CN113640660A - 一种有载分接开关振动信号的降噪方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有载分接开关振动信号的降噪方法及设备，该方法包括设置多个惩罚因子参数值；利用每个惩罚因子参数值对有载分接开关振动信号分别进行变分模态分解，得到每个惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号；从有载分接开关振动信号中分别剔除每个惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号，得到每个惩罚因子参数值对应的降噪振动信号；分别计算每个惩罚因子参数值对应的降噪振动信号中的噪声水平值；对噪声水平值最小的降噪振动信号进行重构，得到降噪后的有载分接开关振动信号。本发明能够有效剔除运行状态下有载分接开关振动信号中由变压器铁芯和绕组电动力引起的振动噪声，从而提高对有载分接开关状态估计的准确性。

Description

一种有载分接开关振动信号的降噪方法及设备

技术领域

本发明涉及电力设备维护保障技术领域，尤其涉及一种有载分接开关振动信号的降噪方法及设备。

背景技术

有载分接开关被广泛应用于各类电力变压器中，起着有载调压的关键作用，一旦发生故障，往往会导致严重的后果。有载分接开关是变压器中唯一能够动作的机构，具有复杂的机械结构和电气特性，其故障可分为机械故障和电气故障。根据统计，有载分接开关的机械故障占比80％以上，且电气故障通常也是由机械故障演化而来。因此，针对有载分接开关的机械状态进行评估和监测具有重要的意义。

目前而言，针对有载分接开关的机械状态监测，多采用振动信号、声音信号等非侵入的方式。有载分接开关通常情况下安装在变压器箱体内部，其顶盖固定在变压器箱体上方。在正常运行情况下，加速度传感器采集到的有载分接开关的振动信号不仅包含有载分接开关电动机构和切换开关动作时的振动，还包含有变压器铁芯和绕组在电动力作用下产生的振动噪声。该振动噪声的水平随着变压器负荷的增加而增加，在用电高峰期甚至能够淹没有切换开关动作产生的振动信号。因此，为了保障在线监测系统能够有效的识别出有载分接开关的运行状态，有必要对该振动噪声进行剔除。现有的降噪方法多基于低通滤波原理，但有载分接开关的振动噪声频率是两倍工频的倍频，相较于振动信号而言，整体处于低频带，因此低通滤波原理无法有效剔除振动噪声。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是：提供一种有载分接开关振动信号的降噪方法及设备，能够有效剔除运行状态下有载分接开关振动信号中由变压器铁芯和绕组电动力引起的振动噪声，从而提高对有载分接开关状态估计的准确性。

为了达到上述目的，本发明一方面提供一种有载分接开关振动信号的降噪方法，包括：

设置多个惩罚因子参数值；

利用每个所述惩罚因子参数值对有载分接开关振动信号分别进行变分模态分解，得到每个所述惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号；

从所述有载分接开关振动信号中分别剔除每个所述惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号，得到每个所述惩罚因子参数值对应的降噪振动信号；

分别计算每个所述惩罚因子参数值对应的降噪振动信号中的噪声水平值；

对噪声水平值最小的降噪振动信号进行重构，得到降噪后的有载分接开关振动信号。

优选地，所述利用每个所述惩罚因子参数值对有载分接开关振动信号分别进行变分模态分解，得到每个所述惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号，包括：

