一种动态磁通信号处理方法与流程

本发明属于信号处理的技术领域。具体涉及一种动态磁通信号处理方法。

背景技术：

直流偏磁是电力设备运行过程中一种非正常的工作状态。一般是由某种因素导致电力设备的绕组中流经直流电流，从而在其磁路中产生直流磁通，并引发一系列的电磁反应。直流偏磁会使电力设备处于半周饱和，从而造成谐波、无功、涡流、噪声等问题。如果不能够对直流偏磁下的磁通信号及时进行处理，不仅加剧电力设备无功损耗，而且可能引发保护继电器的误操作。进而导致不能够有效对电磁设备进行有效的监控与保护。因此对直流偏磁下的磁通信号处理能够及时预防这类状况发生，对电磁设备监控与保护有着积极作用。

传统的信号处理方法是利用傅立叶变换的频谱分析技术把信号映射到了频率域内并进行分析。这种方式对于平稳信号且噪声的谱特性有别于信号的谱特性时是比较实用的。但实际中所遇到的信号经常是非平稳信号，对它分析时需要弄清每个时刻的频谱分量，在这种情况下，傅氏变换则无能为力。由于电磁设备在直流偏磁下的磁通测量信号基本都是非平稳非线性信号，因此，传统的信号处理方式无法满足电磁设备的磁通信号处理，从而导致无法对电磁设备进行有效的监控。如何对电磁设备的磁通测量信号进行分解滤波去噪，充分改善磁通测量信号的信噪比，实现对电磁装置的磁通测量信号的有效分析成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种动态磁通信号处理方法，该方法采用基于经验模态分解的阈值滤波来对动态磁通信号进行降噪处理，在非线性和非平稳序列中具有充分的实用性，实现对整个非线性序列的平稳化处理，适用于对电磁装置的磁通测量信号的有效分析。

实现本发明目的采用的技术方案是一种动态磁通信号处理方法，该方法包括：

采集电磁设备上的电压信号c(t)，并对所述电压信号进行采样；

对采样后的电压信号x(t)进行emd分解，得到k个imf分量和残余分量rn；

利用阈值判定条件对k个imf分量进行去噪处理；

将去噪后的imf分量与未经过去噪的imf分量以及残余分量rn进行信号重构，得到滤除噪声后反映动态磁通变化的电压信号y(t)。

本发明方法简单、成本低、精度高、易于实现，对非线性非平稳信号的平稳化处理效果显著，能够实时的对电磁装置进行监测，全面有效的去除磁通信号干扰，实现对电磁装置的动态磁通信号有效分析，最终达到提高电力设备信号检测准确度目的，极大提高电力设备信号检测准确度。

附图说明

图1为本发明动态磁通信号处理方法原理框图；

图2为磁通测量原理图；

图3为霍尔电流传感器工作原理图；

图4为emd算法软件流程图；

图5为霍尔电流传感器输出电压图；

图6为输出电压信号emd分解图；

图7为电压信号处理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明动态磁通信号处理方法包括以下具体步骤：

s1：信号提取

为了获取能够直接反映磁通变化的电压信号，本发明利用霍尔电流互感器辅助铁心的输出端进行电信号提取，通过电磁互感原理将变压器内部的磁通变量转化为电流信号，为了方便测量将电流信号进一步处理转化为电压信号。信号提取的步骤如下：

s1.1：给激励绕组输入端施加工频交流激励电源，辅助铁心施加驱动电源，此时被测装置为工作状态，本发明采用磁通测量原理如图2所示。

而平行放置于被测设备主铁心上的辅助铁心能够与主铁心共享一部分磁路，直接通过测量被测设备放置的辅助铁心的输出端口，即能通过测量辅助铁心上用来反映磁通信号的电压信号，来实现磁通信号提取。

经过辅助铁心后的待测电流iflux为：

其中，a为施加驱动电源幅值大小，l为辅助铁心线圈电感，ω为为驱动电源电流频率。

s1.2：辅助铁心输出待测电流iflux要经过霍尔电流互感器形成闭合回路，经过互感器作用后，输出能够精确反映待测电流信号的波形。

图3为霍尔电流互感器工作原理图，该互感器主要包括待测电流1、副边线圈2、环形铁芯3、霍尔元件4、反向补偿电流5、测量电阻6、前置运算放大电路7和输出电压8。

如图3所示，环形铁芯3用于感应待测电流1信号，副边线圈2与测量电阻6相连，反向补偿电流5为霍尔元件4和前置运算放大电路7所产生，输出电压为反向补偿电流5和测量电阻6所产生。

