本發(fā)明涉及智能電網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種復(fù)雜電力信號(hào)的噪聲濾除裝置及方法。

背景技術(shù)：

家庭用戶是智能電網(wǎng)的重要消耗端，也是微電網(wǎng)的重要組成，電力用戶的管理集中體現(xiàn)了電網(wǎng)的智能化程度。家用電器負(fù)荷識(shí)別技術(shù)是用戶管理的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，通過負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)用戶可以及時(shí)監(jiān)測(cè)電器的使用情況，積極響應(yīng)節(jié)能政策，促進(jìn)用戶合理用電。對(duì)于電力部門來說，可以詳細(xì)了解居民的用電構(gòu)成，為電力部門統(tǒng)籌規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持。

目前，家用電器負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)包括非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)和侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)兩種。與侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)投入小，實(shí)用性強(qiáng)。隨著智能家居、智能電網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)得到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，但是，非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)都需要在家用電力線的入口處采集電流和電壓的信號(hào)，這樣采集到的信號(hào)噪聲和干擾會(huì)非常多，得到的電流和電壓信號(hào)不夠穩(wěn)定，導(dǎo)致很多小功率的電器無法識(shí)別。目前，大部分非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中也都對(duì)電信號(hào)進(jìn)行了去噪處理，有些是在硬件上對(duì)電信號(hào)的模擬信號(hào)濾波，有些是對(duì)于電信號(hào)的數(shù)字信號(hào)濾波，但效果都不理想。因此，如何有效的對(duì)復(fù)雜電力信號(hào)進(jìn)行除噪處理、如何采集正確穩(wěn)定的電力信號(hào)，為后端的家用電器用電特征提取及電器的分類提供精確的輸入信號(hào)是家用電器負(fù)荷識(shí)別技術(shù)中非常關(guān)鍵和必須解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)目前非侵入式負(fù)荷監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種復(fù)雜的電力信號(hào)噪聲濾除裝置及方法，有效的減少電流和電壓信號(hào)中的噪聲和干擾，方便對(duì)電流和電壓信號(hào)的特征提取，從而準(zhǔn)確地反應(yīng)出家庭用電中的實(shí)際情況。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具體技術(shù)方案如下：一種復(fù)雜電力信號(hào)的噪聲濾除裝置，包括：傳感器模塊、低通濾波模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊；所述傳感器模塊包括電流傳感器和電壓傳感器，電流傳感器串聯(lián)在家庭用電的火線上，用于采集家庭用電中電流的模擬信號(hào)，電壓傳感器并聯(lián)在家庭用電的總線路中，用于采集家庭用電中電壓的模擬信號(hào)；所述低通濾波模塊的輸入端與傳感器模塊的輸出端相連，用于對(duì)傳感器模塊采集的電信號(hào)實(shí)現(xiàn)初次噪聲濾除操作，其輸出端與a/d轉(zhuǎn)換模塊相連；所述a/d轉(zhuǎn)換模塊用于將低通濾波模塊輸出的初次濾波后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出端與數(shù)字濾波模塊相連；所述數(shù)字濾波模塊用于電信號(hào)的數(shù)字濾波，對(duì)a/d轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行基于小波變換的濾波，輸出正確穩(wěn)定的電信號(hào)。

進(jìn)一步地，上述低通濾波模塊包括6個(gè)電阻r1、r2、r3、r4、r5、r6，5個(gè)電容c1、c2、c3、c4、c5，3個(gè)運(yùn)算放大器u1a、u1b、u2a和1個(gè)電位器rl；其中，r1的一端與輸入信號(hào)相連，另一端與r2、r3和c1相連，c1的另一端接地，r2的另一端與u1a反向輸入端相連，r3的另一端與u1a輸出端相連；c2的一端與u1a反向輸入端相連，另一端與u1a輸出端相連；u1a正向輸入端接地；r4的一端與u1a輸出端相連，另一端與r5、c3相連，r5的另一端分別于c4和u1b正向輸入端相連，c4的另一端接地，c3的另一端分別與u1b反向輸入端和輸出端相連；r6的一端與u1b輸出端相連，另一端與u2a正向輸入端、c5相連，c5的另一端接地，u2a反向輸入端與輸出端相連；rl與u2a輸出端相連；u1a、u1b、u2a正極性接12v電源，負(fù)極性接-12v電源。