针对所述有载分接开关振动信号构造变分约束问题，利用每个所述惩罚因子参数值将所述变分约束问题分别转换为非约束问题；

对所述非约束问题进行求解，得到优化后的各个模态分量；

利用预设规则从各个所述模态分量中提取目标模态分量，作为所述低频运行噪声信号。

优选地，所述变分约束问题的表达式具体为：

式中，K代表模态分量的个数，u_k代表分解后的各个模态分量，ω_k代表各个模态分量的中心频率，δ(t)代表狄拉克函数，f代表待分解的有载分接开关振动信号；

所述非约束问题的表达式具体为：

式中，λ代表拉格朗日乘子，α代表惩罚因子参数值。

优选地，所述模态分量的个数设置为2。

优选地，对所述非约束问题进行求解，得到优化后的各个模态分量，包括：

令n＝1，初始化u_k、ω_k、λ，并设置最大迭代次数为N；

更新n＝n+1，并分别更新u_k、ω_k、λ：

式中，

代表u(t)的傅里叶变换，

代表λ(t)的傅里叶变换，τ代表噪声容忍度；

判断是否满足条件：

或n>N；其中，ε代表收敛精度；

若满足，则输出u_k和ω_k；

若不满足，则返回所述更新n＝n+1，并分别更新u_k、ω_k、λ的步骤。

优选地，所述利用预设规则从各个所述模态分量中提取目标模态分量，作为所述低频运行噪声信号，包括：

从各个所述模态分量中提取模态数为1的目标模态分量，作为所述低频运行噪声信号。

优选地，所述降噪振动信号的表达式具体为：

f_denoise＝f-f_noise；

式中，f_denoise代表降噪振动信号，f_noise代表低频运行噪声信号。

优选地，所述降噪振动信号中的噪声水平值的计算公式具体为：

式中，f_release代表f_denoise中对应的有载分接开关动作阶段的信号，f_store代表f_denoise中与f_release等长的弹簧储能阶段的信号。

优选地，所述惩罚因子参数值设置为10ⁿ，其中，n＝-1,0,1,2,3,4,5。

本发明另一方面提供一种有载分接开关振动信号的降噪设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述任意一种所述的有载分接开关振动信号的降噪方法的步骤。

本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过变分模态分解对有载分接开关振动信号进行分解，能够最大程度上避免噪声频带和信号频带的泄露，在保障振动噪声有效分离的前提下，减少了有载分接开关振动信号的能量损失；通过将有载分接开关振动信号划分为两类模态，即低频运行噪声信号和高频切换开关振动信号，并基于此对有载分接开关振动信号进行变分模态分解，避免了变分模态分解需要确定模态数的问题，同时能够有效剔除运行状态下有载分接开关振动信号中由变压器铁芯和绕组电动力引起的振动噪声，从而提高对有载分接开关状态估计的准确性。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明实施例中有载分接开关振动信号的降噪方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中待分解的有载分接开关振动信号的示意图；

图3为本发明实施例中得到的低频运行噪声信号的示意图；

图4为本发明实施例中降噪后的有载分接开关振动信号的示意图；

图5为本发明实施例中有载分接开关振动信号的降噪设备的结构示意图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1，本发明实施例提供一种有载分接开关振动信号的降噪方法，包括：

S110、设置多个惩罚因子参数值。

S120、利用每个惩罚因子参数值对有载分接开关振动信号分别进行变分模态分解，得到每个惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号。

本发明实施例中，有载分接开关在切换时会产生振动信号，可以通过安装加速度传感器采集有载分接开关振动信号，并通过变分模态分解对有载分接开关振动信号进行分解，得到低频运行噪声信号，能够最大程度上避免噪声频带和信号频带的泄露，在保障振动噪声有效分离的前提下，减少有载分接开关振动信号的能量损失。

需要说明的是，在变分模态分解中，模态数K和惩罚因子α这两个参数的选择对分解结果来说至关重要。本发明实施例通过预先设置多个惩罚因子参数值，并分别利用每个惩罚因子参数值对有载分接开关振动信号分别进行变分模态分解，得到每个惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号，可以确保分解得到的低频运行噪声信号中包含变压器铁芯和绕组电动力引起的振动噪声；同时，将有载分接开关振动信号划分为两类模态，即低频运行噪声信号和高频切换开关振动信号，并基于此对有载分接开关振动信号进行变分模态分解，避免了变分模态分解需要确定模态数K的问题。

具体实施时，惩罚因子参数值α设置为10ⁿ，其中，n＝-1,0,1,2,3,4,5。可以理解的是，由于惩罚因子参数值α设置有7个，因此上述变分模态分解的步骤需要进行7次。

S130、从有载分接开关振动信号中分别剔除每个惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号，得到每个惩罚因子参数值对应的降噪振动信号。

