Analizador de espectros basado en redes neuronales. La presente invención consiste en un método y un dispositivo para el análisis espectral de señales periódicas.

El objetivo es permitir el análisis espectral de señales periódicas con precisión y alta flexibilidad. El nuevo método de análisis espectral se basa en técnicas de sine-fitting y en redes neuronales artificiales. La señal a analizar es muestreada en los instantes de tiempo correspondientes durante varios ciclos. Las muestras obtenidas son aplicadas como entradas a una red neuronal que proporciona los coeficientes de la serie de Fourier truncada correspondiente a la señal bajo análisis, con los cuales se establece el espectro de dicha señal. A su vez, la red neuronal también proporciona una estimación de la frecuencia fundamental de la señal bajo análisis. La aplicación del dispositivo es de interés en todos aquellos casos en que se quieran realizar análisis espectral es precisos con alta flexibilidad

Analizador de espectros basado en redes neuronales.

Sector de la técnica

La presente invención es de aplicación en todos aquellos casos en los que se requiera realizar un análisis espectral preciso y se desee un sistema flexible.

Estado de la técnica

No existen antecedentes sobre el uso de redes neuronales para realizar el análisis espectral preciso de señales sinusoidales y que obtengan una estimación de la frecuencia fundamental de la señal bajo análisis. Por otro lado, en cuanto al problema del análisis espectral de señales periódicas, existen múltiples invenciones al respecto, pero ninguna de ellas con la precisión y versatilidad de la presente invención. Las invenciones más destacadas se presentan a continuación:

En la patente ES 2 109 848 B1 se presenta un dispositivo para la vigilancia de la calidad del servicio de suministro de energía eléctrica, que consiste en un circuito electrónico que conectado a un punto de la red eléctrica puede determinar la calidad del servicio de suministró haciendo una medición de varias magnitudes eléctricas en redes contaminadas por armónicos. Las magnitudes medidas son los factores de distorsión y el contenido armónico de las ondas de tensión e intensidad, los verdaderos valores eficaces de las señales de tensión e intensidad, las potencias aparentes y activas, la verdadera potencia reactiva y el factor de potencia. A partir de estas medidas, la invención es capaz de proponer una posible mejora del suministro basándose en las medidas anteriores. En esta invención el análisis espectral necesario para realizar las medidas deseadas se realiza mediante la transformada discreta de Fourier, lo que, a diferencia de esta invención, requiere el uso de un sistema de lazo con enclavamiento de fase (PLL).

En la patente US 4301404 se presenta un dispositivo electrónico para el análisis espectral de señales de tensión alterna. Al igual que el sistema anterior, este sistema se basa en la transformada discreta de Fourier (DFT) para realizar el análisis espectral de las muestras obtenidas, por lo que incluye una circuitería específica para la generación de las señales de reloj apropiadas que consiguen que el muestreo abarque un número entero de periodos de la señal a analizar.

En la patente US 6408696B1 se presenta un dispositivo electrónico para la medida de la densidad espectral de potencias de señales sinusoidales o cuasi sinusoidales. El sistema usa la transformada de Fourier para el análisis espectral de la señal bajo medida por lo que requiere del uso de un sistema PLL.

En la patente ES 2 172 982 T3 se describe un procedimiento para la estimación de la frecuencia de una señal de tiempo. El método se basa en el uso de la transformación discreta de Fourier y la interpolación entre puntos del espectro para estimar la frecuencia de una señal de tiempo.

Descripción detallada de la invención

El presente invento introduce una solución novedosa al problema de realizar el análisis espectral de señales periódicas, y en particular, aunque no de forma exclusiva, un método y aparato para determinar el contenido armónico de, por ejemplo, la forma de onda de la tensión de red en un sistema de distribución de energía eléctrica.

El alejamiento de las condiciones sinusoidales en la red de distribución de energía eléctrica ha provocado un interés cada vez mayor en la búsqueda de métodos de medida de las magnitudes de potencia eléctrica que proporcionen una elevada precisión [S. Svensson, Power Measurement techniques for nonsinusoidal conditions, Doctoral Thesis, Chalmers University of Technology, Sweden,1999], [G. Ramm, H. Moser, and A. Braun, "A new scheme for generating and measuring active, reactive, and apparent power at power frequencies with uncertainties of 2.5ppm", IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 48, No. 2, April 1999], [U Pogliano, "Use of integrative analog-to-digital converters for high-precision measurement of electrical power", IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 50, No.5, pp.1315-1318, October 2001]. La mayoría de las soluciones planteadas a este problema pasan por la digitalización de las señales de tensión y corriente y su posterior procesamiento, generalmente en el dominio de la frecuencia, dado que el análisis frecuencial de dichas señales proporciona una mayor versatilidad a la hora de calcular las distintas magnitudes de potencia eléctrica de interés.

