：N為小波域形式。

小波變換具有時(shí)頻觀測優(yōu)勢(shì)，因此能夠精確捕捉捕捉并解析信號(hào)中的細(xì)節(jié)變化和突變點(diǎn)。構(gòu)建小波變換域的時(shí)間擴(kuò)展模型，可以對(duì)干擾信號(hào)在時(shí)域方面進(jìn)行精確定位和擴(kuò)展分析。該方法主要包括對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行小波變換，提取變換后的特征信息，并基于這些信息構(gòu)建時(shí)間擴(kuò)展模型，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行檢測、識(shí)別與深入分析，為信號(hào)處理、噪聲抑制以及信號(hào)增強(qiáng)等領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

1.2 設(shè)計(jì)電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測算法

根據(jù)干擾信號(hào)特征設(shè)計(jì)有效的電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測算法，進(jìn)行自動(dòng)檢測量化處理。利用第1.1節(jié)構(gòu)建的時(shí)間擴(kuò)展模型，設(shè)計(jì)電力電子設(shè)備干擾信號(hào)的自動(dòng)檢測算法。該算法可以根據(jù)時(shí)間擴(kuò)展模型中的信息自動(dòng)判斷是否存在干擾信號(hào)，并對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行量化處理。利用PDC（相位差編碼）進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而得到更易于分析的干擾信號(hào)時(shí)域表達(dá)式。

在時(shí)間擴(kuò)展模型ηglrt中的目標(biāo)接收干擾信號(hào)S（T）如公式（5）所示。

S（T ）=p（t）exp[j?（t）] " " " "（5）

式中：p（t）為發(fā)射干擾信號(hào)載頻；j為脈沖寬度；?（t）為干擾信號(hào)相位。

對(duì)信號(hào)相位進(jìn)行量化處理，利用PDC進(jìn)行干擾信號(hào)接收轉(zhuǎn)換，得到的干擾信號(hào)時(shí)域表達(dá)式Y(jié)（ f ）如公式（6）所示。

（6）

式中：m為主譜線；δ為干擾機(jī)輸出頻率。

在相位量化后，原本的干擾信號(hào)頻譜轉(zhuǎn)換為主譜線，可以進(jìn)行正弦調(diào)制，進(jìn)行變頻基帶處理，檢測有效的干擾向量?；诖耍傻碾娏﹄娮釉O(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測算法流程如圖1所示。由圖1可知，當(dāng)算法自動(dòng)檢測電力電子設(shè)備干擾信號(hào)時(shí)，其核心是利用先驗(yàn)信息精準(zhǔn)地識(shí)別并處理干擾信號(hào)。采用該算法分析干擾信號(hào)的特征，確定其中心軸線信號(hào)錐，識(shí)別與干擾信號(hào)無關(guān)的標(biāo)量，明確干擾信號(hào)的實(shí)際狀態(tài)。該算法運(yùn)用廣義似然推導(dǎo)技術(shù)對(duì)檢測的干擾向量進(jìn)行分類。經(jīng)過計(jì)算，算法能夠判斷這些向量是已知的還是未知的。對(duì)未知的干擾向量來說，算法會(huì)進(jìn)一步估計(jì)其先驗(yàn)信息，這是一個(gè)迭代的過程，其作用是不斷提升對(duì)未知干擾向量的認(rèn)識(shí)。這個(gè)過程將持續(xù)進(jìn)行，直至滿足信號(hào)錐中心軸線的自動(dòng)化檢測要求，即算法能夠準(zhǔn)確、可靠地識(shí)別并處理所有的干擾信號(hào)。

在處理電力電子設(shè)備干擾信號(hào)的過程中，由于信號(hào)變化多樣且難以預(yù)測，傳統(tǒng)檢測方法難以獲得準(zhǔn)確的檢測概率，因此設(shè)計(jì)自動(dòng)檢測算法。利用蒙特卡羅法進(jìn)行相位量化分析，構(gòu)建高斯噪聲協(xié)方差矩陣，計(jì)算信號(hào)干擾功率與檢測噪聲的功率比來確定干擾信號(hào)的虛警概率檢測門限。該算法能夠適應(yīng)不同環(huán)境的干擾信號(hào)檢測需求，提高檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。信號(hào)干擾功率與檢測噪聲的功率比JNR如公式（7）所示。

