專利名稱：應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法
技術領域：
本發明涉及電流信號高精度分離及角差測量技術領域，特別是一種應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法。
背景技術：
電力設備絕緣監測技術是保證電力系統安全運行的關鍵技術。它是結合傳感器技術、計算機技術、電子技術、信號處理以及網絡技術，在電力系統運行狀態下，對其中的電氣設備的絕緣狀況進行實時監測，其基本要求是監測過程不改變系統的運行方式，并保證測
量精度等。容性電力設備的介質損耗(tan δ )是表征設備絕緣性能的一個重要參數，主要通過比較流經設備的漏電流與加在設備兩端的高壓信號的相位差來獲得。其中，漏電流的獲取主要通過設備接地點處的電流傳感器測量獲得，要求電流傳感器具有較高的測量準確度。然而，目前應用于各種電力設備絕緣在線監測的電流傳感器，都是用高導磁材料作為磁芯繞制而成。在實驗室環境下進行測試，這類電流傳感器對電流信號角差的監測能夠達到較高的精度，同時其穩定性也能滿足測量的要求。但實際在線運行后，由于現場的強電磁干擾、環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，特別是角差特性發生較大變化。因此，要對電流傳感器的角差進行實時監測，以保證絕緣在線監測系統在實際運行中能夠獲得高精度、穩定可靠的測量結果。一種在線監測電流傳感器角差系統，是人為在傳感器的輸入端加入已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。采用獨立分量分析(ICA)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，在電流傳感器監測電力設備正常工作的電流的同時獲得它的相位差，從而實現在線測量。采用ICA方法來分離混合信號存在的最主要的問題就是估計出來的獨立源分量接近于其真實值的程度是未知的。這種情況是由多種原因造成的ICA方法要求各源分量是統計獨立的，且其中至多有一個分量是高斯分布的。然而實際應用中真實數據并不能嚴格符合ICA的模型。ICA方法使用的隨機產生的初始混合矩陣，在計算的過程中可能會收斂于不同的
局部最小值。混合信號的抽樣點數是有限的，這也會引入統計誤差。因此，有必要對ICA分離的結果進行評價，研究它的可靠性。對同一混合信號運行多次ICA并且選取最優的結果，這樣比單獨運行一次的結果具有更高的可靠性。

發明內容
本發明的主要目的在于提供一種應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，以將其應用于電流傳感器角差在線監測系統中電流信號分離模塊，并提高輸出結果的準確度。本發明提供一種應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，包括如下步驟步驟1 將電流傳感器的輸出信號與兩個不同初始相位的測試信號一起組成3維觀測信號矩陣X (η)；步驟2 對觀測信號矩陣運行多次FastICA算法，進行信號分離以得到多次分離結果；步驟3 對每次分離得到的3個源分量進行頻率計算，根據頻率的差異判斷電流傳感器的正常工作電流分量所在行為k ；步驟4 對每次分離結果計算評價函數，公式為f = ((a2k- μ )2+ (a3k" μ)2+μ2)/3,其中aij為分離結果中混合矩陣A的第i行j列的元素，μ為和0的均值；步驟5 比較各次分離的評價函數值，選擇評價函數值最大的一次分離為該次測量的最優分離結果；步驟6 根據最優分離結果計算電流傳感器的角差。從上述技術方案可以看出，本發明具有以下技術效果1、本發明提供的這種應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法及其擇優標準，可以應用于電流傳感器角差在線監測系統中電流信號分離模塊，提高輸出結果的準確度。2、本發明提供的這種應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法及其擇優標準，提出的評價函數能有效地選取多次分離結果中測量誤差較小的分離作為最優分離結果，具有測量準確度高、抗干擾能力強、穩定等優點。


