CN107153155A - 一种电缆局部放电信号特征向量提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电缆局部放电信号特征向量提取方法。一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，对已知来源的电缆局部放电信号分别进行小波包分解和经验模态分解，并分别构建相应的向量，最后将得到的两个向量合并组成电缆局部放电信号的特征向量。本发明提供的方法结合了小波包分解和经验模态分解的优势，提取的特征向量能够更好表征电缆局部放电信号。

Description

一种电缆局部放电信号特征向量提取方法

技术领域

本发明涉及电缆局部放电在线监测技术领域，更具体的涉及一种电缆局部放电信号特征向量提取方法。

背景技术

电缆局部放电在线监测中，检测到的局部放电信号可能来自电缆本体和电缆终端头，也可能来自与其相连的开关柜。由于不同来源的局部放电对设备危害不同，判断标准也不同，所以对局部放电信号来源进行识别有重要的现实意义。

在局部放电信号识别方面，信号特征提取和分类器选择是最关键部分。特征提取是局部放电信号识别第一步，特征提取的好坏直接影响到识别的效果。在特征提取方法中，小波分析法由于具有良好的局部时频特性，已广泛应用于局部放电信号的特征提取，但其容易收到噪声的影响，且基小波难于选择。而经验模式分解(empirical modedecomposition，EMD)方法基于信号的局部特征时间尺度，能把非平稳信号分解为有限的基本模态分量(intrinsic modefunction,IMF)之和，是一种自适应的信号处理方法，适合非线性和非平稳过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，该方法结合了小波包分解和经验模式分解的优势，提取的特征向量能够更好表征局部放电信号。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，其中，包括以下步骤：

(1)获取已知来源的电缆局部放电信号；

(2)对已知来源的各个电缆局部放电信号进行经验模态分解，得到各个固有模态函数分量，计算各个固有模态函数分量的对数能量熵，并构建相应的向量；

(3)对已知来源的各个电缆局部放电信号进行小波包分解，得到各个子频带上的小波包系数，计算各个子频带上小波包系数的对数能量熵，并构建相应的向量；

(4)将步骤(2)和步骤(3)得到的向量合并，组成电缆局部放电信号的特征向量。

本发明中，所述已知来源的电缆局部放电信号包括电缆本体局部放电信号、电缆终端头局部放电信号、开关柜的电晕放电信号和开关柜的表面放电信号。

进一步的，所述对已知来源的各个电缆局部放电信号进行经验模态分解，得到各个固有模态函数分量，计算各个固有模态函数分量的对数能量熵，并构建相应的向量的步骤为：

A.电缆局部放电信号进行经验模态分解步骤如下：

1)对于给定的一个电缆局部放电信号x(t)，求出其所有局部极大值和局部极小值；

2)对这些极值点进行三次样条插值，得到由所有局部极大值点构成的上包络线和所有局部极小值点构成的下包络线，分别记为e_max(t)和e_min(t)；并计算上、下包络线的均值m(t)＝(e_max(t)+e_min(t))/2；

3)提取细节d(t)＝x(t)-m(t)，如果d(t)满足在整个数据序列中，极值点的数量与过零点的数量相等或者至多相差1个，且关于时间轴局部对称，则d(t)为第一个固有模态函数(IMF)分量；否则，以d(t)为输入重复步骤1)至步骤2)，直到得到第一个IMF分量，记为IMF₁(t)；

4)记余项r₁(t)＝x(t)-IMF₁(t)，并作为新的新的待分析信号重复步骤1)至步骤3)，以得到第二个IMF分量，记为IMF₂(t)，此时，余项r₂(t)＝r₁(t)-IMF₂(t)；重复上述步骤，直到得到的余项r_n(t)是一个单调信号或其值小于某个预先给定的阈值时，分解结束；

5)最后，得到n个IMF分量IMF₁(t)，IMF₂(t)…IMF_n(t)及余项r_n(t)，于是电缆局部放电信号x(t)可以表示为：

B.对于每一个IMF分量，按下式计算其对数能量熵：

式中，IMF_i为第i个IMF分量，T为IMF_i的长度，即电缆局部放电信号x(t)的长度，W_EE(IMF_i)为第i个IMF分量IMF_i的对数能量熵；

C.根据计算得到的各个IMF分量对数能量熵，构建相应的向量λ₁：

λ₁＝[W_EE(IMF₁),W_EE(IMF₂),.....,W_EE(IMF_n)]