（7）

式中：Aj為干擾信號(hào)幅度；σ為虛警概率。

為了確定干擾信號(hào)虛警概率的檢測門限，需要進(jìn)一步進(jìn)行能量檢測調(diào)整，選取抗混疊低通濾波器完成采樣處理，同步進(jìn)行三元假設(shè)檢驗(yàn)，直至輸出最佳檢測結(jié)果。使用本文設(shè)計(jì)算法可以有效提高檢測噪聲的擬合性，降低環(huán)境欺騙對(duì)干擾信號(hào)檢測造成的影響。

2 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法的檢測效果，本文設(shè)置了符合試驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將其與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[5]2種常規(guī)的電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測方法進(jìn)行對(duì)比并試驗(yàn)，具體過程如下所述。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

根據(jù)電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測試驗(yàn)要求，本文選取EMTP平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)DCS210模仿設(shè)備干擾信號(hào)，假設(shè)初始雷達(dá)發(fā)射脈寬T=20 μs，帶寬B-10 MHz，此時(shí)調(diào)頻斜率與接收機(jī)采樣頻率擬合，彌散干擾信號(hào)子脈沖為4個(gè)，調(diào)頻斜率為2×1012 Hz/s。試驗(yàn)預(yù)設(shè)的背景噪聲為白噪聲，信噪比為10 dB，干噪比為20 dB，設(shè)置的試驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

由圖2可知，在試驗(yàn)過程中，需要不斷輸入模擬干擾信號(hào)，利用接收機(jī)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測?？紤]干擾信號(hào)運(yùn)行周期，需要進(jìn)行Wigner-Vile分布調(diào)整，在T/2處到達(dá)頻率尖峰。此時(shí)試驗(yàn)中心內(nèi)存在若干個(gè)不同片段，包括干擾信號(hào)自主項(xiàng)、交叉項(xiàng)，需要分別進(jìn)行WVD提取，調(diào)整信號(hào)的耦合關(guān)系。

當(dāng)處于部分狀態(tài)時(shí)，受頻譜彌散作用影響可能出現(xiàn)試驗(yàn)信號(hào)參數(shù)異常問題，需要利用Hough變換技術(shù)進(jìn)行干擾信號(hào)處理，其流程如圖3所示。由圖3可知，信號(hào)處理完畢后原本的分布交叉項(xiàng)減少，干擾信號(hào)參數(shù)平滑性增強(qiáng)，頻率分辨率降低，時(shí)頻特征更突出。待上述試驗(yàn)信號(hào)處理完畢后，得到可靠的電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測結(jié)果。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

結(jié)合上述試驗(yàn)準(zhǔn)備，本文選擇不同型號(hào)的電力電子設(shè)備，調(diào)整了干擾信號(hào)輸入強(qiáng)度，分別使用本文設(shè)計(jì)方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn) [5]方法進(jìn)行檢測，將3種方法檢測的干擾信號(hào)電平與實(shí)際干擾信號(hào)電平進(jìn)行對(duì)比，得到的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

由表1可知，使用本文設(shè)計(jì)方法檢測各種電力電子設(shè)備（例如A-121、B-122、C-126、D-135、E-139和F-142）的干擾信號(hào)電平，干擾信號(hào)類型（例如電磁、射頻）和干擾強(qiáng)度不同，本文方法準(zhǔn)確性較高，檢測的干擾信號(hào)電平與實(shí)際干擾信號(hào)電平擬合；當(dāng)檢測A-121、B-122、C-126、D-135和F-142設(shè)備時(shí)，文獻(xiàn)[4]方法檢測干擾信號(hào)電平與實(shí)際干擾信號(hào)電平之間的差異較大；文獻(xiàn) [5]方法在某些設(shè)備（例如A-121、B-122）中的檢測誤差較小，但是在其他設(shè)備（例如C-126、D-135和E-139）中的誤差較大。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的信號(hào)自動(dòng)檢測方法的檢測效果較好，可靠性較強(qiáng)，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

綜上所述，在科學(xué)技術(shù)與電力信息化雙重發(fā)展背景下，電力電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，其能夠進(jìn)行電能控制、轉(zhuǎn)換以及調(diào)節(jié)，保證電網(wǎng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，電力電子設(shè)備容易受外界環(huán)境、內(nèi)部負(fù)載等影響，出現(xiàn)大規(guī)模干擾信號(hào)，不僅會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損傷，還可能出現(xiàn)電網(wǎng)故障，影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。因此，本文基于小波變換域設(shè)計(jì)了一種有效的電力電子設(shè)備干擾信號(hào)自動(dòng)檢測方法。對(duì)該方法的檢測效果進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，使用該方法檢測效果較好，擬合性較高，可靠性較強(qiáng)。該方法有一定應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)橥苿?dòng)電力智能信息化發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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