CN111680604A - 一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法和系统 - Google Patents

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CN111680604A CN202010487252.7A CN202010487252A CN111680604A CN 111680604 A CN111680604 A CN 111680604A CN 202010487252 A CN202010487252 A CN 202010487252A CN 111680604 A CN111680604 A CN 111680604A
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Abstract

本发明的实施例公开一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法和系统，所述方法包括：步骤101获取按时间顺序采集的信号序列S；步骤102求取Fatemi常数c；步骤103求取Fatemi前向矩阵A；步骤104求取滤除了噪声的信号序列Snew。

Description

一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法和系统
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其涉及一种变压器振声检测信号的滤波方法和系统。
背景技术
随着智能电网的高速发展，电力设备安全稳定运行显得尤其重要。目前，对超高压及以上电压等级的电力设备开展运行状态检测，尤其是对异常状态的检测显得愈加重要和迫切。电力变压器作为电力系统的重要组成部分，是变电站中最重要的电气设备之一，其可靠运行关系到电网的安全。一般而言，变压器的异常状态可分为铁芯异常与绕组异常。铁芯异常主要表现为铁芯饱和，绕组异常通常包括绕组变形、绕组松动等。
变压器异常状态检测的基本原理是提取变压器运行中的各特征量，分析、辨识并跟踪特征量以此监测变压器的异常运行状态。检测方法按照接触程度可分为侵入式检测和非侵入式检测；按照是否需停机检测可分为带电检测和停电检测；按照检测量类型可以分为电气量法和非电气量法等。相比而言，非侵入式检测可移植性强，安装更方便；带电检测不影响变压器运行；非电气量法与电力系统无电气连接，更为安全。当前变压器运行状态的常用检测方法中，包括检测局部放电的脉冲电流法和超声波检测法、检测绕组变形的频率响应法以及检测机械及电气故障的振动检测法等。这些检测方法主要检测变压器绝缘状况及机械结构状况，其中以变压器振动信号(振声)的检测最为全面，对于大部分变压器故障及异常状态均能有所反应。
变压器在运行过程中，铁芯硅钢片的磁致伸缩与绕组电动力引起的振动会向四周辐射不同幅值和频率的振声信号。变压器正常运行时对外发出的是均匀的低频噪声；如果发出不均匀声音，则属不正常现象。变压器在不同运行状态下会发出有区别性的声音，可通过对其发出声音的检测，掌握变压器的运行状况。值得关注的是，对变压器不同运行状态下发出声音的检测不仅可以检测很多种引起电气量变化的严重故障，还可以检测许多并未危及绝缘的没有引起电气量变化的异常状态，比如变压器内外部零部件松动等。
由于振声检测方法利用了变压器发出的震动信号，很容易受到环境噪声的影响，因此如何有效地识别振声与噪声，是此方法能否成功的关键。
发明内容
由于振声检测方法利用了变压器发出的震动信号，很容易受到环境噪声的影响，因此如何有效地识别振声与噪声，是此方法能否成功的关键。
本发明的目的是提供一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法和系统，所提出的方法利用了变压器振声信号、脉冲噪声以及背景噪声来自不同信源的特性，根据Fatemi条件性质，实现背景噪声(包括异常点)和脉冲噪声的分离和滤除。所提出的方法具有较好的鲁棒性，计算也较为简单。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法，包括：
步骤101获取按时间顺序采集的信号序列S；
步骤102求取Fatemi常数c，具体为：判断Fatemi矢量b中的第n个元素bn是否大于或者等于
Figure BDA0002519614120000021
得到第一判断结果。如果所述第一判断结果显示所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn大于或者等于
Figure BDA0002519614120000022
则将所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn加入到Fatemi集合
Figure BDA00025196141200000216
中；选取所述Fatemi集合
Figure BDA00025196141200000217
中的最小元素作为所述Fatemi常数c。其中，SNR为所述信号序列S的信噪比；σ0为所述信号序列S的均方差；σb为所述Fatemi矢量b的均方差；所述Fatemi矢量b的求解公式为：b＝UΓ；U为归一化矩阵B的右特征矢量矩阵；Γ为所述归一化矩阵B的特征值矩阵；所述归一化平均矩阵B的求取公式为
Figure BDA0002519614120000023
步骤103求取Fatemi前向矩阵A，所述Fatemi前向矩阵A的求取公式为：A＝UΓ*V。其中，V为所述归一化平均矩阵B的左特征矢量矩阵；Γ*为所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵，所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的求取方法为：如果所述归一化平均矩阵B的特征值矩阵Γ的第n个对角线元素γn大于或者等于
Figure BDA0002519614120000024