进一步的，所述对已知来源的各个电缆局部放电信号进行小波包分解，得到各个子频带上的小波包系数；计算各个子频带上小波包系数的对数能量熵，并构建相应的向量的步骤为：

A.对电缆局部放电信号进行l层小波包分解，得到2^l个子频带上的小波包系数，记为W₁(k)，W₂(k)….W_J(k)，J＝2^l；

B.对于每一个子频带上的小波包系数，按下式计算其对数能量熵：

式中，W_j为第j个子频带上的小波包系数，K为每个子频带上小波包系数的长度，W_EE(W_j)为第j个子频带上小波包系数W_j的对数能量熵；

C.根据计算得到的各个子频带上小波包系数的对数能量熵，构建相应的向量λ₂：

λ₂＝[W_EE(W₁),W_EE(W₂),.....,W_EE(W_J)]

进一步的，所述将步骤(2)和步骤(3)得到的向量合并，组成电缆局部放电信号的特征向量的步骤为：

λ＝[b₁λ₁,b₂λ₂]

式中，λ为电缆局部放电信号的特征向量；b₁，b₂为向量系数。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

本发明提供的一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，对已知来源的电缆局部放电信号分别进行小波包分解和经验模态分解，并分别构建相应的向量，最后将得到的两个向量合并组成电缆局部放电信号的特征向量，该方法结合了小波包分解和经验模态分解的优势，提取的特征向量能够更好表征电缆局部放电信号。

附图说明

图1为本发明的一种电缆局部放电信号特征向量提取方法的流程示意图。

图2为电缆本体局部放电信号波形图。

图3为电缆终端头局部放电信号波形图。

图4为开关柜电晕放电信号波形图。

图5为开关柜表面放电信号波形图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取已知来源的电缆局部放电信号。本实施例中，所述已知来源的局部放电信号包括电缆本体局部放电信号、电缆终端头局部放电信号、开关柜中的电晕放电信号和开关柜中的表面放电信号。如图2到图5所示的波形图，波形的采样频率为100MHz，每个波形的时域长度为1500个采样点。

(2)对已知来源的各个电缆局部放电信号进行经验模态分解，得到各个固有模态函数分量；计算各个固有模态函数分量的对数能量熵，并构建相应的向量。

具体地，包括如下步骤：

A.对电缆局部放电信号进行经验模态分解，步骤如下：

1)对于给定的一个电缆局部放电信号x(t)，求出其所有局部极大值和局部极小值；

2)对这些极值点进行三次样条插值，得到由所有局部极大值点构成的上包络线和所有局部极小值点构成的下包络线，分别记为e_max(t)和e_min(t)；并计算上、下包络线的均值m(t)＝(e_max(t)+e_min(t))/2；

3)提取细节d(t)＝x(t)-m(t)，如果d(t)满足在整个数据序列中，极值点的数量与过零点的数量相等或者至多相差1个，且关于时间轴局部对称，则d(t)为第一个固有模态函数(IMF)分量；否则，以d(t)为输入重复步骤1)至步骤2)，直到得到第一个IMF分量，记为IMF₁(t)；

4)记余项r₁(t)＝x(t)-IMF₁(t)，并作为新的新的待分析信号重复步骤1)至步骤3)，以得到第二个IMF分量，记为IMF₂(t)，此时，余项r₂(t)＝r₁(t)-IMF₂(t)；重复上述步骤，直到得到的余项r_n(t)是一个单调信号或其值小于某个预先给定的阈值时，分解结束。

5)最后，得到n个IMF分量IMF₁(t)，IMF₂(t)…IMF_n(t)及余项r_n(t)，于是电缆局部放电信号x(t)可以表示为：

B.对于每一个IMF分量，按下式计算其对数能量熵：

式中，IMF_i为第i个IMF分量，T为IMF_i的长度，即电缆局部放电信号x(t)的长度，W_EE(IMF_i)为第i个IMF分量IMF_i的对数能量熵；

C.根据计算得到的各个IMF分量对数能量熵，构建相应的向量λ₁：

λ₁＝[W_EE(IMF₁),W_EE(IMF₂),.....,W_EE(IMF_n)]

(3)对已知来源的各个电缆局部放电信号进行小波包分解，得到各个子频带上的小波包系数；计算各个子频带上小波包系数的对数能量熵，并构建相应的向量。

具体地，包括如下步骤：

A.对电缆局部放电信号进行3层小波包分解，得到8个子频带上的小波包系数，记为W₁(k)，W₂(k)….W_J(k)，J＝8；

B.对于每一个子频带上的小波包系数，按下式计算其对数能量熵：

式中，W_j为第j个子频带上的小波包系数，K为每个子频带上小波包系数的长度，W_EE(W_j)为第j个子频带上小波包系数W_j的对数能量熵；

C.根据计算得到的各个子频带上小波包系数的对数能量熵，构建相应的向量λ₂：

λ₂＝[W_EE(W₁),W_EE(W₂),.....,W_EE(W_J)]

