一种变电站内电磁干扰分离方法、介质及设备

技术领域

本发明涉及电磁信号处理领域，尤其涉及一种变电站内电磁干扰分离方法、介质及设备。

背景技术

在变电站中，电压互感器PT是接入二次设备和二次线缆的端口，通常也是受VFTO(very fast transient overvoltage，快速暂态过电压)电磁骚扰最严重的地方。研究在VFTO激励下PT二次侧的电磁骚扰是研究VFTO对二次设备影响的关键所在。变站内电磁干扰分离技术是指在电力变电站内，对信号与干扰进行分离的技术。在变电站内，存在大量的电力设备和通讯设备，它们会产生电磁干扰，干扰信号的质量和可靠性，影响设备的正常工作。因此，变站内电磁干扰分离技术的研究和应用具有非常重要的意义，研究电磁干扰分离技术，以提高系统的可靠性和稳定性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种变电站内电磁干扰分离方法、介质及设备。

本发明实施例提供了一种变电站内电磁干扰分离方法，包括：

获取安装在变电站内的测量系统所采集到的二次设备的二次侧的带干扰电压信号；其中，所述测量系统是通过分析变电站内母线的快速暂态过电压对二次设备传导电磁骚扰的机理，而进行设计得到的；

对所述带干扰电压信号进行短时傅里叶变换，得到时频域信号；

采用基于掩蔽函数的欠定盲源分离算法，从所述时频域信号中分离出干扰信号。

进一步的，所述采用基于掩蔽函数的欠定盲源分离算法，从所述时频域信号中分离出干扰信号，具体包括：

从所述时频域信号中检测出若干单源点；其中，所述若干单源点为所有在时频域上实部与虚部间的夹角小于预设的角度限定值的点；

基于所述若干单源点，从所述时频域信号中分离出干扰信号。

进一步的，所述基于所述若干单源点，从所述时频域信号中分离出干扰信号，具体包括：

基于所述若干单源点，对所述时频域信号采用预先配置的聚类算法进行聚类分析，以分离出干扰信号。

进一步的，在所述从所述时频域信号中检测出若干单源点之后，在所述基于所述若干单源点，从所述时频域信号中分离出干扰信号之前，还包括：

采用预先配置的改进归一化稀疏算法，对所述若干单源点分别进行归一化处理，以作为新的若干单源点。

进一步的，所述短时傅里叶变换的窗函数为汉宁窗。

进一步的，所述从所述时频域信号中检测出若干单源点，具体包括：

基于预设的观测点数量和干扰门限值，在时频支撑域中确定多个时频支撑点；其中，所述时频支撑域为所述时频域信号的范围；

计算每一所述时频支撑点的实部与虚部间的夹角；

将所有夹角小于所述角度限定值的时频支撑点作为单源点。

进一步的，所述干扰门限值通过如下步骤确定：

从所述多个时频支撑点中查找最大模值时频点和最小模值时频点；

基于所述最大模值时频点和所述最小模值时频点，计算初步阈值；

以所述初步阈值为边界，将所述多个时频支撑点划分为第一时频支撑点集合和第二时频支撑点集合；

计算所述第一时频支撑点集合的第一时频点平均模值，以及所述第二时频支撑点集合的第二时频点平均模值；

计算所述第一时频点平均模值和所述第二时频点平均模值的平均值；

判断所述平均值是否等于所述初步阈值；

若等于，则将所述平均值作为干扰门限值；

若不等于，则将所述平均值作为新的初步阈值后，返回对所述多个时频支撑点进行划分的步骤，重新计算平均值。

进一步的，所述测量系统包括衰减器、电压探头、示波器以及光纤通信模块；

所述电压探头的输入端用于采集所述带干扰电压信号，所述电压探头的输出端与所述衰减器的输入端连接，所述衰减器的输出端与所述示波器的输入端连接，所述示波器的输出端与所述光纤通信模块连接。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述的变电站内电磁干扰分离方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的变电站内电磁干扰分离方法的步骤。

综上，本发明具有以下有益效果：

通过获取安装在变电站内的测量系统所采集到的二次设备的二次侧的带干扰电压信号；其中，所述测量系统是通过分析变电站内母线的快速暂态过电压对二次设备传导电磁骚扰的机理，而进行设计得到的；对所述带干扰电压信号进行短时傅里叶变换，得到时频域信号；采用基于掩蔽函数的欠定盲源分离算法，从所述时频域信号中分离出干扰信号。采用本发明实施例，能够针对变电站内的电磁干扰有效地将不同的干扰信号分离出来。