本发明实施例中，得到每个惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号后，可以从原始的有载分接开关振动信号中分别剔除，得到每个惩罚因子参数值对应的降噪振动信号。可以理解的是，当惩罚因子参数值α设置有7个时，上述剔除低频运行噪声信号的步骤需要进行7次。

S140、分别计算每个惩罚因子参数值对应的降噪振动信号中的噪声水平值。

本发明实施例中，得到每个惩罚因子参数值对应的降噪振动信号后，可以分别计算每个惩罚因子参数值对应的降噪振动信号中的噪声水平值。

S150、对噪声水平值最小的降噪振动信号进行重构，得到降噪后的有载分接开关振动信号。

本发明实施例中，在得到的所有惩罚因子参数值对应的降噪振动信号中，选择噪声水平值最小的降噪振动信号作为最终的降噪振动信号，并对其进行重构，可以得到降噪后的有载分接开关振动信号。

以上可知，本发明实施例提供的有载分接开关振动信号的降噪方法，通过变分模态分解对有载分接开关振动信号进行分解，能够最大程度上避免噪声频带和信号频带的泄露，在保障振动噪声有效分离的前提下，减少了有载分接开关振动信号的能量损失；通过将有载分接开关振动信号划分为两类模态，即低频运行噪声信号和高频切换开关振动信号，并基于此对有载分接开关振动信号进行变分模态分解，避免了变分模态分解需要确定模态数的问题，同时能够有效剔除运行状态下有载分接开关振动信号中由变压器铁芯和绕组电动力引起的振动噪声，从而提高对有载分接开关状态估计的准确性。

作为本发明优选的实施例，步骤S120的过程，包括：

S121、针对有载分接开关振动信号构造变分约束问题，利用每个惩罚因子参数值将变分约束问题分别转换为非约束问题。

具体的，上述变分约束问题的表达式具体为：

式中，K代表模态分量的个数，u_k代表分解后的各个模态分量，ω_k代表各个模态分量的中心频率，δ(t)代表狄拉克函数，f代表待分解的有载分接开关振动信号。

本发明实施例中，将待分解的有载分接开关振动信号分解为K个模态分量，针对每个模态分量分别进行希尔伯特变换，得到其解析信号和单边频谱，并估计各个解析信号的中心频率，将各个模态分量的单边频谱调制到基带，并估计各个模态分量的带宽，由此可以构造出变分约束问题。

上述非约束问题的表达式具体为：

式中，λ代表拉格朗日乘子，α代表惩罚因子参数值。

本发明实施例中，引入拉格朗日乘子λ，利用设置好的各个惩罚因子参数值α可以将上述变分约束问题分别转换为非约束问题。

S122、对非约束问题进行求解，得到优化后的各个模态分量。

可选的，在本发明的一些实施例中，介绍了上述步骤S122，对非约束问题进行求解，得到优化后的各个模态分量的具体实施方式，该过程可以包括：

令n＝1，初始化u_k、ω_k、λ，并设置最大迭代次数为N；

更新n＝n+1，并分别更新u_k、ω_k、λ：

式中，

代表u(t)的傅里叶变换，

代表λ(t)的傅里叶变换，τ代表噪声容忍度；

判断是否满足条件：

或n>N；其中，ε代表收敛精度；

若满足，则输出u_k和ω_k；

若不满足，则返回所述更新n＝n+1，并分别更新u_k、ω_k、λ的步骤。

具体实施时，模态分量的个数K设置为2。可以理解的是，输出的模态分量为两个，分别对应低频运行噪声信号和高频切换开关振动信号。

S123、利用预设规则从各个模态分量中提取目标模态分量，作为低频运行噪声信号。

可选的，在本发明的一些实施例中，介绍了上述步骤S123，利用预设规则从各个模态分量中提取目标模态分量，作为低频运行噪声信号，该过程可以包括：

从各个模态分量中提取模态数为1的目标模态分量，作为低频运行噪声信号。

本发明实施例中，模态数为1的模态分量u₁对应低频运行噪声信号，模态数为2的模态分量u₂对应高频切换开关振动信号，因此，从得到的各个模态分量中，选择模态数为1的模态分量u₁作为低频运行噪声信号。

