專利名稱：：基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及電流信號高精度分離及角差測量
技術領域：
，尤其涉及一種基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法。
背景技術：
：在高壓設備狀態(tài)維修體制中，絕緣在線監(jiān)測技術是最核心的技術支撐。它是結合傳感器技術、計算機技術、電子技術、信號處理以及網(wǎng)絡技術，在電力系統(tǒng)運行狀態(tài)下，對其中的電氣設備的絕緣狀況進行實時監(jiān)測，其基本要求是監(jiān)測過程不改變系統(tǒng)的運行方式，并保證測量精度等。國內(nèi)外開展的較多的在線監(jiān)測工作是容性設備的在線監(jiān)測，如氧化鋅避雷針。主要測量容性設備的介質(zhì)損耗tanJ、電容、電容電流等參數(shù)。其中要準確測量電力設備的絕緣介質(zhì)損耗tar^，需要高精度的電流傳感器。目前應用于各種電力設備絕緣在線監(jiān)測的電流傳感器，都是用高導磁材料作為磁芯繞制而成。在實驗室環(huán)境下進行測試，這類電流傳感器對電流信號角差的監(jiān)測能夠達到較高的精度，同時其穩(wěn)定性也能滿足測量的要求。但實際在線運行后，由于現(xiàn)場的強電磁干擾、環(huán)境溫度及濕度的大幅度變化、強沖擊電流等對磁性材料的作用，使得電流傳感器磁芯的性能發(fā)降低。另一方面，電流傳感器中的電子電路同樣會受電磁干擾、工作溫度及濕度、器件老化等影響，使得輸出信號的幅度變比，特別是角差特性發(fā)生較大變化。因此，要對電流傳感器的角差進行實時監(jiān)測，以保證絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)在實際運行中能夠獲得高精度、穩(wěn)定可靠的測量結果。一種在線監(jiān)測電流傳感器角差系統(tǒng)，是人為在傳感器的輸入端加入己知頻率和相位的單頻正弦測試電流，在輸出端得到的是正常工作時的輸出電流與測試電流的混合。采用軟件實現(xiàn)的方法將測試信號和電流傳感器的原始輸出電流分離，通過比較測試信號輸入與輸出前后相位變化來確定電流傳感器的相位差。這樣就可以通過計算機軟件的方法，采用信號處理技術，在電流傳感器監(jiān)測電力設備正常工作的電流的同時獲得它的相位差，從而實現(xiàn)在線測量。在這套系統(tǒng)中，高精度、易實現(xiàn)的信號分離算法對提高整個系統(tǒng)的測量精度起著至關重要的作用。對于從混合信號中分離出一個己知頻率的信號，最常見的方法是采用諧波分析，快速傅立葉變換實現(xiàn)。但是，在數(shù)據(jù)采集時，即使采樣頻率滿足了奈奎斯特采樣定律，但如果不是同步采樣都會帶來頻譜泄露和柵欄效應，使得計算出的信號參數(shù)即頻率、幅值和相位等不準確，尤其是相位誤差很大。插值算法能夠提高計算精度，但該算法對鄰近的諧波缺乏抗干擾能力，且計算較為復雜。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，以實現(xiàn)對電流傳感器角差的在線標定和校驗，并提高分離的精度及魯棒性。(二)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，包括如下具體步驟將正弦電流測試信號和正常工作電流共同輸入電流傳感器，并對電流傳感器輸出的混合信號進行采樣，得到混合采樣信號；將該混合采樣信號輸入信號分離模塊，信號分離模塊對該混合采樣信號進行去均值和白化操作，并運用核獨立分量分析從該混合采樣信號中提取測試信號；將原正弦電流測試信號與提取出的測試信號共同輸入角差比較模塊，角差比較模塊進行角差計算，并以計算結果來標定傳感器的角差。優(yōu)選地，所述正弦電流測試信號的頻率遠離系統(tǒng)正常工作電流的主頻，以減少兩組信號在頻域的混疊。優(yōu)選地，所述對電流傳感器輸出的混合信號進行采樣，采樣長度為W，所得結果計為4("),^1,2,…,1將其作為一組觀測向量；將^(")減去"/,。(")，(0<"<1)，得到另外一組觀測向量/g(")，兩組觀測向量組成初始觀測向量矩陣z;(")-,(")，即為得到的混合采樣信號,優(yōu)選地，所述信號分離模塊對該混合采樣信號進行去均值和白化操作，是對初始觀測向量矩陣進行去均值和白化操作，獲得進行核獨立分量分析的初始觀測向量矩陣；所述的去均值是指，計算每個行向量中各元素的平均值，該行向量為每個觀測向量的采樣值，然后每個元素減去該平均值，得到新的行向量；每行元素經(jīng)過同樣處理后，得到新的初始觀測向量矩陣；所述的白化處理是指，通過線性變換z、kz，使得z'的各個行向量互不相關，該過程可通過對z的協(xié)方差矩陣進行特征分解來實現(xiàn)，求得p^c^-^"其中c為由協(xié)方差矩陣^(xr)的特征向量組成的正交矩陣，"為和特征向量相對應的特征值的對角陣。