附图说明

图1是本发明提供的一种变电站内电磁干扰分离方法的一个实施例的流程示意图；

图2是本发明提供的变电站内母线的快速暂态过电压对二次设备传导电磁骚扰的示意图；

图3是本发明提供的根据变电站内母线的快速暂态过电压对二次设备传导电磁骚扰的机理的分析，而构建的共模传导骚扰的等值计算电路的示意图；

图4是本发明提供的测量系统的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明中说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参见图1，是本发明提供的变电站内电磁干扰分离方法的一个实施例的流程示意图，该方法包括步骤S1至S3，具体如下：

S1,获取安装在变电站内的测量系统所采集到的二次设备的二次侧的带干扰电压信号；其中，所述测量系统是通过分析变电站内母线的快速暂态过电压对二次设备传导电磁骚扰的机理，而进行设计得到的；

S2,对所述带干扰电压信号进行短时傅里叶变换，得到时频域信号；

S3,采用基于掩蔽函数的欠定盲源分离算法，从所述时频域信号中分离出干扰信号。

作为上述方案的改进，所述采用基于掩蔽函数的欠定盲源分离算法，从所述时频域信号中分离出干扰信号，具体包括：

从所述时频域信号中检测出若干单源点；其中，所述若干单源点为所有在时频域上实部与虚部间的夹角小于预设的角度限定值的点；

基于所述若干单源点，从所述时频域信号中分离出干扰信号。

作为上述方案的改进，所述基于所述若干单源点，从所述时频域信号中分离出干扰信号，具体包括：

基于所述若干单源点，对所述时频域信号采用预先配置的聚类算法进行聚类分析，以分离出干扰信号。

示例性的，所述聚类算法包括K-DPC聚类算法，基于所述若干单源点，对所有数据点周围构造k个邻域，得到ρ

所述K-DPC聚类算法具体包括如下步骤：

1)初始化：定义两个时频观测点y

2)剔除离群点：聚类前剔除数据点中的离群点，首先定义领域平均距离ζ(y

式中，K(y

则认为该观测点为离群点，需要被舍去，剩余的观测点可以构成一个新的集合Y＝{y

3)首先定义两个概念：局部密度值ρ

对Y内所有的数据点的位置进行排序，排序的原则为ρ

利用最小二乘法的多项式拟合做出表达式：δ＝f(i)，通过求取f(i)的一阶导数为零的实数根，δ′＝f′(i)＝0，得到极大的实数根分别为i

4)混合估计矩阵获取：将每一类簇中得到的P个样本点进行排序，排序点顺序为

最后得到混合估计矩阵B：

B＝[C

作为上述方案的改进，在所述从所述时频域信号中检测出若干单源点之后，在所述基于所述若干单源点，从所述时频域信号中分离出干扰信号之前，还包括：

采用预先配置的改进归一化稀疏算法，对所述若干单源点分别进行归一化处理，以作为新的若干单源点。

作为上述方案的改进，所述短时傅里叶变换的窗函数为汉宁窗。

可以理解的是，在本实施例中，短时傅里叶变换(STFT)通过给信号加窗，减小频谱泄露，获得较好的时频分辨率的同时进行傅里叶变化。汉宁窗相比于常见的矩形窗、汉明窗和高斯窗等泄露减小、幅值识别率提高，对被测信号是随机或者未知的效果更佳。

窗函数可以随着时间轴的平移，得到任意t时刻的频谱，构成二维的时频域信号。STFT得到的时频域(t,f)信号可以由下式来表示。

X(t,f)＝AS(t,f)

