基于数学形态滤波的电力系统采样信号降噪处理

88工业仪表与自动化装置2012年第3期基于数学形态滤波的电力系统采样信号降噪处理李双科，吴记群兰州工业学院A电气工程系；B电子信息工程系，兰州730050摘要由于常用的形态滤波器采用相同尺寸结构元素而导致的输出存在统计偏移现象以及滤波效果不理想，针对电力系统采样信号，设计采用不同尺寸结构元素级联而成的开一闭和闭一开组合广义形态滤波器实现电力信号的降噪。选取与水平方向夹角为零度的直线型结构元素，比较了广义形态滤波器与常用形态滤波器在脉冲噪声与随机噪声干扰下的降噪效果。仿真表明，广义数学形态滤波器能够更有效地消除噪声干扰，获得更高的信噪比。广义形态滤波降噪算法只涉及加减和极大、极小运算，运算简单且执行高效，具有较好的实用价值。关键词电能质量；电力信号处理；形态滤波器；降噪中图分类号TP374文献标志码A文章编号10000682201203008803DENOISINGOFSAMPLEDPOWERSYSTEMDATABASEDONMORPH0LOGICAIFILTERINGLISHUANGKEWUJIQUNADEPARTMENTOFELECTRICALENGINEERING；BDEPARTMENTOFELECTRONICANDHRMATIONENGINEERING，LANZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY，LANZHOU730050，CHINAABSTRACTASTHERISEOFSAMESTRUCTUREELEMENT，THETRADITIONALMORPHOLOGICALFILUERHASSOMESHORTCOMING，SUCHASSTATISTICBIAS，FILTERINGISNOTIDEA1AGENERALIZEDMORPHOLOGICALFILTERCASCADEDBYDIFFERENTSTRUCTUREELEMENTWASPROPOSEDTOREDUCENOISEOFSAMPLEDPOWERSYSTEMSIGNA1DENOISINGEFFECTOFTHEGENERALIZEDMORPHOLOGICALFILTERONIMPULSENOISEANDRANDOMNOISEWEREINVESTIGATEDBYCOMPARINGTHEEFFECTSOFTHEGENERALIZEDMORPHOLOGICALFILTERANDTHETRADITIONALMORPHOLOGICALFILTERONSIMULATEDSIGNAL，ITWASDEMONSTRATEDTHATTHEGENERALIZEDMORPHOLOGICALFILTERCOULDREDUCENOISEMOREEFFECTIVELYTHANTRADITIONALMORPHOLOGICALFILTERGENERALIZEDMORPHOLOGICALFILTERALGORITHMINCLUDESADDITION，SUBTRACTION，MAXIMUMANDMINIMUMOPERATION，ANDDOESNOTINVOLVEMULTIPLICATIONANDDIVISIONTHEREFORE，ITHASHIGHCALCULATIONSPEEDANDBETTERAPPLICATIONVALUEKEYWORDSPOWERQUALITY；POWERSIGNALPROCESSING；MORPHOLOGICALFILTER；DENOISING0引言由于大量的非线性、冲击性、波动性负荷不断增多，日益恶化着电能质量，使未知的动态电能质量问题越来越多，随着工业技术的发展以及居民生活水平的提高，对电能质量的要求越来越高。为此，对电力系统的现场数据采集的要求也相应提高，由于收稿日期20120105作者简介李双科1965，男，甘肃省金塔人，毕业于兰州交通大学，副教授，主要从事电气自动化和测控技术的教学和研究工作。现场采集的数据往往被各种噪声污染，这就需要效果更好的数据滤波技术。常用的数字滤波器如中值滤波器、卡尔曼滤波器、基于傅立叶变换FT的滤波器和小波滤波器等，在很多应用场合已取代模拟电路搭建的滤波器，得到了广泛的应用。但这些常用数字滤波器存在着时滞、非线性相移等缺点，可能引起被测原始信号的畸变现象；而且当干扰或噪声的频谱特性与监测信号的频谱有重叠时，不能有效地将信号与干扰分开，有时必须牺牲信号的幅值或相位信息。