(4)将步骤(2)和步骤(3)得到的向量合并，组成电缆局部放电信号的特征向量。

具体地，包括如下步骤：

λ＝[b₁λ₁,b₂λ₂]

式中，λ为电缆局部放电信号的特征向量；b₁，b₂为向量系数。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取已知来源的电缆局部放电信号；

(2)对已知来源的各个电缆局部放电信号进行经验模态分解，得到各个固有模态函数分量，计算各个固有模态函数分量的对数能量熵，并构建相应的向量；

(3)对已知来源的各个电缆局部放电信号进行小波包分解，得到各个子频带上的小波包系数，计算各个子频带上小波包系数的对数能量熵，并构建相应的向量；

(4)将步骤(2)和步骤(3)得到的向量合并，组成电缆局部放电信号的特征向量。

2.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，其特征在于，所述已知来源的电缆局部放电信号包括电缆本体局部放电信号、电缆终端头局部放电信号、开关柜的电晕放电信号和开关柜的表面放电信号。

3.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，其特征在于，所述对已知来源的各个电缆局部放电信号进行经验模态分解，得到各个固有模态函数分量，计算各个固有模态函数分量的对数能量熵，并构建相应的向量的步骤为：

A.电缆局部放电信号进行经验模态分解步骤如下：

1)对于给定的一个电缆局部放电信号x(t)，求出其所有局部极大值和局部极小值；

2)对这些极值点进行三次样条插值，得到由所有局部极大值点构成的上包络线和所有局部极小值点构成的下包络线，分别记为e_max(t)和e_min(t)；并计算上、下包络线的均值m(t)＝(e_max(t)+e_min(t))/2；

3)提取细节d(t)＝x(t)-m(t)，如果d(t)满足在整个数据序列中，极值点的数量与过零点的数量相等或者至多相差1个，且关于时间轴局部对称，则d(t)为第一个固有模态函数(IMF)分量；否则，以d(t)为输入重复步骤1)至步骤2)，直到得到第一个IMF分量，记为IMF₁(t)；

4)记余项r₁(t)＝x(t)-IMF₁(t)，并作为新的新的待分析信号重复步骤1)至步骤3)，以得到第二个IMF分量，记为IMF₂(t)，此时，余项r₂(t)＝r₁(t)-IMF₂(t)；重复上述步骤，直到得到的余项r_n(t)是一个单调信号或其值小于某个预先给定的阈值时，分解结束；

5)最后，得到n个IMF分量IMF₁(t)，IMF₂(t)…IMF_n(t)及余项r_n(t)，于是电缆局部放电信号x(t)可以表示为：

B.对于每一个IMF分量，按下式计算其对数能量熵：

式中，IMF_i为第i个IMF分量，T为IMF_i的长度，即电缆局部放电信号x(t)的长度，W_EE(IMF_i)为第i个IMF分量IMF_i的对数能量熵；

C.根据计算得到的各个IMF分量对数能量熵，构建相应的向量λ₁：

λ₁＝[W_EE(IMF₁),W_EE(IMF₂),.....,W_EE(IMF_n)] 。

4.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，其特征在于，所述对已知来源的各个电缆局部放电信号进行小波包分解，得到各个子频带上的小波包系数；计算各个子频带上小波包系数的对数能量熵，并构建相应的向量的步骤为：

A.对电缆局部放电信号进行l层小波包分解，得到2^l个子频带上的小波包系数，记为W₁(k)，W₂(k)….W_J(k)，J＝2^l；

B.对于每一个子频带上的小波包系数，按下式计算其对数能量熵：

式中，W_j为第j个子频带上的小波包系数，K为每个子频带上小波包系数的长度，W_EE(W_j)为第j个子频带上小波包系数W_j的对数能量熵；

C.根据计算得到的各个子频带上小波包系数的对数能量熵，构建相应的向量λ₂：

λ₂＝[W_EE(W₁),W_EE(W₂),.....,W_EE(W_J)] 。

5.根据权利要求1所述的一种电缆局部放电信号特征向量提取方法，其特征在于，所述将步骤(2)和步骤(3)得到的向量合并，组成电缆局部放电信号的特征向量的步骤为：

λ＝[b₁λ₁,b₂λ₂]

式中，λ为电缆局部放电信号的特征向量；b₁，b₂为向量系数。