一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法与流程

本申请属于振动信号去噪，更具体的说是涉及一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法

背景技术：

1、瓷支柱绝缘子是电力系统中广泛使用的绝缘件，其主要作用是支撑导线和防止电流回地，对于保证电力系统的安全稳定运行具有重要作用。在实际运行中，由于瓷支柱绝缘子的主要材质陶瓷属于脆性材料，又长期暴露在空气中，经年累月的风吹、日晒、雨淋、冰雪覆盖很容易使瓷支柱绝缘子发生热胀冷缩从而产生裂纹、气孔甚至断裂等故障，进而影响到整个电力系统的安全运行，造成了巨大的经济损失。因此，加强对在役瓷支柱绝缘子的检测并及时更换故障绝缘子，对保障我国电网的安全运行至关重要。

2、目前针对绝缘子故障检测的主流方法包括超声波检测法、红外热波检测法、紫外成像检测法及振动声学检测法等方法。这几种方法都能做到无损检测，但是其中，超声波检测法只适用于停电时作业，检测效率较低，对探伤的表面平滑度要求比较高，操作难度大；红外测温检测只能通过绝缘子表面温度判断绝缘子有无缺陷，容易受外界环境的影响，要充分考虑设备的运行情况、天气、风速、湿度、邻近设备、测试角度等因素的综合影响，而且无法探测绝缘子内部初期的微小缺陷；紫外成像检测法对于绝缘子表面裂缝不能检测，而且需要在空气湿度较大的天气条件下进行检测；振动声学检测法是一种通过激励被测工件使其产生机械振动声波，然后测量其振动的特征来判定被测工件质量的检测技术。该方法的特点在于能够做到带电检测，较经济又容易实现，且在检测速度上有着无与伦比的优势，适合对变电站内的瓷支柱绝缘子做快速普查应用，是目前使用最普遍的绝缘子检测技术。

3、在振动声学检测系统中，测量得到的信号并非是完全干净的，有用信号中往往掺杂着干扰信号，也就是常说的噪声信号。噪声信号与有用信号叠加在一起会扭曲测量结果，去除噪声信号得到相对纯净的有用信号对于信号的有效分析至关重要，去除干扰噪声之前必须对有用信号和噪声的产生有一定的了解。

4、由于瓷支柱绝缘子本身不能振动，需要受到一个高频的激励使其产生受迫振动，在测量系统中，有用信号便是瓷支柱绝缘子产生的共振信号。在实际拾振过程中，拾取的信号中往往会掺杂各种各样的噪声干扰。

5、测量系统中拾振的信号掺杂的噪声信号来源有很多，包括信道干扰，电磁干扰，白噪声干扰，电源干扰等。对于测量系统来说，主要的噪声干扰来自信号发生器的白噪声干扰，小部分干扰可能是信道干扰造成的，还有少部分干扰可能是外部环境干扰造成的。

6、因此，如何提供一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法成为了本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供了一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，能够有效去除采集得到的瓷支柱绝缘子振动信号中所掺杂的噪声干扰，得到纯净的所需振动信号频谱图，更易得到瓷支柱绝缘子的振动检测结果。

2、为了实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

3、一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，包括如下步骤：步骤1：对瓷支柱绝缘子进行激振并采集其产生的振动信号，截取振动特征保留完整的一段；步骤2：引入自相关函数，对含有噪声的振动信号做自相关计算完成一次去噪，得到一次去噪后的信号；步骤3：将振动信号的一维数据进行构造用于奇异值分解的汉克尔矩阵；步骤4：计算汉克尔矩阵的奇异值，重新构建由奇异值组成的一维矩阵；将一维矩阵进行差分计算，求数据的一阶差分、二阶差分，并绘制奇异值一阶差分谱；步骤5：利用右边单边极大值选秩原则选取重构矩阵的秩，对重构后的矩阵进行逆变换操作得到由奇异值重构处理后新的一维数据，构成的信号为二次去噪后的信号。

4、在一个具体的可实施方案中，步骤1中，检测装置包括脉冲力锤、振动传感器、信号采集仪和pc端；所述脉冲力锤对绝缘子下法兰上的激振点施加脉冲激励；所述振动传感器利用磁吸座固定在绝缘子下法兰上的拾振点，采集振动信号并传输至信号采集仪；信号采集仪以设定采样频率采集振动信号并传输至所述pc端；所述pc端对振动信号进行检测分析。

5、在一个具体的可实施方案中，步骤1中，采集的振动信号包括瓷支柱绝缘子的振动信号，去噪方法的应用范围包括白噪声和杂频噪声干扰的振动信号。

6、在一个具体的可实施方案中，步骤3中，一次去噪所用方法为自相关去噪，能够去除绝缘子振动信号中掺杂的白噪声信号；自相关函数公式为：

7、

8、其中，x(t)与x(t+τ)为同一信号在不同时差时的函数，t为时差。

9、在一个具体的可实施方案中，步骤3中，构造用于奇异值分解的汉克尔矩阵的方法为：

10、设振动信号为s＝[s1,s2,…,sn]，按照汉克尔矩阵的构造方式，构造的m×n矩阵记作a，矩阵a为：

11、

12、重构矩阵的最佳行数取信号数据长度的一半，因此m的值通过式确定。

13、在一个具体的可实施方案中，步骤4中，矩阵的奇异值为矩阵分解后对角阵的值构成，汉克尔矩阵分解公式为：

14、a＝uσvt

15、式中：u为正交矩阵，称左奇异阵；v为正交矩阵，称右奇异阵；σ为对角阵。

16、在一个具体的可实施方案中，步骤4中，所求二阶差分用于判断一阶差分谱趋势是否正确，一阶差分谱用于选出重构矩阵的秩。一阶差分就是离散函数中连续相邻两项之差，当自变量从x变到x+1时，对于任意函数y＝y(x)有一阶差分谱公式：