其中，X(t,f)和S(t,f)分别为x(t)和s(t)在时频域(t,f)下的STFT的系数，a

作为上述方案的改进，所述从所述时频域信号中检测出若干单源点，具体包括：

基于预设的观测点数量和干扰门限值，在时频支撑域中确定多个时频支撑点；其中，所述时频支撑域为所述时频域信号的范围；

计算每一所述时频支撑点的实部与虚部间的夹角；

将所有夹角小于所述角度限定值的时频支撑点作为单源点。

需要说明的是，假设观测点数量为S，时频支撑域为Ω，对于

式中，||||

其中，ξ为干扰相关的门限值。

作为上述方案的改进，所述干扰门限值通过如下步骤确定：

从所述多个时频支撑点中查找最大模值时频点和最小模值时频点；

基于所述最大模值时频点和所述最小模值时频点，计算初步阈值；

以所述初步阈值为边界，将所述多个时频支撑点划分为第一时频支撑点集合和第二时频支撑点集合；

计算所述第一时频支撑点集合的第一时频点平均模值，以及所述第二时频支撑点集合的第二时频点平均模值；

计算所述第一时频点平均模值和所述第二时频点平均模值的平均值；

判断所述平均值是否等于所述初步阈值；

若等于，则将所述平均值作为干扰门限值；

若不等于，则将所述平均值作为新的初步阈值后，返回对所述多个时频支撑点进行划分的步骤，重新计算平均值。

示例性的，选取合适的门限值，可以有效的提高后续聚类算法的鲁棒性，门限值ξ的取值方法如下：

第一步：在Ω中寻找模值最大和最小的时频点，分别记为

第二步：设置初步阈值ξ

第三步：计算

第四步：计算ξ

对于任意一个时频支撑点X(t,f)均可分为实部和虚部，，分别用R

通过上式可知，当且仅当仅存在单源点时，实部和虚部在多维空间中的向量具有相同或者相反的方向，通过定义观测点X(t,f)实部和虚部两者夹角θ：

通过定义可知，仅存在单源点时，可得cosθ＝1，即θ＝0°，但因实际的混合干扰信号包含着多种随机干扰信号，两者之间的方向完全相同的很少，需要在计算前设定一角度限定值

作为上述方案的改进，所述测量系统包括衰减器、电压探头、示波器以及光纤通信模块；

所述电压探头的输入端用于采集所述带干扰电压信号，所述电压探头的输出端与所述衰减器的输入端连接，所述衰减器的输出端与所述示波器的输入端连接，所述示波器的输出端与所述光纤通信模块连接。

示例性的，参见图4，测量系统主要由衰减器、电压探头、示波器、锂电池、逆变器以及光纤通信模块组成。该测量系统的原理是通过衰减器将输入的骚扰电压衰减后再由示波器进行电压测量，测量的数据通过光纤传输至远处的屏蔽室，图4为测量系统的原理示意图。图4中锂电池和逆变器组成了示波器可靠稳定且无电磁干扰的供电电源。衰减器将输入的骚扰电压衰减了1000倍防止可能输入的高压对后端测量电路造成损坏。屏蔽箱的引入可以使得测量系统免受一次设备所引发的辐射骚扰，从而对PT二次侧骚扰进行更为准确的测量。测量的结果在屏蔽箱内进行光电转换通过光纤传输到位于屏蔽室中的计算机上。

需要说明的是，在设计得到所述测量系统之前，应分析变电站内母线的快速暂态过电压对二次设备传导电磁骚扰的机理，以构建共模传导骚扰的等值计算电路。

所述机理参见图2，则：

U

所述等值计算电路参见图3，则：

在其等值计算电路中C

式中，阻抗Z

其中，l为线缆的长度。

假设二次线缆中线路无损，传播常数为：

式中，L

ρ

式中，Z

结合传输线理论，VFTO影响下二次设备侧的共模骚扰电压可表示为：

VFTO的电压波形可以通过实测或者仿真得到，则根据Ua的公式和U

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述任一项所述的变电站内电磁干扰分离方法的步骤。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的变电站内电磁干扰分离方法的步骤。

该实施例的计算机设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如变电站内电磁干扰分离程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个变电站内电磁干扰分离方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤S1至S3。

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述计算机设备中的执行过程。

所述计算机设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述计算机设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，所述示意图仅仅是计算机设备的示例，并不构成对计算机设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述计算机设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述计算机设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机设备的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述计算机设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述计算机设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。

综上，本发明具有以下有益效果：

通过获取安装在变电站内的测量系统所采集到的二次设备的二次侧的带干扰电压信号；其中，所述测量系统是通过分析变电站内母线的快速暂态过电压对二次设备传导电磁骚扰的机理，而进行设计得到的；对所述带干扰电压信号进行短时傅里叶变换，得到时频域信号；采用基于掩蔽函数的欠定盲源分离算法，从所述时频域信号中分离出干扰信号。采用本发明实施例，能够针对变电站内的电磁干扰有效地将不同的干扰信号分离出来。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。