優(yōu)選地，所述信號分離模塊運用核獨立分量分析技術從該混合采樣信號中提取測試信號，是信號分離模塊運用核獨立分量分析技術，將混合信號中的工作信號和測試信號分離。優(yōu)選地，所述運用核獨立分量分析技術，將混合信號中的工作信號和測試信號分離，即是求解分解矩陣『，使得輸出矩陣5=際各行向量之間相互獨立，從而將混合信號中的工作信號和測試信號分離，其計算步驟如下1)、令『為隨機生成的初始化分解矩陣，《"力為滿足Mercer條件的Guass徑向基核，其形式為exp(-||x-_y||2/c72)。令^=,'，得到各源分量的估計值[(")(")I，計算中心化Gmm矩陣^尺；2)、如下式所示，定義為式的最大特征值4，計算A<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>3)、以『為變量，求表達式M^-^。g;的最小值及取得最小值時『的值；4)、上面的計算步驟循環(huán)進行，直至滿足收斂性條件，從而得到分離矩陣『和原來的各獨立源信號的最優(yōu)估計值。優(yōu)選地，所述角差比較模塊進行角差計算，采用正弦信號過零點的計算方法，該方法具體如下因為當0較小時，sir^-e，所以在計算某個過零點時，首先找到正弦信號位于零點附近的幾個數(shù)據(jù)點，然后用一個線性函數(shù)擬合這幾個數(shù)據(jù)點，并將這個線性函數(shù)的過零點作為正弦信號的過零點。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果本發(fā)明提供的這種基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，用軟計算的方式實現(xiàn)了對電流傳感器角差的在線標定和校驗，算法具有分離精度高、魯棒性好等優(yōu)點。圖1是本發(fā)明采用的電流傳感器角差在線檢測系統(tǒng)的結構示意圖，本發(fā)明應用到其中的信號分離模塊和角差比較模塊；圖2是本發(fā)明提供的基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法流程圖3為依照本發(fā)明實施例對/g(")進行一次分離得到的結果示意圖。具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖1和圖2所示，圖1是本發(fā)明采用的電流傳感器角差在線檢測系統(tǒng)的結構示意圖，圖2是本發(fā)明提供的基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法流程圖。本發(fā)明提供的這種基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，包括如下具體步驟步驟201:將正弦電流測試信號和正常工作電流共同輸入電流傳感器，并對電流傳感器輸出的混合信號進行采樣，得到混合采樣信號；在本步驟中，所述正弦電流測試信號的頻率遠離系統(tǒng)正常工作電流的主頻，以減少兩組信號在頻域的混疊；所述對電流傳感器輸出的混合信號進行采樣，采樣長度為w，所得結果計為/g("),"^，2,…^，將其作為一組觀測向量；將"(")減去<("),(0<"<1)，，到另外一組觀測向量/g(")，兩組觀測向量組成初始觀測向量矩陣2=即為得到的混合采樣信號。步驟202:將該混合采樣信號輸入信號分離模塊，信號分離模塊對該混合采樣信號進行去均值和白化操作，并運用核獨立分量分析從該混合采樣信號中提取測試信號；在本步驟中，所述信號分離模塊對該混合采樣信號進行去均值和白化操作，是對初始觀測向量矩陣進行去均值和白化操作，獲得進行核獨立分量分析的初始觀測向量矩陣；所述的去均值是指，計算每個行向量中各元素的平均值，該行向量為每個觀測向量的采樣值，然后每個元素減去該平均值，得到新的行向量;每行元素經(jīng)過同樣處理后，得到新的初始觀測向量矩陣；所述的白化處理是指，通過線性變換Z、KZ，使得Z'的各個行向量互不相關，該過程可通過對Z的協(xié)方差矩陣進行特征分解來實現(xiàn)，求得K=，其中C為由協(xié)方差矩陣的特征向量組成的正交矩陣，D為和特征向量相對應的特征值的對角陣；所述信號分離模塊運用核獨立分量分析技術從該混合采樣信號中提取測試信號，是信號分離模塊運用核獨立分量分析技術，將混合信號中的工作信號和測試信號分離；所述運用核獨立分量分析技術，將混合信號中的工作信號和測試信號分離，即是求解分解矩陣『，使得輸出矩陣S=WZ各行向量之間相互獨立，從而將混合信號中的工作f(=1號和測試信號分離，其計算步驟如下1)、令『為隨機生成的初始化分解矩陣，《"，力為滿足Mercer條件的Guass徑向基核，其形式為exp(-llnllVa2)。