本發(fā)明還提供了一種復(fù)雜電力信號(hào)的噪聲濾除方法，包括如下步驟：

1)采集電信號(hào)，利用電流傳感器和電壓傳感器，分別采集家庭用電中電流和電壓的模擬信號(hào)，并將采集的模擬信號(hào)傳輸給低通濾波模塊；

2)硬件初次濾波，利用低通濾波模塊對(duì)傳感器模塊采集的電信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除操作，并將初次噪聲濾除后的模擬信號(hào)傳輸給a/d轉(zhuǎn)換模塊；

3)電信號(hào)的a/d轉(zhuǎn)換，利用a/d轉(zhuǎn)換模塊將低通濾波模塊初次噪聲濾除后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳輸給數(shù)字濾波模塊；

4)軟件二次濾波，利用數(shù)字濾波模塊對(duì)a/d轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行基于小波變換的濾波，輸出正確穩(wěn)定的電信號(hào)。

進(jìn)一步地，上述步驟4)中，基于小波變換的濾波方法包括如下步驟：

4.1)利用小波變換中的mallat分解算法將a/d轉(zhuǎn)換模塊得到的一維含噪聲信號(hào)分解為400hz-800hz的高頻分量和ohz-400hz的低頻分量；

4.2)利用小波變換中的mallat分解算法將步驟4.1)中的ohz-400hz的低頻分量分解為ohz-200hz的低頻分量和200hz-400hz的高頻分量；

4.3)利用小波變換中的mallat分解算法將步驟4.2)中的ohz-200hz的低頻分量分解為ohz-100hz的低頻分量和100hz-200hz的高頻分量；

4.4)利用小波變換中的mallat重構(gòu)算法對(duì)小波分解樹所得到的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，在重構(gòu)的過程中高頻信號(hào)分量被濾除，得到穩(wěn)定精確的電流和電壓的數(shù)字信號(hào)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明能有效的消除電力信號(hào)中的噪聲和干擾，為家用電器用電特征提取及電器的分類提供穩(wěn)定精確的輸入信號(hào)。

附圖說明

圖1為復(fù)雜電力信號(hào)噪聲濾除裝置結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為低通濾波模塊硬件電路圖。

圖3為復(fù)雜電力數(shù)字信號(hào)噪聲濾除裝置工作流程圖。

圖4為小波分解結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

圖1為本發(fā)明復(fù)雜電力信號(hào)噪聲濾除裝置結(jié)構(gòu)框圖，包括傳感器模塊、低通濾波模塊、a/d轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字濾波模塊。

傳感器模塊的輸入端與電源相連，用于采集家庭用電中的電信號(hào)，得到電器的電流和電壓的模擬信號(hào)；傳感器模塊包括電流傳感器和電壓傳感器，電流傳感器串聯(lián)在家庭用電的火線上，用于采集家庭用電中電流的模擬信號(hào)，電壓傳感器并聯(lián)在家庭用電的總線路中，用于采集家庭用電中電壓的模擬信號(hào)，本實(shí)施例中電壓傳感器采用tbv-ada電壓傳感器實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施例中電流傳感器采用ba10-ai電流傳感器實(shí)現(xiàn)。