作为本发明优选的实施例，降噪振动信号的表达式具体为：

f_denoise＝f-f_noise；

式中，f_denoise代表降噪振动信号，f_noise代表低频运行噪声信号。

本发明实施例中，从原始的有载分接开关振动信号f中剔除低频运行噪声信号f_noise＝u₁，可以得到对应的降噪振动信号f_denoise。

作为本发明优选的实施例，在步骤S140中，降噪振动信号中的噪声水平值的计算公式具体为：

式中，f_release代表f_denoise中对应的有载分接开关动作阶段的信号，f_store代表f_denoise中与f_release等长的弹簧储能阶段的信号。

下面通过具体的实施案例来说明本发明实施例提供的有载分接开关振动信号的降噪方法的实际应用结果。

利用加速度传感器采集一组运行过程中有载分接开关振动信号f，如图2所示。其中，采样频率fs＝25.6kHz。

设置惩罚因子α为10^-1，即α＝0.1，模态数K＝2，噪声容忍度τ＝0，最大迭代次数N＝500，收敛精度ε＝1×10^-6，对有载分接开关振动信号进行变分模态分解，得到对应的低频运行噪声信号f_noise＝u₁，如图3所示。

从有载分接开关振动信号f中剔除低频运行噪声信号f_noise＝u₁，得到降噪振动信号f_denoise＝f-f_noise，如图4所示。

计算得到该降噪振动信号对应的噪声水平值为0.0020。

重新设置惩罚因子α为10⁰、10¹、10²、10³、10⁴和10⁵，重复上述步骤，分别得到每组降噪信号的噪声水平值如表1所示。

表1

惩罚因子	10<sup>-1</sup>	10<sup>0</sup>	10<sup>1</sup>	10<sup>2</sup>	10<sup>3</sup>	10<sup>4</sup>	10<sup>5</sup>
								噪声水平	0.0020	0.0009	0.0010	0.0019	0.0077	0.0191	0.0569

由于惩罚因子α为10¹时，降噪信号的噪声水平最小，因此选择α为10¹对应的降噪振动信号作为最终的降噪振动信号，并对其进行重构，即可得到降噪后的有载分接开关振动信号，如图4所示。

本发明实施例另一方面提供一种有载分接开关振动信号的降噪设备，请参阅图5，该设备包括：

存储器510，用于存储计算机程序；

处理器520，用于执行计算机程序时实现如上述任意实施例提供的有载分接开关振动信号的降噪方法的步骤。

其中，处理器520可以包括一个或多个处理核心，比如4核心处理器、8核心处理器等。处理器520可以采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)、FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、PLA(Programmable Logic Array，可编程逻辑阵列)中的至少一种硬件形式来实现。处理器520也可以包括主处理器和协处理器，主处理器是用于对在唤醒状态下的数据进行处理的处理器，也称CPU(CentralProcessingUnit，中央处理器)；协处理器是用于对在待机状态下的数据进行处理的低功耗处理器。在一些实施例中，处理器520可以集成有GPU(Graphics Processing Unit，图像处理器)，GPU用于负责显示屏所需要显示的内容的渲染和绘制。一些实施例中，处理器520还可以包括AI(Artificial Intelligence，人工智能)处理器，该AI处理器用于处理有关机器学习的计算操作。

存储器510可以包括一个或多个计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是非暂态的。存储器510还可包括高速随机存取存储器，以及非易失性存储器，比如一个或多个磁盘存储设备、闪存存储设备。本实施例中，存储器510至少用于存储以下计算机程序，其中，该计算机程序被处理器加载并执行之后，能够实现前述任一实施例公开的有载分接开关振动信号的降噪方法的相关步骤。另外，存储器510所存储的资源还可以包括操作系统和数据等，存储方式可以是短暂存储或者永久存储。其中，操作系统可以包括Windows、Unix、Linux等，数据可以包括但不限于测试结果对应的数据等。