本发明中，霍尔电流互感器提取信号原理：当待测电流1产生的感应磁通通过环形铁芯3集中在磁路中时，固定在气隙中霍尔元件4能够检测到磁通变化，通过绕在铁芯3上的多匝副边线圈2经过前置运算放大电路7输出反向补偿电流5，用于消除待测电流1产生的磁通，使得磁路中磁通变化始终保持为零。而反向补偿电流5经过测量电阻6得到输出电压信号c(t)，传感器能够输出精确反映待测电流波形。

从上述电流传感器工作原理可知，当待测电流iflux通过互感器铁芯时，本发明提供的霍尔电流互感器就会在副边线圈产生感反向补偿电流电流is，再通过测量电阻，就能够获得电压信号c(t)大小，其波形如图5所示。

霍尔电流传感器进行电流信号提取，其表达式为：

其中k为霍尔传感器线性度，本实施例取1；vcc为基准电压大小，可设置为0。

s2：信号处理

信号处理部分主要由信号采集和滤波处理两部分构成，信号采集主要由a/d采集模块构成，用来采集霍尔电流互感器输出电压信号c(t)，dsp接收到a/d采集模块采集的电信号后，dsp处理器通过滤波算法处理送来的数字信号，dsp处理器通过emd算法处理送来的数字信号，处理后的数字信号通过d/a转换送至显示模块显示，从而达到对动态磁通信处理的目的。具体流程如下：

s2.1：ad采集模块接收电压信号x(t)后通过模数转换将模拟信号转换为数字信号传送至dsp处理器。

s2.2：dsp处理器通过emd算法对信号x(t)进行处理。其中emd算法在dsp处理器上实现的软件流程图如图4所示，包括以下步骤：

s2.2.1：进行初始化内部时钟及外围设备；

s2.2.2：然后提取ad转换器采样后的待处理信号，存储在dsp处理器的片外存储器中；

s2.2.3：如图6所示，采用经验模态分解法对待处理信号x(t)进行分解；

找出所有待处理信号x(t)的局部极大值、极小值，对局部极大值和极小值分别采用三次样条差值的方法构建上包络线xup(t)和下包络线xdn(t)，要求上下包络线的形成必须将所有的预处理信号值x(t)包括在内，求得上下包络线的均值函数m1(t)，即：

设函数值h1(t)为待处理信号x(t)与上校包络线均值函数m1(t)的差值，即：

h1(t)＝x(t)-m1(t)

对计算得到的函数值h1(t)进行检测，检测该值是否满足本征模函数imf分量的两个条件，即极大值点与极小值点的数目和过零点数目差值不超过1以及局部极大值点构成的上包络线和局部极小值点构成的下包络线均值为0。如果满足，此时的h1(t)函数值则为第一个本征模函数；如果不满足，则用函数值h1(t)代替待处理信号x(t)，重复以上步骤，直到h1i(t)满足imf函数的两个条件。

取c1(t)值为x(t)的第一个本征模函数，即：

c1(t)＝imf1(t)＝h1i(t)

令r1(t)为待处理信号x(t)与第一个本征模函数的剩余函数值，即：

r1(t)＝x(t)-c1(t)

用r1(t)替换待处理信号x(t)值，重复上述步骤，本实施中，如此往复将信号由高频到低频分解成9个imf分量和残余分量，如下式：

s2.3根据阈值公式求出阈值，判断阈值是否满足设定的阈值。若满足阈值条件，就将求得的imf分量存储在dsp处理器的片外存储器中。若不满足设定的阈值条件，则将新的序列进行迭代，直到求出满足阈值条件的序列。

其中xi(t)第i个含噪声imf分量第t个为采样点值，sgn()为符号函数，imfi(t)为去噪后的imf分量，λi为阈值。

阈值计算公式：

其中σi为各imf分量所含噪声标准差，n为imf分量长度。

s2.4将未经过去噪的imf分量以及残余分量进行重构，得到滤去噪声后反映动态磁通变化的电压信号y(t)，即

s3：信号输出

将滤去噪声后的电压信号y(t)送至显示器，其电压处理结果如图7所示。

本发明基于经验模态分解算法对电磁设备磁通信号进行降噪处理，能够基本消除噪声干扰，且很好保留信号的原始特征。通过该方法能在一定程度上解决直流偏磁对电磁设备磁通信号测量造成干扰，对电磁设备磁通测量检测和分析都有较高的指导价值。