為進一步說明本發明的技術內容，以下結合附圖及實施案例對本發明詳細說明如后，其中圖1是本發明提供的一種應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法及其擇優標準流程圖。圖2是本發明采用的電流傳感器角差在線監測系統的結構示意圖。圖3是評價函數與測量誤差的關系(1000次樣本，各運行一次FastICA算法)。圖4是本發明選擇的最優結果的評價函數與相位測量誤差散點圖(100次樣本，各運行20次FastICA算法，并根據本發明評價函數進行擇優挑選)。
具體實施例方式如圖1所示，本發明提供一種應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，包括如下步驟步驟101 將電流傳感器的輸出信號與兩個不同初始相位的測試信號一起組成3 維觀測信號矩陣X(n)，該兩個不同初始相位的測試信號為單頻正弦信號，與電流傳感器輸入信號中的測試信號具有相同的頻率，組成觀測信號矩陣時，電流傳感器的輸出信號χ (η)， 該信號x(n)位于3維觀測信號矩陣X (η)的第一行，兩個測試信號位于3維觀測信號矩陣 X(η)的第二和第三行，所述不同初始相位的兩個測試信號的初始相位不同，幅度不同或相同；步驟102 對觀測信號矩陣運行多次!^stICA算法，進行信號分離以得到多次分離
結果；步驟103 對每次分離得到的3個源分量進行頻率計算，根據頻率的差異來判斷電流傳感器的正常工作電流分量所在行為k ；所述將產生的3維觀測信號矩陣X(n)運行 FastICA算法后得到一個3X3的混合矩陣A和一個3維源分量矩陣S(η)，該3維源分量矩陣S(n)由三個源分量組成，分別是電流傳感器的正常工作電流信號Ig(n)、正弦分量 sin (η)及余弦分量cosOi)，其中正弦分量Sin(Ii)與余弦分量cosfc)具有相同的頻率，且與測試信號的頻率相同，與正常工作電流信號Ig(η)的頻率不同，通過比較各源分量頻率的差異來判斷正常工作電流信號Ig (η)位于3維源分量矩陣S (η)的哪一行；步驟104 對每次分離結果計算評價函數，公式為f = ((a2k- μ )2+ (a3k" μ)2+μ2)/3,其中為分離結果中混合矩陣A的第i行j列的元素，μ為 k、aa和0的均值；其中構造評價函數時，評價函數的表達式與步驟101中觀測信號的組成方式有關，若電流傳感器的輸出信號x(n)位于3維觀測信號矩陣X(n)的第1行，令m，η為集合 {1,2,3}中除1的另外兩個數，則評價函數修改為f = ((amk- μ )2+ ( - μ )2+ μ 2) /3其中，μ = (amk+ank) /3 ；步驟105 比較各次分離的評價函數值，選擇評價函數值最大的一次分離為該次測量的最優分離結果，所述比較各次分離結果的評價函數值時，需要對評價函數值進行篩選，即對評價函數值中過小或過大的分離情況應予以剔除；步驟106 根據最優分離結果計算電流傳感器的角差。首先根據FastICA算法得到的分離矩陣A對源分量進行合成，得到電流傳感器輸出信號中的測試信號成分，然后比較該測試信號成分與電流傳感器輸入信號中的測試信號的相位差，最后對該相位差進行轉換得到電流傳感器的角差。如圖2所示為本發明適用的電流傳感器角差在線監測系統的結構示意圖，該裝置在進行測量時，首先人為產生一個測試信號201與電流傳感器的正常工作電流202 —起作為電流傳感器203的輸入信號，其中測試信號為一單頻正弦信號，其頻率應遠離電流傳感器的正常工作電流的頻率。接著通過信號分離模塊204對電流傳感器的輸出信號進行分離，以提取電流傳感器輸出信號中的測試信號成分。由于電流傳感器自身存在一定的角差， 測試信號在流經電流傳感器后其相位發生改變。通過相位比較模塊205來求該測試信號的相位改變量，最后通過一定的變換即可求得電流傳感器的角差206。
圖1所示的電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法是為了實現圖2裝置中的信號分離模塊204的功能。實例 1為驗證評價函數對測量誤差的指導作用，對1000個樣本(信噪比10.9dB)各運行一次!^astICA分離算法。圖3所示為評價函數與測量誤差的關系散點圖，從整體上看，評價函數值越大，相位測量誤差的絕對值越小，分離越準確。實例2為測試本發明評價函數的擇優效果，對信噪比為10. 9dB的100個樣本各運行20 次FastICA分離算法，按照上述流程選擇評價函數值最大的分離作為該樣本的分離輸出。 如圖4所示為最優結果的評價函數與相位測量誤差散點圖。通過與圖3對比，可以看出采用本發明方法后，測量誤差-0.06。<Δρ<0.06。的百分比顯著提高，即使得圖2中信號分離模塊的準確度顯著提高了。