2012年第3期工业仪表与自动化装置89数学形态学MMMATHEMATICALMORPHOLOGY是一种非线性分析方法，其对信号波形特征的研究完全在时域中进行，而不是将信号变换到频域空问处理。因此，处理后的信号不存在相位移和幅度衰减问题，并且形态运算比较简单，只涉及加减法和取极值运算，不涉及乘除法，因而在实时信号处理中速度快，便于硬件实现，在数字图像处理与识别领域应用很广，在电力系统中人们开始关注并将形态学滤波器引入到现场采样数据的数字处理方法中J。目前普遍采用的形态开一闭和形态闭一开滤波器对电力系统信号进行处理，虽然可同时抑制信号中的正、负脉冲噪声，但由于其在形态级联过程中使用了相同尺寸的结构元素与形态开的反扩展性和形态闭的扩展性，导致滤波器的输出存在统计偏移现象，不利于噪声的抑制。根据电力系统信号的特点，提出采用不同结构元素的形态开一闭和闭一开滤波器级联的广义形态滤波器，仿真计算表明广义形态滤波器在噪声抑制方面具有较好的效果。1数学形态滤波基本原理数学形态学是建立在积分几何和随机集论等严格数学理论基础上的一门密切联系实际的科学J。数学形态学方法用于数字信号处理的基本思想，是利用一个称作结构元素的“探针”对信号进行“探测”，探针在信号中不断移动，从而提取信号全局或局部的有用特征。所有的形态学处理都是基于填放结构元素的概念。数学形态学的基本运算包括膨胀、腐蚀以及由此引出的开、闭运算等。电力采样信号一般为一维数据，故以下仅介绍一维情况下的数学形态变换。设N为定义在F0，1，N一1上的离散函数，GN为定义在G0，1，M一1上的离散函数，且，这里N是待处理信号序列，GN是结构元素序列。则关于GN的膨胀和腐蚀分别定义为OGNMAXRTMGM1XOGNMINN，孔一GM2式中O和分别表示膨胀和腐蚀运算。膨胀运算是一个扩张过程，增大添满了谷值且增大了序列的最大值；作为对偶，不难理解腐蚀运算是一种收缩变换，减小了平滑峰值并且增大了序列的最小值。用于电力系统消噪时，采样后经过AD转换的信号即为N。M为结构函数的长度，其取值与采样率和希望滤除的脉冲噪声宽度及白噪声特性有关。膨胀和腐蚀运算是不可逆运算，先腐蚀后膨胀被定义为开运算；先膨胀后腐蚀被定义为闭运算。利用式1、式2定义的形态膨胀、腐蚀运算，可以定义形态开、闭运算为。GNXOGGN3GGOGN4通常形态开、形态闭运算用于形态滤波，它们以不同的方式平滑信号。形态开可以抑制信号中的峰值噪声，而形态闭可以抑制信号中的低谷噪声。为了同时去除信号中正、负两种噪声，通常采用形态开、形态闭的级联形式。在式3、式4的基础上MARAGOS采用相同的结构元素定义了形态开一闭和闭一开的级联形式滤波器如下DCNX。GG5CONG。GN6形态开一闭和闭一开滤波器具有开、闭运算的所有性质。对信号进行滤波处理时，用开一闭运算或闭一开运算相对单开或者单闭运算而言，经前者滤波后的信号更接近原始信号。考虑到开运算的扩张性和闭运算的反扩张性，开一闭和闭一开滤波器均存在统计偏移现象，经开一闭滤波器的输出幅度偏小，相反经闭一开滤波器的输出幅度偏大，单独使用上述两种滤波器均不能取得理想的滤波效果。2形态滤波器的构建21运算方法在对含有脉冲噪声的信号进行处理时，形态开一闭和闭一开滤波器不能完全滤除脉冲噪声，首先进行的开运算在去除正脉冲噪声的同时，增强了负脉冲噪声，如果再采用相同的结构元素进行闭运算，就不能有效地去除全部的负脉冲噪声；同样，采用相同结构元素的形态闭一开滤波器也不能有效地去除全部的正脉冲噪声。因此，对上述两种滤波器进行改进，提出采用不同结构元素的广义形态开一闭和形态闭一开滤波器对电力系统采样信号进行降噪处理，定义如下设N为输入离散信号，G、G为结构元素，且GC_G，则广义开一闭和闭一开滤波器分别定义为GD。N。G。GN7GG。GN8但是由于广义开一闭和闭一开滤波器仍是由开、闭运算组成，使其存在统计偏移现象，造成广义开一闭滤波器的输出幅值偏小，而广义闭一开滤波90T业仪表与自动化装置2012年第3期器的输出幅值偏大，单独使用都很难取得很好的滤波效果。为了使滤波后信号能接近原始信号，消除统计偏移现象，该文采用广义开一闭和广义闭一开两种滤波器平均组合形式，以达到较高的滤波精度，则得到广义形态滤波器，其定义为YNG凡G。N2922结构元素选取数学形态学的滤波效果不仅取决于变换方式，而且与结构元素的形状和大小密切相关。常用的结构元素有直线、曲线如二次，J次等、I角形、圆形和其他多边形如钻石形，六角形等及其结合等。