低通濾波模塊的輸入端與傳感器模塊的輸出端相連，用于對(duì)傳感器模塊采集的電流和電壓模擬信號(hào)進(jìn)行去噪處理，其輸出端與a/d轉(zhuǎn)換模塊相連；圖2為低通濾波模塊的硬件電路圖，包括6個(gè)電阻r1、r2、r3、r4、r5、r6，5個(gè)電容c1、c2、c3、c4、c5，3個(gè)運(yùn)算放大器u1a、u1b、u2a和1個(gè)電位器rl；其中，r1的一端與輸入信號(hào)相連，另一端與r2、r3和c1相連，c1的另一端接地，r2的另一端與u1a反向輸入端相連，r3的另一端與u1a輸出端相連；c2的一端與u1a反向輸入端相連，另一端與u1a輸出端相連；u1a正向輸入端接地；r4的一端與u1a輸出端相連，另一端與r5、c3相連，r5的另一端分別于c4和u1b正向輸入端相連，c4的另一端接地，c3的另一端分別與u1b反向輸入端和輸出端相連；r6的一端與u1b輸出端相連，另一端與u2a正向輸入端、c5相連，c5的另一端接地，u2a反向輸入端與輸出端相連；rl與u2a輸出端相連；u1a、u1b、u2a正極性接12v電源，負(fù)極性接-12v電源。本實(shí)施例中運(yùn)算放大器采用tl062acd模塊實(shí)現(xiàn)，rl為10k的電位器。

a/d轉(zhuǎn)換模塊用于將低通濾波模塊輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸出端與數(shù)字濾波模塊相連，本實(shí)施例中a/d轉(zhuǎn)換模塊采用ad7606轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字濾波模塊用于電信號(hào)的數(shù)字濾波，對(duì)a/d轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行基于小波變換的濾波，輸出正確穩(wěn)定的電信號(hào)。本實(shí)施例中數(shù)字濾波模塊采用stm32處理器實(shí)現(xiàn)。

圖3所示為復(fù)雜電力數(shù)字信號(hào)的噪聲濾除方法流程圖，復(fù)雜電力數(shù)字信號(hào)的噪聲濾除方法，包括以下步驟：

1)采集電信號(hào)，利用電流傳感器和電壓傳感器，分別采集家庭用電中電流和電壓的模擬信號(hào)，并將采集的模擬信號(hào)傳輸給低通濾波模塊；

2)硬件初次濾波，利用低通濾波模塊對(duì)傳感器模塊采集的電信號(hào)進(jìn)行噪聲濾除操作，并將初次噪聲濾除后的模擬信號(hào)傳輸給a/d轉(zhuǎn)換模塊；

3)電信號(hào)的a/d轉(zhuǎn)換，利用a/d轉(zhuǎn)換模塊將低通濾波模塊初次噪聲濾除后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并將數(shù)字信號(hào)傳輸給數(shù)字濾波模塊；

4)數(shù)字二次濾波，利用數(shù)字濾波模塊對(duì)a/d轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行基于小波變換的濾波，輸出正確穩(wěn)定的電信號(hào)。其中，基于小波變換的濾波方法如下，如圖4所示為小波分解結(jié)構(gòu)圖；

4.1)利用小波變換中的mallat分解算法將a/d轉(zhuǎn)換模塊得到的一維含噪聲信號(hào)分解為400hz-800hz的高頻分量和ohz-400hz的低頻分量，其中mallat分解算法如下：

式中c1(n)為原始采樣信號(hào)，h、g分別為低通、高通分解濾波器參數(shù)。j為分解層數(shù)；

4.2)利用小波變換中的mallat分解算法將步驟4.1)中的ohz-400hz的低頻分量分解為ohz-200hz的低頻分量和200hz-400hz的高頻分量；

4.3)利用小波變換中的mallat分解算法將步驟4.2)中的ohz-200hz的低頻分量分解為ohz-100hz的低頻分量和100hz-200hz的高頻分量；

4.4)利用小波變換中的mallat重構(gòu)算法對(duì)小波分解樹所得到的信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，在重構(gòu)的過程中上面三步所得到的三個(gè)高頻信號(hào)分量將被濾除掉，從而完成對(duì)a/d轉(zhuǎn)換完成的電流和電壓的數(shù)字信號(hào)濾波過程，其中mallat重構(gòu)方法如下：

式中c1(n)為濾波后所得信號(hào)，分別為低通、高通重構(gòu)濾波器參數(shù)，j為分解層數(shù)。