FOCT双Sigmoid函数自适应去噪及网络传输系统设计

吴华明， 刘宪爽， 孙学勇， 朱 俊， 傅建平

(1.南昌航空大学 测试与光电工程学院 江西省光电检测技术工程实验室，江西 南昌 330063；2.江西省电力设计院，江西 南昌 330006)

0 引 言

传统电磁式电流互感器日益暴露出一系列由于工作原理所决定的技术上难以解决的问题，无法满足现代电网发展的需要。光纤电流互感器(fiber-optic current transducer,FOCT)凭借动态范围宽、绝缘性能好、测量精度高等优点，代表了电流互感器的发展方向[1]。但FOCT的输出数据中包含内部噪声[2]和外部环境噪声，导致FOCT输出信号的信噪比非常低，影响其在电力系统控制、保护和测量等方面的精度和可靠性，因此,FOCT的大面积应用和推广受到了限制[3]。目前，对于FOCT在低信噪比环境下测量精度的问题，仅停留在对光学材料的改进以及对系统结构的改善，而缺乏对FOCT信号处理单元中算法有效性的验证和研究[4]。

基于此，本文在保持FOCT硬件结构不变的条件下，根据FOCT输出信号的特征，结合现阶段的变步长自适应算法理论，提出一种改进的双Sigmoid函数变步长自适应算法，运用ActiveX自动化技术，设计了一种FOCT的自适应去噪和远程传输系统。最后将本文提出的算法在该系统中进行了应用测试，测试结果表明:本文提出的算法可有效提高FOCT在信噪比环境中的测量准确度，并通过该系统的远程传输模块，实现了数据的网络通信。

1 双Sigmoid函数自适应滤波算法原理及性能分析

由于传统自适应滤波算法存在收敛速度和失调量之间的矛盾问题，使该算法在一些实际工程的应用中受到了限制[5]。为了克服传统自适应滤波算法的缺陷，提出了很多改进型的方法，其中很大一类就是变步长自适应算法，其基本原则都是在算法收敛的过程中动态的调整步长因子的大小，使步长因子随着误差的减小而减小。但步长因子在随着误差下降的过程中，若变步太过剧烈会对稳态误差产生较大的影响，由此可能会引起算法产生振荡，从而影响算法的整体性能[6]。

文献[7]采用两个Sigmoid函数的乘积得到步长μ(n)与误差e(n)之间的函数关系,能使步长因子μ(n)在算法开始阶段保持较大，以保证算法获取较快的收敛速度，μ(n)随着误差e(n)的减小而缓慢减小，可以在避免算法产生振荡的基础上，获取较小的稳态误差。然而，在低信噪比环境中，该算法使用瞬间误差e(n)作为了解自适应过程状况的标准并不能与所预期的一样完善，受强度较大噪声的影响，步长因子在算法收敛阶段仍然保持很大，较大的步长因子在围绕最佳权系数值时会产生较大的波动[8]。因此，当自适应系统工作于低信噪比环境中，应用该算法可能仍会导致比较大的稳态误差。

为了克服上述算法的缺点并进一步提高算法的测量精度，本文在文献[7]的基础上运用e(n)与e(n-1)自相关时间均值来控制步长更新，以达到降低噪声干扰的目的。因此，本文提出的变步长自适应算法步长μ(n)与误差e(n)之间的函数关系为

(1)

式中α为控制函数形状的常量，β为控制函数取值范围的常量，h为控制步长变化速度的常量。可以看出，本文提出的步长μ(n)与误差e(n)函数关系能够保证μ(n)在随着误差e(n)减小的过程中，下降的更加平缓，且用e(n)与e(n-1)的自相关时间均值来控制步长更新，因此,本文提出的步长与误差的函数关系会使算法获取更高的测量精度。但过于平缓的曲线不可避免地会带来收敛速度相对较慢的问题，为了解决这个问题，引出分段变步长的概念，即在算法开始阶段取一个固定的大步长加快收敛速度(本文选择0.25)，在迭代100次(迭代次数至少为1 000次)之后，再用本文提出的步长与误差的函数关系来调节步长。

为了减小初始阶段固定步长引起的失调，对权系数更新方程归一化处理

(2)

