CN107576892A - 一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法 - Google Patents
一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，包括以下步骤：1)通过阈值法将现场测量数据分成信号和噪声帧；2)对噪声帧数据进行修正；3)获取修正后的噪声帧的FFT系数，并对FFT系数进行旋转变换；4)选取噪声帧频谱峰值点附近的3个点并获取其对应的FFT变换系数，并联立求解得到窄带干扰角频率的估计值；5)重构噪声帧的窄带干扰并从中消去得到仅含有白噪声的背景信号；6)计算白噪声方差的最大似然估计值；7)进一步重构并消去信号帧中的窄带干扰，得到仅包含脉冲信号和白噪声的信号；8)信号帧中的脉冲能量。与现有技术相比，本发明具有降低检测影响、提高检测的可靠性等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备局部放电检测技术领域，尤其是涉及一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法。
背景技术
绝缘故障是电力设备在运行中可能发生的最主要故障之一，电力设备发生绝缘故障前，一般都会有一个逐渐发展的局部放电过程，最终导致绝缘击穿。局部放电的现场检测可以为保障电力设备安全、稳定和可靠运行以及电力设备的状态检修提供技术支撑。局部放电脉冲能量值是表征局部放电的重要特征指标，常用于评估局部放电的严重程度。准确测量局部放电脉冲能量具有重要的现实意义。然而，局部放电现场检测过程中往往存在大量的噪声干扰，主要包括白噪声、周期性窄带干扰和脉冲型干扰3类，严重影响脉冲能量值的准确获取。其中窄带干扰和白噪声构成的混合背景干扰与局部放电脉冲直接重叠，是影响脉冲能量值测量的主要原因。
目前存在着多种局部放电信号的降噪处理方法，然而这些降噪方法多以取得高信噪比为目的，而非基于能量测量。现有常见的降噪手段是对信号进行不同频段分解后，选取其中信噪比高的频段同时舍弃信噪比低的部分，这意味着在降噪处理后，脉冲能量会发生变化，能量测量结果准确性会下降。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种降低检测影响、提高检测的可靠性的用于局部放电脉冲测量的降噪方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，用以获取脉冲能量，包括以下步骤：
1)通过阈值法将现场测量数据分成信号帧y(n)和噪声帧d(m)；
2)对噪声帧数据进行修正，得到修正后的噪声帧
3)获取修正后的噪声帧的FFT系数并对FFT系数进行旋转变换得到FFT变换系数
4)选取噪声帧频谱峰值点附近的3个点并获取其对应的FFT变换系数，并联立得到线性方程组，求解得到窄带干扰角频率的估计值
5)根据干扰角频率的估计值窄带干扰相位的估计值和幅值的估计值重构噪声帧的窄带干扰并从中消去得到仅含有白噪声的背景信号
6)计算白噪声方差的最大似然估计值
7)计算信号帧中的相位并进一步重构并消去信号帧中的窄带干扰，得到仅包含脉冲信号和白噪声的信号b(n)；
8)信号帧中的脉冲能量Es。
所述的步骤1)具体为：
将现场测量数据中脉冲峰值超过指定阈值的时间窗口内的数据划分为信号帧，剩余数据划分为噪声帧。
所述的步骤2)中，修正后的噪声帧的表达式为：
其中，M为噪声帧的采样总点数，m为采样点，β为积分边界的偏差修正系数。
所述的步骤4)中，联立后的线性方程组为：
其中，Δω＝2π/T，T为采样时间长度，和分别为窄带干扰及其导数在积分边界的差值项，l1、l2、l3分别为噪声帧频谱峰值点附近的3个采样点。
所述的窄带干扰相位的估计值和幅值的估计值的计算式为：
其中，为点lp的FFT系数，和分别代表取实部和虚部，sinc(x)＝sin(πx)/πx。
所述的步骤5)中，仅含有白噪声的背景信号的表达式为：
所述的步骤6)中，白噪声方差的最大似然估计值的计算式为：
其中，为背景信号的均值。
所述的信号b(n)的表达式为：
所述的脉冲能量Es的计算式为：
其中，B(k)为b(n)的FFT系数，λ为白噪声方差。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明引入了噪声帧和信号帧的概念，并结合参数估计理论，对局部放电脉冲能量测量结果进行降噪处理，能显著降低环境中的窄带干扰和白噪声对测量结果的影响，与传统降噪方法相比能够有效提高脉冲能量测量结果的准确性，从而提高了现场局部放电检测的可靠性和稳定性，有利于改善局部放电严重程度评估算法以及其他利用局部放电脉冲能量作为特征值的检测算法。
附图说明
图1是用于局部放电脉冲能量测量的降噪方法流程图。
图2是采样数据中的脉冲信号、混合背景噪声信号和两者的合成信号，其中，图(2a)为脉冲信号图，图(2b)为背景信号图，图(2c)为合成信号图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。如图1所示，本发明的用于局部放电脉冲能量测量的降噪方法，包括下述步骤：