则所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的第n个对角线元素
Figure BDA0002519614120000025
为
Figure BDA0002519614120000026
否则
Figure BDA0002519614120000027
n为特征值序号，所述特征值序号n的取值范围为n＝1,2,···,N；N为所述信号序列S的长度；
步骤104求取滤除了噪声的信号序列Snew，
Figure BDA0002519614120000028
其中，x为中间参数矢量。
一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波系统，包括：
模块201获取按时间顺序采集的信号序列S；
模块202求取Fatemi常数c，具体为：判断Fatemi矢量b中的第n个元素bn是否大于或者等于
Figure BDA0002519614120000029
得到第一判断结果。如果所述第一判断结果显示所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn大于或者等于
Figure BDA00025196141200000210
则将所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn加入到Fatemi集合
Figure BDA00025196141200000218
中；选取所述Fatemi集合
Figure BDA00025196141200000219
中的最小元素作为所述Fatemi常数c。其中，SNR为所述信号序列S的信噪比；σ0为所述信号序列S的均方差；σb为所述Fatemi矢量b的均方差；所述Fatemi矢量b的求解公式为：b＝UΓ；U为归一化矩阵B的右特征矢量矩阵；Γ为所述归一化矩阵B的特征值矩阵；所述归一化平均矩阵B的求取公式为
Figure BDA00025196141200000211
模块203求取Fatemi前向矩阵A，所述Fatemi前向矩阵A的求取公式为：A＝UΓ*V。其中，V为所述归一化平均矩阵B的左特征矢量矩阵；Γ*为所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵，所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的求取方法为：如果所述归一化平均矩阵B的特征值矩阵Γ的第n个对角线元素γn大于或者等于
Figure BDA00025196141200000212
则所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的第n个对角线元素
Figure BDA00025196141200000213
为
Figure BDA00025196141200000214
否则
Figure BDA00025196141200000215
n为特征值序号，所述特征值序号n的取值范围为n＝1,2,···,N；N为所述信号序列S的长度；
模块204求取滤除了噪声的信号序列Snew，
Figure BDA0002519614120000031
其中，x为中间参数矢量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
由于振声检测方法利用了变压器发出的震动信号，很容易受到环境噪声的影响，因此如何有效地识别振声与噪声，是此方法能否成功的关键。
本发明的目的是提供一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法和系统，所提出的方法利用了变压器振声信号、脉冲噪声以及背景噪声来自不同信源的特性，根据Fatemi条件性质，实现背景噪声(包括异常点)和脉冲噪声的分离和滤除。所提出的方法具有较好的鲁棒性，计算也较为简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的系统流程示意图；
图3为本发明的具体实施案例流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法的流程示意图
图1为本发明一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法的流程示意图。如图1所示，所述的一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法具体包括以下步骤：
步骤101获取按时间顺序采集的信号序列S；
步骤102求取Fatemi常数c，具体为：判断Fatemi矢量b中的第n个元素bn是否大于或者等于
Figure BDA0002519614120000032
得到第一判断结果。如果所述第一判断结果显示所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn大于或者等于
Figure BDA0002519614120000033
则将所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn加入到Fatemi集合
Figure BDA0002519614120000034
中；选取所述Fatemi集合
Figure BDA0002519614120000035
中的最小元素作为所述Fatemi常数c。其中，SNR为所述信号序列S的信噪比；σ0为所述信号序列S的均方差；σb为所述Fatemi矢量b的均方差；所述Fatemi矢量b的求解公式为：b＝UΓ；U为归一化矩阵B的右特征矢量矩阵；Γ为所述归一化矩阵B的特征值矩阵；所述归一化平均矩阵B的求取公式为
Figure BDA0002519614120000036