可以理解的是，如果上述任意实施例提供的有载分接开关振动信号的降噪方法以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

有鉴于此，本发明实施例又一方面提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现如上述任意实施例提供的有载分接开关振动信号的降噪方法的步骤。

本发明实施例提供的计算机可读存储介质的各功能模块的功能可根据上述任意方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可以参照上述任意方法实施例的相关描述，此处不再赘述。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种有载分接开关振动信号的降噪方法，其特征在于，包括：

设置多个惩罚因子参数值；

利用每个所述惩罚因子参数值对有载分接开关振动信号分别进行变分模态分解，得到每个所述惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号；

从所述有载分接开关振动信号中分别剔除每个所述惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号，得到每个所述惩罚因子参数值对应的降噪振动信号；

分别计算每个所述惩罚因子参数值对应的降噪振动信号中的噪声水平值；

对噪声水平值最小的降噪振动信号进行重构，得到降噪后的有载分接开关振动信号。

2.根据权利要求1所述的有载分接开关振动信号的降噪方法，其特征在于，所述利用每个所述惩罚因子参数值对有载分接开关振动信号分别进行变分模态分解，得到每个所述惩罚因子参数值对应的低频运行噪声信号，包括：

针对所述有载分接开关振动信号构造变分约束问题，利用每个所述惩罚因子参数值将所述变分约束问题分别转换为非约束问题；

对所述非约束问题进行求解，得到优化后的各个模态分量；

利用预设规则从各个所述模态分量中提取目标模态分量，作为所述低频运行噪声信号。

3.根据权利要求2所述的有载分接开关振动信号的降噪方法，其特征在于，所述变分约束问题的表达式具体为：

式中，K代表模态分量的个数，u_k代表分解后的各个模态分量，ω_k代表各个模态分量的中心频率，δ(t)代表狄拉克函数，f代表待分解的有载分接开关振动信号；

所述非约束问题的表达式具体为：

式中，λ代表拉格朗日乘子，α代表惩罚因子参数值。

4.根据权利要求3所述的有载分接开关振动信号的降噪方法，其特征在于，所述模态分量的个数设置为2。

5.根据权利要求3所述的有载分接开关振动信号的降噪方法，其特征在于，对所述非约束问题进行求解，得到优化后的各个模态分量，包括：

令n＝1，初始化u_k、ω_k、λ，并设置最大迭代次数为N；

更新n＝n+1，并分别更新u_k、ω_k、λ：

式中，

代表u(t)的傅里叶变换，

代表λ(t)的傅里叶变换，τ代表噪声容忍度；

判断是否满足条件：

或n>N；其中，ε代表收敛精度；

若满足，则输出u_k和ω_k；

若不满足，则返回所述更新n＝n+1，并分别更新u_k、ω_k、λ的步骤。

6.根据权利要求5所述的有载分接开关振动信号的降噪方法，其特征在于，所述利用预设规则从各个所述模态分量中提取目标模态分量，作为所述低频运行噪声信号，包括：

从各个所述模态分量中提取模态数为1的目标模态分量，作为所述低频运行噪声信号。

7.根据权利要求1所述的有载分接开关振动信号的降噪方法，其特征在于，所述降噪振动信号的表达式具体为：

f_denoise＝f-f_noise；

式中，f_denoise代表降噪振动信号，f_noise代表低频运行噪声信号。

8.根据权利要求7所述的有载分接开关振动信号的降噪方法，其特征在于，所述降噪振动信号中的噪声水平值的计算公式具体为：

式中，f_release代表f_denoise中对应的有载分接开关动作阶段的信号，f_store代表f_denoise中与f_release等长的弹簧储能阶段的信号。

9.根据权利要求1至8任意一项所述的有载分接开关振动信号的降噪方法，其特征在于，所述惩罚因子参数值设置为10ⁿ，其中，n＝-1,0,1,2,3,4,5。

10.一种有载分接开关振动信号的降噪设备，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至9任意一项所述的有载分接开关振动信号的降噪方法的步骤。

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