(1)输入现场采样的局部放电数据并进行信号帧和噪声帧的划分。为评价结果的准确性，需预先获知脉冲能量真实值，故采用合成的方法构成现场采样局部放电数据，该数据由实验室的纯净电缆局部放电脉冲信号和现场采样的混合背景噪声信号合成，分别如图(2a)和图(2b)所示。信号采集方法为局部放电高频电流法，通过高频电流传感器获得信号，信号波形由Keysight DSO6104示波器记录，采样率为2GHz。合成信号如图(2c)所示，代表现场采样局部放电数据。图(2c)中同时划分了信号帧y(n)和噪声帧d(m)，其中计算窗口包含区别代表信号帧，其余部分为噪声帧。
(2)对噪声帧数据进行修正，得到修正后的噪声帧d(m)。
(3)对修正后的噪声帧d(m)进行FFT变换得到再进行旋转变换得到
(4)选取频谱峰值点周围的3个点l1、l2和l3，将对应的值和代入线性方程组求解窄带干扰角频率
本实施例中
(5)计算窄带干扰相位和幅值的估计值和
本实施例中
(6)利用估计的窄带干扰参数和重构噪声帧的窄带干扰并从中消去得到仅含有白噪声的背景信号
(7)计算白噪声方差的最大似然估计值
其中为信号的均值。本实施例中
(8)计算信号帧中的相位进一步重构并消去信号帧中的窄带干扰，得到仅包含脉冲信号和白噪声的信号b(n)。b(n)的FFT系数表示为B(k)，其中k＝0,1,2,…,N-1。
(9)计算信号帧中的脉冲能量Es：
本实施例中，利用本发明方法计算得到的脉冲能量Es＝152.31pJ。而真实的局部放电脉冲能量为146.35pJ，两者的相对误差仅为4.07％。作为对比，使用传统的小波包降噪方法得到的脉冲能量为81.750pJ，与真实值的相对误差达到了44.12％。说明本发明与传统降噪方法相比能够在噪声环境下获取更加准确的局部放电脉冲能量值，从而提高了现场局部放电检测的可靠性和稳定性。
本发明提供了一种用于局部放电脉冲能量测量的降噪方法，该方法将现场测量信号划分成信号帧和噪声帧，首先利用噪声帧获得混合背景噪声中窄带干扰和白噪声参数，再利用噪声参数求取信号帧中脉冲信号能量的最大似然估计，从而保持了脉冲能量的完整性。本发明引入了噪声帧和信号帧的概念，并结合参数估计理论，能够显著降低环境中的窄带干扰和白噪声对局部放电脉冲能量测量结果的影响，克服了现有降噪方法的不足，从而获得更加准确的局部放电脉冲能量值，提高了现场局部放电检测的可靠性和稳定性，有利于改善局部放电严重程度评估算法以及其他利用局部放电脉冲能量作为特征值的检测算法。
Claims (9)
1.一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，用以获取脉冲能量，其特征在于，包括以下步骤：
1)通过阈值法将现场测量数据分成信号帧y(n)和噪声帧d(m)；
2)对噪声帧数据进行修正，得到修正后的噪声帧
3)获取修正后的噪声帧的FFT系数并对FFT系数进行旋转变换得到FFT变换系数
4)选取噪声帧频谱峰值点附近的3个点并获取其对应的FFT变换系数，并联立得到线性方程组，求解得到窄带干扰角频率的估计值
5)根据干扰角频率的估计值窄带干扰相位的估计值和幅值的估计值重构噪声帧的窄带干扰并从中消去得到仅含有白噪声的背景信号
6)计算白噪声方差的最大似然估计值
7)计算信号帧中的相位并进一步重构并消去信号帧中的窄带干扰，得到仅包含脉冲信号和白噪声的信号b(n)；
8)信号帧中的脉冲能量Es。
2.根据权利要求1所述的一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：
将现场测量数据中脉冲峰值超过指定阈值的时间窗口内的数据划分为信号帧，剩余数据划分为噪声帧。
3.根据权利要求1所述的一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，其特征在于，所述的步骤2)中，修正后的噪声帧的表达式为：
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其中，M为噪声帧的采样总点数，m为采样点，β为积分边界的偏差修正系数。
4.根据权利要求1所述的一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，其特征在于，所述的步骤4)中，联立后的线性方程组为：
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其中，Δω＝2π/T，T为采样时间长度，和分别为窄带干扰及其导数在积分边界的差值项，l1、l2、l3分别为噪声帧频谱峰值点附近的3个采样点。
5.根据权利要求4所述的一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，其特征在于，所述的窄带干扰相位的估计值和幅值的估计值的计算式为：
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其中，为点lp的FFT系数，和分别代表取实部和虚部，sinc(x)＝sin(πx)/πx。
6.根据权利要求5所述的一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，其特征在于，所述的步骤5)中，仅含有白噪声的背景信号的表达式为：