一般只有与结构元素的尺寸和形状相匹配的信号基元才能被保留，结构元素的选取决定于要处理的信号形状，所选结构元素应尽可能小，并且其结构要尽可能接近待分析信号的形状特点。大量的计算结果表明，不同的信号处理要求需要有相关的结构元素才能较好地实现。在进行噪声消除时，相对而言，结构元素形状越复杂，其滤除信号的能力就越强，但所要耗费的时间也越长。考虑到电力系统的信号特点和工程计算的要求，以及简化程序资源的需求，选取直线形的结构元素，其与水平方向成。度角。因为这样的结构元素在进行噪声消除时既能保持信号的形状，又能最大限度地消除毛刺形状的噪声。3仿真实验结果及分析为考察广义形态滤波器的降噪效果并将其与常用形态滤波器的滤波效果进行比较，进行如下仿真试验。设原始信号为TSIN314T采样频率取10KHZ，采样点数为1000。若在原始信号中加入不同的噪声ST，经过形态滤波后的信号为YT，采用均方根误差来检验滤波效果，则均方根误差为R1、DI，凡一凡INL其中为采样点数，D越小，则表示去噪效果越好。1随机噪声形态滤波分析图1A是工频信号叠加随机背景白噪声后的信号波形，采用常用形态滤波器对其进行处理，得到图1B所示的波形，基本接近原始信号，但滤波效果还不是很理想。图1C是采用式9所设计的广义形态滤波器的滤波效果图，与图1B相比滤波效果理想，信号波形接近原始波形。计算均方根误差来检验滤波效果，常用形态滤波器D00647，而广义形态滤波器D00171，这说明采用广义形态滤波的效果要明显好于常用形态滤波。O八八八2A1叠加随机背景噪声的工频信呼O广，2RB常HJ形态滤波效果O_一八一2LJJLJ_JC1R义形态滤波效果图1随机噪声形态滤波效果2尖峰脉冲和高频干扰形态滤波分析在工频信号中间隔一定时间加人幅值为2的正负脉冲干扰信号，以及连续高频干扰信号，如图2A所示，来考察广义形态滤波对尖峰脉冲及高频干扰的滤波效果。图2B是常用形态滤波的效果图，图2C是广义形态滤波的效果图，从两幅图的对比来看，广义形态滤波对干扰的抑制能力更强。计算均方根误差得到常用形态滤波器D01174，而广义形态滤波器D00479，数据也说明了这一点。2，、LJ、九A叠加尖峰高频涉的上频信号,4I二、二B常用形态滤波效聚一OO02O04O06O08O1C广义形态滤波效果图2尖峰脉冲和高频干扰形态滤波效果4结语形态滤波是一种非线性滤波方法，可利用预先定义的结构元素对信号进行匹配，达到抑制噪声的目的。针对传统形态滤波器存在的问题，提出采用不同尺寸结构元素级联而成的开一闭和闭一开组合广义形态滤波器对电力信号进行滤波。将广义形态滤波器与传统形态滤波器对脉冲噪声干扰、随机噪声干扰的降噪效果进行了比较。分析结果表明，广义形态滤波器能够取得比常用形态滤波器更好的效下转第94页94T业仪表与自动化装置2012年第3期如果需要“主轴”启动，那么按下启动按钮“SB3SB4”，如图4所示，“主轴”启动Q40主轴接触器得电，WINCC画面中对应的主轴很快转动起来。如图5所示，对于X62W型万能铣床的向左、右进给操作、向上或后进给操作、向下或前进给操作、圆工作台启动操作、快速进给操作以及主轴制动操作等都可以通过仿真在WINCC画面中一一实现，在此相应的仿真和WINCC画面不再列举。这里需要说明的是，WINCC组态里的输出变量是通过继电器的状态来显示的，而各继电器是用来控制其对应的接触器，所以在继电器接通的同时接触器也接通。3结束语X62W型万能铣床作为现代制造业一种高效的冈4主轴启动画面图5主轴启动仿真界面加工机械，在机械加工和机器制造行业中具有广泛的应用。该文主要研究基于PLC的铣床控制系统的技术改造，实践证明S7300系列PLC不仅具有控制稳定、配置灵活、编程简单、便于维修等特点，而且能适应企业经常变化的工艺要求，并具有一定的工程应用价值。参考文献1胡学林可编程控制器原理与应用M北京电子T、I出版社，200875772345李崇华电气控制技术M重庆重庆大学版卒十，2004143144吴国强PLC在X62W万能铣床改造中的应用J广两轻丁业，2007，224344李建荣，胡学林，钱松PLC在X62W万能铣床电气控制系统改造中的应用J安徽职业技术学院学报，2011，1022729LILINTHEAPPLICATIONOFPLCINACCUMULATEDHEATSUPPLYSYSTEMJAUTOMATIONINSTRUMENTATION200467879上接