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、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，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，包括如下步驟步驟1 將電流傳感器的輸出信號與兩個不同初始相位的測試信號一起組成3維觀測信號矩陣X(n)；步驟2 對觀測信號矩陣運行多次!^astICA算法，進行信號分離以得到多次分離結果； 步驟3 對每次分離得到的3個源分量進行頻率計算，根據頻率的差異判斷電流傳感器的正常工作電流分量所在行為k ；步驟4 對每次分離結果計算評價函數，公式為 f = ((a2k- μ )2+ (a3k" μ )2+ μ 2) /3，其中為分離結果中混合矩陣A的第i行j列的元素，μ為 k、a3k和0的均值； 步驟5 比較各次分離的評價函數值，選擇評價函數值最大的一次分離為該次測量的最優分離結果；步驟6 根據最優分離結果計算電流傳感器的角差。
2.如權利要求1所述的應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，其中步驟1中的兩個不同初始相位的測試信號的頻率與電流傳感器輸入信號中的測試信號具有相同的頻率，組成觀測信號矩陣時，電流傳感器的輸出信號χ (η)位于3維觀測信號矩陣 X(η)的第一行，兩個測試信號位于3維觀測信號矩陣X(η)的第二和第三行。
3.如權利要求1所述的應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，其中不同初始相位的兩個測試信號的初始相位不同，幅度不同或相同。
4.如權利要求1所述的應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，其中將產生的3維觀測信號矩陣X (η)運行FastICA算法后得到一個3維源分量矩陣S (η)，該3維源分量矩陣S(n)由三個源分量組成，分別是電流傳感器的正常工作電流信號Ig(η)、正弦分量Sin(Ii)及余弦分量c0S(n)，其中正弦分量Sin(Ii)與余弦分量cosfc)具有相同的頻率，且與測試信號的頻率相同，與正常工作電流信號Ig(H)的頻率不同，通過比較各源分量頻率的差異來判斷正常工作電流信號Ig(η)位于3維源分量矩陣S(n)的哪一行。
5.如權利要求1所述的應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，其中構造評價函數時，評價函數的表達式與步驟1中觀測信號的組成方式有關，若電流傳感器的輸出信號x(n)位于3維觀測信號矩陣X(η)的第1行，令m，η為集合{1，2，3}中除1的另外兩個數，則評價函數修改為f = ((amk-y)2+(ank-y)2+y2)/3 其中，μ = (amk+ank) /3 °
6.如權利要求1所述的應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，其中比較各次分離結果的評價函數值時，需要對評價函數值進行篩選，即對評價函數值中過小或過大的分離情況應予以剔除。
7.如權利要求1所述的應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，其中根據最優分離結果計算電流傳感器的角差，首先根據FastICA算法得到的分離矩陣A對源分量進行合成，得到電流傳感器輸出信號中的測試信號成分，然后比較該測試信號成分與電流傳感器輸入信號中的測試信號的相位差，最后對該相位差進行轉換得到電流傳感器的角差。
全文摘要
一種應用于電流傳感器角差在線監測系統的信號分離方法，包括如下步驟步驟1將電流傳感器的輸出信號與兩個不同初始相位的測試信號一起組成3維觀測信號矩陣X(n)；步驟2對觀測信號矩陣運行多次FastICA算法，進行信號分離以得到多次分離結果；步驟3對每次分離得到的3個源分量進行頻率計算，根據頻率的差異判斷電流傳感器的正常工作電流分量所在行為k；步驟4對每次分離結果計算評價函數，公式為f＝((a2k-μ)2+(a3k-μ)2+μ2)/3，其中aij為分離結果中混合矩陣A的第i行j列的元素，μ為a2k、a3k和0的均值；步驟5比較各次分離的評價函數值，選擇評價函數值最大的一次分離為該次測量的最優分離結果；步驟6根據最優分離結果計算電流傳感器的角差。
文檔編號G01R35/02GK102540130SQ20121000583
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者邊昳, 金敏, 陳天翔, 魯華祥, 龔國良 申請人:中國科學院半導體研究所