令^=,，得到各源分量的估計值[(")(")了，計算中心化Gram矩陣《,^;2)、如下式所示，定義為式的最大特征值4，計算^:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>3)、以『為變量，求表達式M,-^。g、的最小值及取得最小值時『的值；4)、上面的計算步驟循環(huán)迸行，直至滿足收斂性條件，從而得到分離矩陣『和原來的各獨立源信號的最優(yōu)估計值。步驟203:將原正弦電流測試信號與提取出的測試信號共同輸入角差比較模塊，角差比較模塊進行角差計算，并以計算結果來標定傳感器的角差；在本步驟中，所述角差比較模塊進行角差計算，采用正弦信號過零點的計算方法，該方法具體如下因為當e較小時，si"*^所以在計算某個過零點時，首先找到正弦信號位于零點附近的幾個數(shù)據(jù)點，然后用一個線性函數(shù)擬合這幾個數(shù)據(jù)點，并將這個線性函數(shù)的過零點作為正弦信號的過零點。上述圖1和圖2所示的電流傳感器角差在線檢測系統(tǒng)及基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，具體涉及以下內(nèi)容1.設電流傳感器輸入的正弦電流測試信號"o的頻率為/。，相位為《，則輸入端是由系統(tǒng)正常工作的輸入電流4(,)和測試正弦函數(shù)信號/,(0的線性組合，經(jīng)過傳感器后分別變?yōu)閊(0和/,。W，在輸出端對混合信號"W進行采樣將得到信號序列；(")，如式(l)所示4("W加(")+4(")+"由(")"=1,2,..-,&(1)其中"o^(")表示系統(tǒng)噪聲。因為只需從該混合信號中精確分離出W)，所以可以把厶。(")和腦&(")合并作為一個信號源g(")，由于和4是由不同的物理設備產(chǎn)生的，獨立于4(0，因此它們可以看成是兩個相互獨立的分量。2.根據(jù)核獨立分量分析理論，至少需要兩個觀測混合向量才能分離出/,。(,)、g(")這兩個源分量。為了得到較多的觀測量以滿足核獨立分量分析的條件，將"(")減去<。("),(0<"<1)，得到另外一個觀測向量兩個觀測向量組成觀測矩陣Z」，如式(2)所示(")/,+g(")畫3.將/g(")、/分別進行白化處理，處理后得到向量z'(")、？(")；4.令『2X2為隨機生成的初始化分解矩陣，K"力為滿足Mercer條件的Guass徑向基核，其形式為exp(-llx-少『/c72)。令,=,'，得到各源分量的估計值[(")(")I，計算中心化Gmm矩陣《，《；5.如(3)式所示，定義為式的最大特征值，計算&:人尺，《6.以『為變量，求l=-*—、的最小值及取得最小值時『的值。7.上面的計算步驟在步驟4和步驟6之間循環(huán)進行，直至滿足收斂性條件，從而得到分離矩陣『和原來的各獨立源信號的最優(yōu)估計值/:。(")和/>)。8.測試信號輸出與輸入之間的角差，可以通過計算正弦測試信號的輸出乙(")和輸入/>)的多個過零點時差的均值得到。正弦信號過零點的計算方法如下因為當^較小時，sir^a^，所以在計算某個過零點時，首先找到正弦信號位于零點附近的幾個數(shù)據(jù)點，然后用一個線性函數(shù)擬合這幾個數(shù)據(jù)點，并將這個線性函數(shù)的過零點作為正弦信號的過零點。實施例1:用頻率為50Hz，信噪比為18.73dB的方波模擬未加測試信號時傳感器正常工作時的輸出電流乙(")，用頻率為203Hz(為了減少兩個信號在頻域的混疊)，初始相位為0的正弦信號作為測試信號的輸出O)，兩個信號按照信噪比18.73dB疊加得到混合信號、(")。兩個信號均以50us的采樣間隔進行采樣，最后得到數(shù)據(jù)量為10k的采樣點。使用本算法對々(")進行一次分離得到的結果如圖3所示。由圖3中兩組信號分離后的波形，我們可以看出，本算法可以將傳感器正常工作輸出的信號和單頻測試信號有效的分離。實施例2:取三組電流傳感器工作信號人(")，其信噪比分別為24.83dB、18.73dB、15.22dB，每組信號用本算法分離20次，計算分離前后測試信號的最大角差、最小角差和平均角差，以檢驗本算法在不同系統(tǒng)噪聲情況下的性能。結果如下表l所示(單位O.OOOlrad):<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表1以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。權利要求1、一種基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下具體步驟將正弦電流測試信號和正常工作電流共同輸入電流傳感器，并對電流傳感器輸出的混合信號進行采樣，得到混合采樣信號；將該混合采樣信號輸入信號分離模塊，信號分離模塊對該混合采樣信號進行去均值和白化操作，并運用核獨立分量分析從該混合采樣信號中提取測試信號；將原正弦電流測試信號與提取出的測試信號共同輸入角差比較模塊，角差比較模塊進行角差計算，并以計算結果來標定傳感器的角差。