式中x(n)为输入信号序列,xT(n)为输入信号转置,γ为常量参数，用于避免在xT(n)x(n)很小时出现很大步长。

由此，可得到本文改进的双Sigmoid函数变步长自适应滤波算法的运算方法如下：

1)得到输入信号x(n)和期望信号d(n)。

2)滤波：y(n)=wT(n)x(n)，其中，权系数w(0)=0或由先验知识确定，y(n)为输出信号。

3)误差估计：e(n)=d(n)-y(n)，e(n)为误差信号。

4)步长迭代：若n<100,则μ=0.25; 否则μ(n)由式(1)计算。

5)由式(2)更新权系数。

2 系统设计

2.1 总体设计方案

图1为本文自适应去噪及网络传输的总体设计方案。

图1 系统总体设计方案框图

图1中，FOCT的传感光纤环将被测电流信号转换为光信号，经过光电探测器转换为电信号，经过信号调理单元将信号进行放大和A/D转换。利用USB-6351(NI公司)数据采集卡采集的FOCT的输出信号，再采用DAQ Assistant将数据采集卡采集的数据传输到的计算机上的自适应去噪及网络传输系统。

2.2 双Sigmoid函数自适应去噪和网络传输系统设计

1)双Sigmoid函数自适应去噪模块

该模块设计的基本思想是：通过ActiveX将LabVIEW和MATLAB有机结合。其中，LabVIEW负责设计用户图形界面和结果显示，MATLAB则在后台处理文献[7]提出的算法和本文算法，并将处理后的数据输入到LabVIEW环境中,对比验证本文提出算法的优越性能。图2为自适应去噪模块主程序。

在该程序中，通过添加“Automation Refnum”模块连接MATLAB服务器；以“Invode Node”调用“PutFullMatrix”的方法将参数传入MATLAB的工作空间；再使用“Invode Node”调用“Execute”的方法将2种算法程序以字符串的形式传递合法的MATLAB语句。通过“Invode Node”调用 2次“GetFullMatrix”的方法从指定的MATLAB工作空间获取输出数据。其中，期望信号设置为与被测信号基波同频的正弦信号。

图2 自适应去噪模块程序

图3为自适应去噪程序执行完毕后的操控面板。从中可以观察期望信号、采样信号以及去噪后输出信号的波形，并可对算法参数的值进行调节，使算法快速的达到最佳的滤波性能，提高了算法的实际应用性。

图3 自适应去噪模块操控面板

图4 网络传输模块客户端界面

2)网络传输模块

本文考虑到FOCT工作于高压环境中，开发了网络传输模块[9]，可为实际工程的需要提供重要依据。本模块主要通过LabVIEW提供的TCP/IP通信函数实现网络传输，其中服务器端主要负责远程采集和双Sigmoid函数自适应去噪，客户端主要接收服务器端发送的输出信号y和y_7以及两者的频谱数据。图4为网络传输模块客户端界面。可以很清楚地看到2种算法去噪后输出信号的波形，以及去噪后的频谱，实现了数据的网络通信。

3 结果分析

本文所采集的信号源是基波幅值为1 A、基频为50 Hz，10次以下谐波的正弦信号并带有FOCT的内部噪声和外部环境噪声。采样频率为4 kHz，采样数为2 000点。图5为客户端模块显示的文献[7]算法和本文改进算法滤波后输出信号的时域波形。

图5 信号时域波形对比

由图5可以看出文献[7]算法的去噪效果不是很理想，即稳态误差仍然很高，而输出信号y更接近期望信号d，说明本文改进的变步长自适应算法能更准确地还原被测电流信号，由此可以证明本文改进的变步长自适应算法测量准确度更高。

图6为文献[7]算法和本文改进算法输出信号的频域波形。可以看出本文的改进算法滤波效果更加明显，说明本文算法抗噪声干扰能力较强,证明本文提出的改进双Sigmoid函数变步长自适应算法在提高FOCT的抗噪声干扰能力方面更加优越。

4 结 论

本文提出了一种提高FOCT测量精度的改进双Sigmoid函数变步长自适应算法，并为了适应实际工程需要，利用ActiveX技术设计了一种自适应去噪和网络传输系统，通过该系统将本文提出的算法与现有的一种变步长自适应算法进行了比较，结果表明本文提出的算法抗噪声干扰能力更强，测量精度更高。并通过该系统实现了服务器端和客户端的网络通信，实现了测试数据的共享，为高压电网的测量提供了一种简单有效的方法。

图6 输出信号频谱