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7.根据权利要求6所述的一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，其特征在于，所述的步骤6)中，白噪声方差的最大似然估计值的计算式为：
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8.根据权利要求7所述的一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，其特征在于，所述的信号b(n)的表达式为：
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<mi>y</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>n</mi>
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</mrow>
<mo>-</mo>
<msub>
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<mi>A</mi>
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</mover>
<mi>i</mi>
</msub>
<mi>c</mi>
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<mo>(</mo>
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<mi>i</mi>
</msub>
<mi>T</mi>
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<mi>n</mi>
<mi>N</mi>
</mfrac>
<mo>+</mo>
<msub>
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<mi>&phi;</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>.</mo>
</mrow>
9.根据权利要求8所述的一种用于局部放电脉冲测量的降噪方法，其特征在于，所述的脉冲能量Es的计算式为：
<mrow>
<msub>
<mi>E</mi>
<mi>s</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>N</mi>
</mfrac>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>k</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
<mrow>
<mi>N</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
</mrow>
</munderover>
<mo>|</mo>
<mi>B</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>k</mi>
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</mrow>
<msup>
<mo>|</mo>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>-</mo>
<mi>&lambda;</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>N</mi>
<mo>-</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，B(k)为b(n)的FFT系数，λ为白噪声方差。
Priority Applications (1)
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Cited By (2)
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| CN109580085A (zh) * | 2018-10-17 | 2019-04-05 | 广州中海达定位技术有限公司 | 一种基于振弦式传感器的抗噪声测量方法、电子设备及存储介质 |
| CN113433437A (zh) * | 2021-06-28 | 2021-09-24 | 华北电力大学 | 一种提取放电电流脉冲的方法及系统 |
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- 2017-07-26 CN CN201710618631.3A patent/CN107576892A/zh active Pending
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