2、根據(jù)權利要求1所述的基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述正弦電流測試信號的頻率遠離系統(tǒng)正常工作電流的主頻，以減少兩組信號在頻域的混疊。3、根據(jù)權利要求1所述的基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述對電流傳感器輸出的混合信號進行采樣，采樣長度為W，所得結果計為"("),"^，2,…^，將其作為一組觀測向量；將々(")減去0),(0"<1)，得到另外一組觀測向量"")，，即為得到的混合采樣,測向量組成初始觀測向量矩陣Z=信號。，4、根據(jù)權利要求1所述的基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述信號分離模塊對該混合采樣信號進行去均值和白化操作，是對初始觀測向量矩陣進行去均值和白化操作，獲得進行核獨立分量分析的初始觀測向量矩陣；所述的去均值是指，計算每個行向量中各元素的平均值，該行向量為每個觀測向量的采樣值，然后每個元素減去該平均值，得到新的行向量；每行元素經(jīng)過同樣處理后，得到新的初始觀測向量矩陣；所述的白化處理是指，通過線性變換z、rz，使得Z'的各個行向量互不相關，該過程可通過對Z的協(xié)方差矩陣進行特征分解來實現(xiàn)，求得<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>其中c為由協(xié)方差矩陣E(xr)的特征向量組成的正交矩陣，"為和特征向量相對應的特征值的對角陣。5、根據(jù)權利要求1所述的基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述信號分離模塊運用核獨立分量分析技術從該混合采樣信號中提取測試信號，是信號分離模塊運用核獨立分量分析技術，將混合信號中的工作信號和測試信號分離。6、根據(jù)權利要求5所述的基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述運用核獨立分量分析技術，將混合信號中的工作信號和測試信號分離，即是求解分解矩陣『，使得輸出矩陣S:『Z各行向量之間相互獨立，從而將混合信號中的工作信號和測試信號分離，其計算步驟如下1)、令『為隨機生成的初始化分解矩陣，"x，力為滿足Mercer條件的Guass徑向基核，其形式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>令？=,'，得到各源分量的估計值[A")(")I，計算中心化Gram矩陣《，^;2)、如下式所示，定義為式的最大特征值^，計算&:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>3)、以『為變量，求表達式M^-^。g、的最小值及取得最小值時『的值；4)、上面的計算步驟循環(huán)進行，直至滿足收斂性條件，從而得到分離矩陣『和原來的各獨立源信號的最優(yōu)估計值。7、根據(jù)權利要求1所述的基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法，其特征在于，所述角差比較模塊進行角差計算，采用正弦信號過零點的計算方法，該方法具體如下因為當0較小時，sir^a^，所以在計算某個過零點時，首先找到正弦信號位于零點附近的幾個數(shù)據(jù)點，然后用一個線性函數(shù)擬合這幾個數(shù)據(jù)點，并將這個線性函數(shù)的過零點作為正弦信號的過零點。全文摘要本發(fā)明涉及電流信號高精度分離及角差測量
技術領域：
，公開了一種基于核獨立分量分析的電流傳感器角差在線監(jiān)測方法。該方法將正弦電流測試信號和正常工作電流共同輸入電流傳感器，并對電流傳感器輸出的混合信號進行采樣，得到混合采樣信號；將該混合采樣信號輸入信號分離模塊，信號分離模塊對該混合采樣信號進行去均值和白化操作，并運用核獨立分量分析從該混合采樣信號中提取測試信號；將原正弦電流測試信號與提取出的測試信號共同輸入角差比較模塊，角差比較模塊進行角差計算，并以計算結果來標定傳感器的角差。本發(fā)明提供的這種方法，用軟計算的方式實現(xiàn)了對電流傳感器角差的在線標定和校驗，算法具有分離精度高、魯棒性好等優(yōu)點。文檔編號G01R25/00GK101576611SQ20081010628公開日2009年11月11日申請日期2008年5月9日優(yōu)先權日2008年5月9日發(fā)明者驥金,馬曉燕,魯華祥申請人:中國科學院半導體研究所