步骤103求取Fatemi前向矩阵A，所述Fatemi前向矩阵A的求取公式为：A＝UΓ*V。其中，V为所述归一化平均矩阵B的左特征矢量矩阵；Γ*为所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵，所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的求取方法为：如果所述归一化平均矩阵B的特征值矩阵Γ的第n个对角线元素γn大于或者等于
Figure BDA0002519614120000041
则所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的第n个对角线元素
Figure BDA0002519614120000042
为
Figure BDA0002519614120000043
否则
Figure BDA0002519614120000044
n为特征值序号，所述特征值序号n的取值范围为n＝1,2,···,N；N为所述信号序列S的长度；
步骤104求取滤除了噪声的信号序列Snew，
Figure BDA0002519614120000045
其中，x为中间参数矢量。
图2一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波系统的结构意图
图2为本发明一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波系统的结构示意图。如图2所示，所述一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波系统包括以下结构：
模块201获取按时间顺序采集的信号序列S；
模块202求取Fatemi常数c，具体为：判断Fatemi矢量b中的第n个元素bn是否大于或者等于
Figure BDA0002519614120000046
得到第一判断结果。如果所述第一判断结果显示所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn大于或者等于
Figure BDA0002519614120000047
则将所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn加入到Fatemi集合
Figure BDA0002519614120000048
中；选取所述Fatemi集合
Figure BDA0002519614120000049
中的最小元素作为所述Fatemi常数c。其中，SNR为所述信号序列S的信噪比；σ0为所述信号序列S的均方差；σb为所述Fatemi矢量b的均方差；所述Fatemi矢量b的求解公式为：b＝UΓ；U为归一化矩阵B的右特征矢量矩阵；Γ为所述归一化矩阵B的特征值矩阵；所述归一化平均矩阵B的求取公式为
Figure BDA00025196141200000410
模块203求取Fatemi前向矩阵A，所述Fatemi前向矩阵A的求取公式为：A＝UΓ*V。其中，V为所述归一化平均矩阵B的左特征矢量矩阵；Γ*为所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵，所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的求取方法为：如果所述归一化平均矩阵B的特征值矩阵Γ的第n个对角线元素γn大于或者等于
Figure BDA00025196141200000411
则所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的第n个对角线元素
Figure BDA00025196141200000412
为
Figure BDA00025196141200000413
否则
Figure BDA00025196141200000414
n为特征值序号，所述特征值序号n的取值范围为n＝1,2,···,N；N为所述信号序列S的长度；
模块204求取滤除了噪声的信号序列Snew，
Figure BDA00025196141200000415
其中，x为中间参数矢量。
下面提供一个具体实施案例，进一步说明本发明的方案
图3为本发明具体实施案例的流程示意图。如图3所示，具体包括以下步骤：
步骤301获取按时间顺序采集的信号序列S；
步骤302求取Fatemi常数c，具体为：判断Fatemi矢量b中的第n个元素bn是否大于或者等于
Figure BDA0002519614120000051
得到第一判断结果。如果所述第一判断结果显示所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn大于或者等于
Figure BDA0002519614120000052
则将所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn加入到Fatemi集合
Figure BDA0002519614120000053
中；选取所述Fatemi集合
Figure BDA0002519614120000054
中的最小元素作为所述Fatemi常数c。其中，SNR为所述信号序列S的信噪比；σ0为所述信号序列S的均方差；σb为所述Fatemi矢量b的均方差；所述Fatemi矢量b的求解公式为：b＝UΓ；U为归一化矩阵B的右特征矢量矩阵；Γ为所述归一化矩阵B的特征值矩阵；所述归一化平均矩阵B的求取公式为
Figure BDA0002519614120000055
步骤303求取Fatemi前向矩阵A，所述Fatemi前向矩阵A的求取公式为：A＝UΓ*V。其中，V为所述归一化平均矩阵B的左特征矢量矩阵；Γ*为所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵，所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的求取方法为：如果所述归一化平均矩阵B的特征值矩阵Γ的第n个对角线元素γn大于或者等于
Figure BDA0002519614120000056
