上海海事大學(xué)電氣自動(dòng)化系的研究人員卓金寶、施偉鋒、蘭瑩等，在2017年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，針對(duì)強(qiáng)噪聲背景下微電網(wǎng)電能信號(hào)擾動(dòng)定位和識(shí)別困難的問(wèn)題,提出一種基于改進(jìn)形態(tài)濾波器和弧長(zhǎng)差分序列的擾動(dòng)定位與識(shí)別方法。

首先,將交替混合形態(tài)濾波器中的膨脹和腐蝕函數(shù)改進(jìn)為均值膨脹和均值腐蝕函數(shù),再對(duì)電能擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波。然后,在分析擾動(dòng)波形變化規(guī)律和三個(gè)典型擾動(dòng)算例的基礎(chǔ)上,定義并計(jì)算濾波后擾動(dòng)信號(hào)的弧長(zhǎng)差分序列。最后,利用弧長(zhǎng)差分序列定位準(zhǔn)確擾動(dòng)時(shí)間,從弧長(zhǎng)差分序列和濾波后信號(hào)中提取幅值特征和波峰特征,輸入到已定義識(shí)別規(guī)則的擾動(dòng)識(shí)別器,實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)識(shí)別。

仿真試驗(yàn)和實(shí)際微電網(wǎng)數(shù)據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠精確定位和識(shí)別混入不同強(qiáng)度噪聲的5種單一擾動(dòng)和3種復(fù)合擾動(dòng),適用于實(shí)際微電網(wǎng)電能信號(hào)擾動(dòng)的定位與識(shí)別。

為保證微電網(wǎng)電能質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)可靠，需要對(duì)因受輸電線路故障、大功率負(fù)荷投切、電力電子裝置等干擾，而在微電網(wǎng)中出現(xiàn)的擾動(dòng)進(jìn)行高效準(zhǔn)確地時(shí)間定位與類型識(shí)別。但是，微電網(wǎng)的電能采樣信號(hào)中通?；煊袕?qiáng)噪聲，如工作環(huán)境中充斥大量強(qiáng)噪聲的船舶微電網(wǎng)。所以，在強(qiáng)噪聲背景下快速準(zhǔn)確地檢測(cè)、定位和識(shí)別電能擾動(dòng)是提高微電網(wǎng)電能質(zhì)量的基礎(chǔ)工作。

微電網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)的電能質(zhì)量擾動(dòng)主要為電壓暫降、電壓暫升、中斷、諧波和暫態(tài)振蕩等類型。在擾動(dòng)識(shí)別前對(duì)電能信號(hào)進(jìn)行濾波處理是保證定位與識(shí)別準(zhǔn)確性的前提。

作為一種基于集合論和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的時(shí)域非線性濾波器，形態(tài)濾波器是一種源于圖像特征提取的濾波方法，具有計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，近年來(lái)受到較多的關(guān)注。

目前，形態(tài)濾波器研究主要圍繞兩個(gè)方面展開(kāi): 設(shè)計(jì)新型算子和選取自適應(yīng)結(jié)構(gòu)元素。這些研究雖然不同程度地改善了濾波效果，但是都增加了算法復(fù)雜性和計(jì)算量，泛化應(yīng)用能力值得推敲。

回歸數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)定義本身，對(duì)形態(tài)濾波器中的最基本運(yùn)算——膨脹和腐蝕運(yùn)算進(jìn)行改進(jìn)，是一條改善形態(tài)濾波器濾波效果的可靠途徑。當(dāng)前，電能質(zhì)量擾動(dòng)定位與識(shí)別方法大多通過(guò)時(shí)頻變換，提取擾動(dòng)信號(hào)的頻域特征進(jìn)行擾動(dòng)識(shí)別，如S變換、小波變換和短時(shí)傅里葉變換等時(shí)頻變換，這將造成時(shí)域信息的低效利用或遺漏，同時(shí)計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，不便于實(shí)時(shí)應(yīng)用。

同時(shí)，微電網(wǎng)電能信號(hào)采樣時(shí)電磁環(huán)境較為復(fù)雜，提取足夠顯著的頻域特征將變得更加困難。通過(guò)進(jìn)一步地實(shí)驗(yàn)和分析，發(fā)現(xiàn)不同電能擾動(dòng)信號(hào)每四分之一和二分之一電能信號(hào)周期的弧長(zhǎng)具有顯著區(qū)別的幾何特征。所以，充分利用信號(hào)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)波形的幾何變化規(guī)律，提取時(shí)域波形的幾何特征用于擾動(dòng)的定位與識(shí)別是解決復(fù)雜環(huán)境中微電網(wǎng)電能信號(hào)擾動(dòng)定位與識(shí)別問(wèn)題的可行且有效的方案。

本文提出一種基于改進(jìn)的形態(tài)濾波器和弧長(zhǎng)差分序列的微電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)定位和識(shí)別新方法。首先將新定義的均值-膨脹和均值-腐蝕運(yùn)算用于設(shè)計(jì)交替混合形態(tài)濾波器，對(duì)電能采樣信號(hào)進(jìn)行濾波，獲得更優(yōu)光滑性的濾波后信號(hào); 然后基于時(shí)域波形的幾何特征和擾動(dòng)識(shí)別原理，將濾波后的電能擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行變換，形成弧長(zhǎng)差分序列，定位擾動(dòng)時(shí)間并提取序列中擾動(dòng)的時(shí)頻域特征量; 最后經(jīng)過(guò)識(shí)別器識(shí)別擾動(dòng)類型。通過(guò)仿真和實(shí)際數(shù)據(jù)試驗(yàn)，證明此方法的有效性和準(zhǔn)確性。


結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)的形態(tài)濾波器和弧長(zhǎng)差分序列的微電網(wǎng)擾動(dòng)定位與識(shí)別方法。為改善濾波效果，采用均值—膨脹函數(shù)和均值—腐蝕函數(shù)對(duì)交替混合形態(tài)濾波器進(jìn)行改進(jìn)，濾波后擾動(dòng)信號(hào)經(jīng)基于弧長(zhǎng)差分序列的擾動(dòng)定位與識(shí)別算法處理，可以有效實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)定位與識(shí)別。

仿真試驗(yàn)表明改進(jìn)的形態(tài)濾波器較傳統(tǒng)形態(tài)濾波器具有更好的濾波效果，擾動(dòng)定位與識(shí)別算法可以有效定位和識(shí)別5種單一擾動(dòng)和3種復(fù)合擾動(dòng)。實(shí)際微電網(wǎng)信號(hào)試驗(yàn)表明所提出的新方法適用于微電網(wǎng)電能擾動(dòng)時(shí)間定位與識(shí)別。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的算法中特征量的特征信息豐富，可以進(jìn)一步用于微電網(wǎng)故障診斷研究。