17、δyx＝y(x+1)-y(x)

18、式中y(x)为汉克尔矩阵的奇异值，δyx是y(x)在点x的一阶差分，x＝0，1，2，…。

19、在一个具体的可实施方案中，步骤5中，重构矩阵选秩原则是选择一阶差分谱最右边第一个突变的极大值，然后将有效秩阶数对应矩阵进行重构，重构后的矩阵进行汉克尔矩阵逆变换得到去噪后信号。

20、在一个具体的可实施方案中，分别对重构信号和原始采集的原信号(振动信号)进行fft变换，对比两信号的频谱图，验证降噪方法的可行性。

21、在一个具体的可实施方案中，还包括步骤6：对含有噪声的振动信号、一次去噪后的信号、二次去噪后的信号分别做快速傅里叶变换，得到未去噪、一次去噪和二次去噪处理的频谱图，通过比对振动信号去噪前后的频谱图验证去噪效果。

22、经由上述的技术方案可以得知，与现有同类技术相比，本申请的有益效果在于：

23、本申请在保留振动声学检测法中得到的振动信号原始特征情况下可以有效去除采集瓷支柱绝缘子振动信号中所掺杂的噪声干扰，保留所需的纯净的振动信号频谱图，更容易得到瓷支柱绝缘子的振动检测结果。通过本申请的方法可以得到未去噪的原始振动信号频谱图、一次去噪处理后的振动信号频谱图和二次去噪处理的振动信号频谱图，通过比对振动信号去噪前后的频谱图，可以验证本申请的去噪效果。

技术特征：

1.一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：对瓷支柱绝缘子进行激振并采集其产生的振动信号，截取振动特征保留完整的一段；步骤2：引入自相关函数，对含有噪声的振动信号做自相关计算完成一次去噪，得到一次去噪后的信号；步骤3：将振动信号的一维数据进行构造用于奇异值分解的汉克尔矩阵；步骤4：计算汉克尔矩阵的奇异值，重新构建由奇异值组成的一维矩阵；将一维矩阵进行差分计算，求数据的一阶差分、二阶差分，并绘制奇异值一阶差分谱；步骤5：利用右边单边极大值选秩原则选取重构矩阵的秩，对重构后的矩阵进行逆变换操作得到由奇异值重构处理后新的一维数据，构成的信号为二次去噪后的信号。

2.根据权利要求1所述的一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，步骤1中，检测装置包括脉冲力锤、振动传感器、信号采集仪和pc端；所述脉冲力锤对绝缘子下法兰上的激振点施加脉冲激励；所述振动传感器利用磁吸座固定在绝缘子下法兰上的拾振点，采集振动信号并传输至信号采集仪；信号采集仪以设定采样频率采集振动信号并传输至所述pc端；所述pc端对振动信号进行检测分析。

3.根据权利要求1所述的一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，步骤1中，采集的振动信号包括瓷支柱绝缘子的振动信号，去噪方法的应用范围包括白噪声和杂频噪声干扰的振动信号。

4.根据权利要求1所述的一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，步骤3中，一次去噪所用方法为自相关去噪，能够去除绝缘子振动信号中掺杂的白噪声信号；自相关函数公式为：

5.根据权利要求1所述的一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，步骤3中，构造用于奇异值分解的汉克尔矩阵的方法为：

6.根据权利要求5所述的一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，步骤4中，矩阵的奇异值为矩阵分解后对角阵的值构成，汉克尔矩阵分解公式为：

7.根据权利要求6所述的一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，步骤4中，所求二阶差分用于判断一阶差分谱趋势是否正确，一阶差分谱用于选出重构矩阵的秩。一阶差分就是离散函数中连续相邻两项之差，当自变量从x变到x+1时，对于任意函数y＝y(x)有一阶差分谱公式：

8.根据权利要求7所述的一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，步骤5中，重构矩阵选秩原则是选择一阶差分谱最右边第一个突变的极大值，然后将有效秩阶数对应矩阵进行重构，重构后的矩阵进行汉克尔矩阵逆变换得到去噪后信号。

9.根据权利要求8所述的一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，分别对重构信号和原始采集的原信号(振动信号)进行fft变换，对比两信号的频谱图，验证降噪方法的可行性。

10.根据权利要求1所述的一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，其特征在于，还包括步骤6：对含有噪声的振动信号、一次去噪后的信号、二次去噪后的信号分别做快速傅里叶变换，得到未去噪、一次去噪和二次去噪处理的频谱图，通过比对振动信号去噪前后的频谱图验证去噪效果。

技术总结
本申请公开了一种瓷支柱绝缘子振动信号去噪方法，包括采集振动信号中含有白噪声和杂频噪声干扰，从振动信号中截取振动特征保留完整的一段；对含有噪声的振动信号引入自相关函数，对振动信号做自相关计算完成一次去噪；构造用于奇异值分解的汉克尔矩阵；计算汉克尔矩阵的奇异值，重新构建由奇异值组成的一维矩阵；将一维矩阵进行差分计算，求数据的一阶差分、二阶差分，绘制奇异值一阶差分谱；利用右边单边极大值选秩原则选取重构矩阵的秩；重新构造矩阵，对重构后的矩阵进行逆变换操作得到由奇异值重构处理后新的一维数据；求未去噪、一次去噪和二次去噪处理的频谱图，验证去噪效果。本申请有效去除采集瓷支柱绝缘子振动信号中掺杂的噪声干扰。

技术研发人员：董国振,敬尚前,李国维,邵琳杰,王勇,徐雪霞,李文彬,吕亚东,李晓康,张哲
受保护的技术使用者：国家电网有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24