[发明专利]基于特征排序向量内积的单通道多电器叠加电流信号分离方法

摘要

本发明公开了一种基于特征排序向量内积的单通道多电器叠加电流信号分离方法。该方法为解决多电器叠加电流信号的单通道盲源分离问题，基于电器的多元隐含状态模型提出采用特征排序向量内积的主成分筛选法进行半盲分离。对单通道观测信号进行FFT变换，按谐波次数为向量分量序号，将频谱含量为前K名所对应的分量置1，其余置0，从而得到观测信号的特征排序向量。计算其与标准状态特征库中各特征排序向量的内积，按内积最大原则进行逐层提取源信号。实验结果表明，该方法可以实现对多电器工作状态的快速、准确分离，可广泛应用于远程故障判断等领域。

主权项

基于特征排序向量内积的单通道多电器叠加电流信号分离方法，设家庭内部共有M个电器，每个电器包含Nk种工作状态，Nk为正整数，不同电器Nk会存在差异，记为smi(t){m＝1，2，...，M i＝1，2，...，I}；如果所有电器都处于工作状态，则观测信号x(t)应为M个电器中的每个电器的某种状态的组合，其与源信号之间的关系如下：x(t)=As(t)+v(t)=Σm=1Mkmamsmi(t)+v(t),{i=1,2,...,I}---(1)]]>式(1)中km表征电器m的开/关状态，km＝{0，1}，由于家庭内部无中间传感器，故权值系数am＝1；v(t)为噪声信号；即可得到式(2)：x(t)=Σm=1Mkmsmi(t)+v(t),{i=1,2,...,I}---(2)]]>记各电器对应的工作状态smi(t)的FFT变换为smi(k)，噪声v(t)的FFT变换为V(k)，观测信号x(t)的FFT变换为X(k)，下式中N为FFT点数；smi(k)=Σn=0N-1smi(n)e-j2πNnk---(3)]]>V(k)=Σn=0N-1v(n)e-j2πNnk---(4)]]>X(k)=Σn=0N-1x(n)e-j2πNnk---(5)]]>将式(2)‑(4)代入式(5)可得：X(k)=Σn=0N-1x(n)e-j2πNnk=Σn=0N-1(Σm=1Mkmsmi(n)+v(n))e-j2πNnk=Σn=0N-1(Σm=1Mkmsmi(n)e-j2πNnk)+v(n))e-j2πNnk=Σm=1M(Σn=0N-1kmsmi(n)e-j2πNnk)+v(n))e-j2πNnk=Σm=1Mkmsmi(k)+v(k)---(6)]]>由式(6)可知：观测信号x(t)的频谱X(k)的主成分必然来自于某一个或几个信号源；本方法利用此线性叠加性质进行单通道盲源分离，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：对电器工作电压电流进行采样，采用跟踪电压基频的方式采样，即保证一个工频周期为128或256点；如果非跟踪采样，则采样率选择大于10KHz以上频率，并对采样数据进行降采样，将采样频率降至6.4KHz。初始化，并置i＝1，m＝1；输入电压信号u＝[u0，u1，...，uN‑1]及M种电器的叠加电流信号x＝[x0，x1，...，xN‑1]，此处N代表工频周期的点数；波形的截取以电压信号为参考基准，即以最靠近采样起始时刻的第一个正向过零点作为0时刻，以下的盲源分离步骤是针对单周期进行的；步骤2：对x进行N点FFT变换，将0～(N/2‑1)次谐波含量组成向量F＝[c0，c1，...，cN/2‑1]；把谐波幅值排名前k1所对应的向量元素置1，其余元素置0，得到特征排序向量F；k1取值范围为15～30；步骤3：计算特征排序向量F与各标准状态样本sj所对应的特征排序向量Fj的内积dj＝<F，Fj>；步骤4：判断dj最大值对应的状态个数number1；若number1＝1且对应状态ID号为j，则提取j对应的标准状态波形为主分量，即pi＝sj；若number1＞1，则首先选择各电器内积排名前k2名所对应的标准状态sj作为待选主分量，k2取值范围为1～3；然后判断状态sj的基波幅值A(sj)是否满足A(sj)≥A(x)/(Mon‑m+1)andA(sj)≤A(x)，若满足，保存标准状态sj，若不满足，剔除坏点；最后判断满足上一步的标准状态个数number2，若number2＝1，提取此状态ID号对应的标准状态波形为主分量，即pi＝sj；若number2＞1，则计算各状态sj所对应的谐波幅值排名k1的谐波能量按max(Ej)所对应的标准状态波形作为主分量pi＝sj；步骤5：分别求取叠加电流信号x和主分量pi的周波最大值所对应的时间点位置，记为tx和若对主分量pi所对应的标准状态样本sj进行修正，将sj的周波最大值对应的时间点修正到tx处，从而获得修正后的pi，计算残差em＝x‑pi，进入下一步；若直接计算残差em＝x‑pi，进入下一步；步骤6：判断m是否满足m≤Mon，其中Mon为开启电器种类；若m＞Mon，进入下一步；若m≤Mon，i＝i+1，x＝em，m＝m+1，返回步骤(2)；步骤7：判断残差em的平均功率若p(em)＜threshold，此时的残差em等同于噪声v；循环结束；反之，补偿修正基波幅值判定条件，返回步骤(4)。