Dicho análisis frecuencial es realizado en la mayoría de los casos mediante algoritmos como la DFT o la transformada rápida de Fourier (FFT) [S. Svensson, Power Measurement techniques for nonsinusoidal conditions, Doctoral Thesis, Chalmers University of Technology, Sweden,1999], [G. Ramm, H. Moser, and A. Braun, "A new scheme for generating and measuring active, reactive, and apparent power at power frequencies with uncertainties of 2.5ppm", IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 48, No. 2, April 1999]. No obstante, dichos algoritmos imponen una serie de limitaciones a la etapa de muestreo, ya que para que el análisis espectral no introduzca errores en el cálculo de las magnitudes de interés, es necesario que se muestreen las señales de tensión y corriente durante un número entero de periodos de dichas señales. Esta necesidad lleva a la implementación de sistemas síncronos, es decir, sistemas en los que la etapa de generación de las señales de tensión y corriente y la etapa de muestreo de dichas señales comparten una base de tiempos común, ya sea por la propia construcción física del sistema del sistema, ya sea mediante el uso de técnicas como los PLL. Todo ello encarece y limita el sistema final de medida.

Para evitar la limitación del sincronismo en los algoritmos DFT o FFT, algunos autores han planteado el uso de las técnicas sine-fitting. El fundamento de dichas técnicas consiste en ajustar los coeficientes de una serie de Fourier truncada de orden K, Ecuación 1, de forma que la, energía de la diferencia entre la señal sintetizada con dicha serie de Fourier, y(t), y la señal baje análisis, x(t), sea mínima, tal y como se plantea en la Ecuación 2.

Existen múltiples versiones de los métodos sine-fitting. La más simple [IEEE Std 1057 1994 (R2001)] es la que se aplica cuando la señal bajo análisis es una señal sinusoidal y la frecuencia fundamental de dicha señal es conocida. En este caso, sólo es necesario calcular los coeficientes del seno y el coseno a frecuencia fundamental, A₁ y B₁ respectivamente, así como el valor de la componente de continua, DC. Este método es denominado Three Parameter Sine Fitting, 3PSF.

No obstante, cuando se trata de realizar medidas de elevada precisión en sistemas asíncronos, las diferencias entre las bases de tiempos del sistema de generación y el sistema de muestreo provocan que el método anterior no sea adecuado. Por ello, dicho método es modificado para obtener también una estimación de la frecuencia fundamental de la señal bajo análisis, f_est, método conocido como Four Parameter Sine Fitting, 4PSF.

Los anteriores métodos han sido generalizados [U. Pogliano, "Use of integrative analog-to-digital converters for high-precision measurement of electrical power", IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, Vol. 50, No.5, pp.1315- 1318, October 2001], [Ramos, P.M.; M. F. Silva; RCM Martins; A.C. Serra; "Simulation and Experimental Results of Multiharmonic Least-Squares Fitting Algorithms Applied to Periodic Signals", IEEE Trans. on Instrum. and Measurement, Vol. 55, No. 2, pp. 646 651, April, 2006] para el caso de señales periódicas no sinusoidales con un cierto contenido de armónicos. Si bien el número de parámetros devueltos por estos métodos es ahora distinto de 3 y/o 4, se han continuado denominando 3PSF y 4PSF. En este caso se establece el orden K, en función del conocimiento de que se dispone del contenido armónico de la señal bajo análisis, y se calculan los coeficientes de la componente continua y de los senos y cosenos desde el orden fundamental hasta el orden K. En el caso del 4PSF, también se obtiene una estimación de la frecuencia fundamental.

En todos los casos anteriores, la obtención de los coeficientes deseados se realiza, planteando el sistema de ecuaciones que minimiza la energía de la diferencia entre la señal sintetizada y la señal bajo análisis, Ecuación 2, en el que las incógnitas...

1. Método para el análisis espectral de señales basado la implementación de las técnicas de sine-fitting para señales periódicas con cierto contenido armónico caracterizado por estar basado en la implementación de la ecuación de síntesis de una señal mediante una serie de Fourier truncada de orden K mediante una red neuronal multicapa que implementa el método 4PSF de forma independiente respecto de la fase de la señal bajo análisis, x(t), y sin requerir la realización de un muestreo síncrono para resultar precisa.

2. Método para el análisis espectral de señales basado la implementación de las técnicas de sine-fitting para señales periódicas con cierto contenido armónico según la reivindicación anterior caracterizado porque una vez muestreada la señal a analizar, x(t), con una cierta frecuencia de muestreo, f_s, tal que se obtienen N muestras en M periodos de x(t), los datos de entrada al algoritmo son los instantes de muestreo, t[n] (nin[0, N-1]), y los valores de las muestras de la señal a analizar x(t), x[n] (nin[0, N-1]) en dichos instantes de tiempo.

3. Método para el análisis espectral de señales basado la implementación de las técnicas de sine-fitting para señales periódicas con cierto contenido armónico según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la red neuronal multicapa que comprende:

4. Dispositivo para el análisis espectral de señales periódicas caracterizado por implementar el método descrito según las reivindicaciones anteriores y que comprende:

5. Dispositivo para el análisis espectral de señales periódicas según la reivindicación anterior caracterizado porque al mismo se adapta una sonda de tensión alterna para conectar la tensión a analizar, estando dicho dispositivo controlado por un programa residente en su memoria interna y caracterizado porque realiza las operaciones de: