一种基于快速kurtogram算法的分接开关振动信号降噪方法与流程

本发明涉及一种基于快速kurtogram算法的分接开关振动信号降噪方法，属于分接开关振动信号处理技术领域。

背景技术

目前，变压器有载分接开关oltc作为变压器的核心部件之一，在电力系统中发挥着稳定负荷中心电压，调节无功潮流，增加电网调度灵活性等重要作用。在有载分接开关操作过程中，机构零部件之间的碰撞或摩擦会产生振动信号，这些振动信号包含着丰富的设备状态信息。但现场采集到的振动信号往往含有异常数据和各种噪声，会影响振动信号分析的结果。所以在对振动信号分析之前，选择合适的降噪方法对含噪信号降噪非常重要，有助于提高信号特征提取的精度。

在传统的信号处理方法中，信号降噪是利用频谱分析技术来实现的，即通过傅里叶变换把信号变换到频域内进行分析。当噪声和信号在频域内可分时，可以通过设计合适的滤波器，滤除噪声部分所对应的频带，从而达到降噪的目的。然而传统的带通滤波存在带通滤波器参数(中心频率和频率分辨率)需要人为确定，具有巨大的偶然性和局限性等缺点。针对这些缺点，学者提出了峭度的概念，但是峭度指标易受噪声的干扰且无法反映冲击的变化特征；针对峭度无法反映冲击的变化特征这一缺点，国外学者提出了既能反映瞬态冲击强弱，又能指示其频率的谱峭度指标，但该算法对非平稳信号的冲击特征无法反映；针对上述缺点，提出了快速kurtogram算法，通过合理选取中心频率以及频率分辨率可使不平稳信号的谱峭度指标达到最大，从而更好的反映冲击故障特征。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于快速kurtogram算法的分接开关振动信号降噪方法，降噪效果好，算法简单，可操性强。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于快速kurtogram算法的分接开关振动信号降噪方法，包括如下步骤：

步骤1：通过加速度传感器对分接开关运行状态下的振动信号进行采集；

步骤2：对采集到的振动信号进行相空间重构，得到若干个子向量；

步骤3：对每个子向量进行快速kurtogram算法分析，然后对得到的m组快速谱峭度图谱分别取平均值，得出谱峭度指标最大的中心频率和相应的频率分辨率；

步骤4：基于取得的平均谱峭度中最大峭度对应的中心频率及带宽对振动信号进行带通滤波。

所述步骤1包括：采集分接开关的振动信号，数据采集卡在分接开关模拟运行时以50khz的速率采集6000点振动数据送至pc机进行处理。

所述步骤2包括：

设分接开关振动时间序列{xt,t＝1,2,3,…,n}，其中n为信号采集点数量。

2.1：从原始时间序列中抽取子序列{x1,x2,…,xn}作为n维相空间重构的第一个向量y1；

2.2：向右移动一个步长，抽取{x2,x3,…,xn+1}作为n维相空间的第二个向量y2；

2.3：以此类推，可以得到一组列向量(y1,y2,…,ym)；

2.4：每一行向量对应重构相空间中的一个点，所有向量构成m×n维的矩阵

dm就是重构的相空间，其中m为嵌入维数，本发明取7，n＝n-m+1。

所述步骤3包括：

谱峭度的计算公式为：

其中：符号|·|和<·>分别表示取模值和数学期望(既平均值)。h(t,f)为分接开关振动信号{xt,t＝1,2,3,…,n}在频率f处的复包络，f为把分接开关振动信号变换到频域内的变量。

在步骤3中，所述采用快速kurtogram算法对分接开关振动信号进行分析，具体步骤如下：

3.1：分别构建一个低通滤波器h0(n)和一个高通滤波器h1(n)：

h0(n)＝h(n)e^jπn/4

h1(n)＝h(n)e^j3πn/4

其中：h(n)是截止频率为1/8的低通滤波器模型，其中n代表滤波器阶数；h0(n)是由h(n)频移1/8后得到准解析低通滤波器，其带宽为[0,1/4]；h1(n)由h(n)频移3/8后得到准解析高通滤波器，其带宽为[1/4,1/2]。

3.2：利用以上两个滤波器分别对步骤2中得到dm中每一行向量进行滤波，具体步骤为：

3.2.1：将h0(n)与y1卷积得到再将h1(n)与y1卷积得到即对信号y1进行第一层分解，具体公式如下(将信号与滤波器进行卷积即为滤波)：

3.2.2：将与h0(n)进行卷积得到再将与h1(n)卷积得到将将与h0(n)进行卷积得到再将与h1(n)卷积得到即对信号y1进行第二层分解，具体公式如下；

3.2.3：类推下去，对信号y1进行k层分解，则k层滤波后信号的个数为2^k，把信号y1分解成不同子频带下的复包络信号则是信号y1经不同滤波器滤波后得到的子频带信号，滤波器的中心频率和带宽分别为fi＝(i+1)×2^-k-1和δf＝2^-k-1，如图2所示；

3.2.4：对上述3.2.1-3.2.3中每层得到的分别代替式(1)中的h(t,f)进行谱峭度计算，具体公式如下，从而得到快速谱峭度图谱。

3.2.5：对y2-ym分别重复步骤3.2.1-3.2.4，则共得到m组快速谱峭度图谱,对这m组快速谱峭度图谱进行取平均，然后找到谱峭度值最大处的中心频率和相应的带宽，即得出带通滤波器参数。

所述步骤4如下所示：在步骤3得到的中心频率以及频率分辨率的基础上，基于matlab软件设计带通滤波器，对采集到的分接开关振动信号进行带通滤波。

有益效果：本发明提供的一种基于快速kurtogram算法的分接开关振动信号降噪方法，在快速kurtogram算法的基础上，引进相空间重构，从分接开关振动信号的混沌特性出发，对分接开关振动信号重构后的高维信号进行分析，其优点如下。

1、本发明可以克服传统带通滤波器参数需要预先人为确定，具有巨大的偶然性和局限性等缺点。

2、本发明通过合理地选择中心频率以及频率分辨率使分接开关振动信号的谱峭度指标达到最大，可以很好的反映振动信号故障特征频率。

3、本发明将相空间重构与快速kurtogram算法相结合，从n维度的角度对信号进行快速kurtogram算法分析，可以更有效地削弱脉冲干扰成分对原谱峭度图结果的影响。

附图说明

图1本发明方法的流程图；

图2快速kurtogram算法树状图；

图3分接开关振动信号4种状态下的快速谱峭度图谱；

图4分接开关振动信号4种状态下的降噪前后波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种基于快速kurtogram算法的分接开关振动信号降噪方法，首先通过加速度传感器对分接开关振动信号进行采集；其次对采集到的振动信号进行相空间重构，得到7组子向量；对每个子向量进行快速kurtogram算法分析，即求取每个子向量的快速谱峭度图谱，然后分别对这7组快速谱峭度图谱进行取平均，得到谱峭度值最大处的中心频率和相应的频率分辨率，即得出滤波器参数；基于滤波器参数对分接开关振动信号进行带通滤波处理。

包括以下具体步骤：

步骤1：通过加速度传感器对有载分接开关oltc正常状态下的振动信号、故障状态下的振动信号进行采集；

加速度传感器安装方式采用永磁体吸附在有载分接开关oltc测试点的表面，这种安装方式简单易行，适合频繁更换测试点的场合。考虑到振动信号的传播介质以及传播过程的阻尼，本发明将振动传感器安装在分接开关的顶端，此位置所拾取的振动信号高频衰减比较少，信号较完整。

故障状态是指有载分接开关oltc触头松动、触头烧损以及触头脱落三种情况。

步骤2：对采集到的振动信号进行相空间重构，得到若干个子向量，具体步骤如下：

设分接开关振动时间序列{xt,t＝1,2,3,…,n}，其中n为信号采集点数量。

2.1：从原始时间序列中抽取子序列{x1,x2,…,xn}作为n维相空间重构的第一个向量y1；

2.2：向右移动一个步长，抽取{x2,x3,…,xn+1}作为n维相空间的第二个向量y2；

2.3：以此类推，可以得到一组列向量(y1,y2,…,ym)；

2.4：每一行向量对应重构相空间中的一个点，所有向量构成m×n维的矩阵

dm就是重构的相空间，其中m为嵌入维数，本发明取7，n＝n-m+1。

步骤3：对每个子向量进行快速kurtogram算法分析，然后对得到的7个快速谱峭度图谱取平均值，得出谱峭度指标最大的中心频率和相应的频率分辨率；

图2为快速kurtogram算法树状图，对分接开关振动信号经相空间重构得到的y1～ym信号分别进行如图2所示步骤的一层层分解，最终可以得到2^k个子频带信号，即把信号y1的频域进行划分2^k个频段，则每个频段的带宽为之所以乘以1/2，是香农采样定理造成的。

为了证明该降噪方法的适用性，本发明对分接开关4种机械状态下的振动信号进行该方法的降噪处理，故障状态是指有载分接开关oltc触头松动、触头烧损以及触头脱落三种情况。

如图3所示，为分接开关4种状态下的平均快速谱峭度图谱，从图中可以看出，分接开关处于不同的状态，其中心频率以及带宽不一样。其中，正常状态下的分接开关振动信号，其中心频率为9375hz，而带宽为2083.3333hz；触头烧损状态下的分接开关振动信号，其中心频率为8854.1667hz，而带宽为1041.6667hz；触头松动状态下的分接开关振动信号，其中心频率为15104.1667hz，而带宽为1041.6667hz；触头脱落状态下的分接开关振动信号，其中心频率为8984.375hz，而带宽为781.25hz。

从而可以证明该方法对分接开关处于不同状态下的振动信号都能有效提取其滤波器参数。

步骤4：基于取得的平均谱峭度中最大峭度对应的中心频率及带宽进行带通滤波。

对步骤3中取得的分接开关4种状态下振动信号的中心频率以及带宽构造带通滤波器，对分接开关振动信号进行带通滤波。

图4为分接开关4种状态下振动信号的降噪前后的波形图。由图4可知，该方法可有效地对分接开关振动信号进行降噪处理，而且由图4还可知，分接开关触头处于不同的状态时，其振动信号时域图也会发生相应地变化。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。