则所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的第n个对角线元素
Figure BDA0002519614120000057
为
Figure BDA0002519614120000058
否则
Figure BDA0002519614120000059
n为特征值序号，所述特征值序号n的取值范围为n＝1,2,···,N；N为所述信号序列S的长度；
步骤304求取滤除了噪声的信号序列
Figure BDA00025196141200000510
其中，x为中间参数矢量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述较为简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.所述一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波方法，其特征在于，包括：
步骤101 获取按时间顺序采集的信号序列S；
步骤102 求取Fatemi常数c，具体为：判断Fatemi矢量b中的第n个元素bn是否大于或者等于
Figure FDA0002519614110000011
得到第一判断结果。如果所述第一判断结果显示所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn大于或者等于
Figure FDA0002519614110000012
则将所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn加入到Fatemi集合
Figure FDA0002519614110000013
中；选取所述Fatemi集合
Figure FDA0002519614110000014
中的最小元素作为所述Fatemi常数c。其中，SNR为所述信号序列S的信噪比；σ0为所述信号序列S的均方差；σb为所述Fatemi矢量b的均方差；所述Fatemi矢量b的求解公式为：b＝UΓ；U为归一化矩阵B的右特征矢量矩阵；Γ为所述归一化矩阵B的特征值矩阵；所述归一化平均矩阵B的求取公式为
Figure FDA0002519614110000015
步骤103 求取Fatemi前向矩阵A，所述Fatemi前向矩阵A的求取公式为：A＝UΓ*V。其中，V为所述归一化平均矩阵B的左特征矢量矩阵；Γ*为所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵，所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的求取方法为：如果所述归一化平均矩阵B的特征值矩阵Γ的第n个对角线元素γn大于或者等于
Figure FDA0002519614110000016
则所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的第n个对角线元素
Figure FDA0002519614110000017
为
Figure FDA0002519614110000018
否则
Figure FDA0002519614110000019
n为特征值序号，所述特征值序号n的取值范围为n＝1,2,···,N；N为所述信号序列S的长度；
步骤104 求取滤除了噪声的信号序列Snew，
Figure FDA00025196141100000110
其中，x为中间参数矢量。
2.所述一种利用Fatemi条件的振声检测信号滤波系统，其特征在于，包括：
模块201 获取按时间顺序采集的信号序列S；
模块202 求取Fatemi常数c，具体为：判断Fatemi矢量b中的第n个元素bn是否大于或者等于
Figure FDA00025196141100000111
得到第一判断结果。如果所述第一判断结果显示所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn大于或者等于
Figure FDA00025196141100000112
则将所述Fatemi矢量b中的第n个元素bn加入到Fatemi集合
Figure FDA00025196141100000113
中；选取所述Fatemi集合
Figure FDA00025196141100000114
中的最小元素作为所述Fatemi常数c。其中，SNR为所述信号序列S的信噪比；σ0为所述信号序列S的均方差；σb为所述Fatemi矢量b的均方差；所述Fatemi矢量b的求解公式为：b＝UΓ；U为归一化矩阵B的右特征矢量矩阵；Γ为所述归一化矩阵B的特征值矩阵；所述归一化平均矩阵B的求取公式为
Figure FDA00025196141100000115
模块203 求取Fatemi前向矩阵A，所述Fatemi前向矩阵A的求取公式为：A＝UΓ*V。其中，V为所述归一化平均矩阵B的左特征矢量矩阵；Γ*为所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵，所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的求取方法为：如果所述归一化平均矩阵B的特征值矩阵Γ的第n个对角线元素γn大于或者等于
Figure FDA0002519614110000021
则所述Fatemi前向矩阵A的特征值矩阵Γ*的第n个对角线元素
Figure FDA0002519614110000022
为
Figure FDA0002519614110000023
否则
Figure FDA0002519614110000024
n为特征值序号，所述特征值序号n的取值范围为n＝1,2,···,N；N为所述信号序列S的长度；
模块204 求取滤除了噪声的信号序列Snew，
Figure FDA0002519614110000025
其中，x为中间参数矢量。
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