局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，屬于電力設(shè)備局部放電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，該方法中，利用小波包分解對(duì)局部放電電磁波信號(hào)進(jìn)行分解并計(jì)算局部放電電磁波信號(hào)能量信息，再利用奇異值分解從能量信息中提取能量特征用于局部放電識(shí)別。本發(fā)明首次在電力設(shè)備局部放電檢測(cè)領(lǐng)域?qū)⑿〔ò纸馀c奇異值分解相融合，提出了小波包分解與奇異值分解相結(jié)合的局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，具有有效提取局部放電電磁波能量特征的優(yōu)點(diǎn)，可用于局部放電類型識(shí)別。
【專利說(shuō)明】
局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明屬于電力設(shè)備局部放電檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種局部放電電磁波信號(hào) 能量特征提取方法，用于電力設(shè)備局部放電類型的識(shí)別。
【背景技術(shù)】：
[0002] 電力設(shè)備的絕緣材料是保證電力設(shè)備正常運(yùn)行的重要組件，但是由于絕緣材料在 強(qiáng)電場(chǎng)作用下老化或絕緣材料加工缺陷，在電力設(shè)備運(yùn)行中絕緣材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)局部放 電，局部放電的發(fā)展會(huì)加速絕緣材料的老化，從而導(dǎo)致電力設(shè)備壽命縮短，所W必須盡早發(fā) 現(xiàn)和識(shí)別局部放電的類型，采用措施減緩電力設(shè)備的老化。
[0003] 局部放電脈沖電流信號(hào)為ns級(jí)脈沖信號(hào)，脈沖電流為寬頻帶信號(hào)，其激發(fā)的超高 頻電磁波信號(hào)同樣為寬頻帶信號(hào)，帶寬從幾十MHz到上GHz,而基于電磁波禪合原理的局部 放電超高頻檢測(cè)的測(cè)量帶寬可W達(dá)到幾十MHz到上G化的頻率，所W利用局部放電超高頻檢 測(cè)能夠測(cè)量到更為豐富的局部放電頻率信息。
[0004] 由于不同放電類型的脈沖電流波形不盡相同，其激發(fā)的電磁波信號(hào)包含的頻率信 息也不全相同，所W通過(guò)提取運(yùn)些局部放電頻率信息特征能夠很有效地區(qū)分局部放電類 型，眾多研究中主要是利用不同頻率段的信息進(jìn)行局部放電類型識(shí)別，還有利用小波分解 的方式提取特征參量，特征參量有能量特征參量，分形特征參量，也取得了比較好的結(jié)果。
[0005] 在使用小波分解提取能量特征進(jìn)行類型診斷，但是由于放電類型的脈沖電流本身 差別不是很大，激發(fā)的電磁波信號(hào)頻率也相差不大，為了能夠得到有效區(qū)分不同放電類型 的能量特征必須進(jìn)行多層分解，但是分解層數(shù)多必然導(dǎo)致能量參量成幾何倍數(shù)增加。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決更加有效提取能夠識(shí)別局部放電類型的局部放電電磁 波能量特征的問(wèn)題，提供了一種局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，并驗(yàn)證了特征參 量在局部放電類型識(shí)別中的有效性。
[0007] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[000引局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，包括W下步驟：
[0009] 1)對(duì)采集到的局部放電電磁波信號(hào)進(jìn)行小波包分解，得到局部放電電磁波信號(hào)小 波包分解樹(shù)；
[0010] 2)計(jì)算局部放電電磁波信號(hào)小波包分解樹(shù)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量，建立局部放電電磁 波信號(hào)的能量矩陣E;
[0011] 3)利用奇異值分解計(jì)算能量矩陣E的奇異值，得到滿足條件的奇異值向量；
[0012] 4)根據(jù)特征選取原則，將奇異值向量中大于闊值的節(jié)點(diǎn)能量保留，并記錄相應(yīng)的 節(jié)點(diǎn)，則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能量為局部放電信號(hào)的特征量;根據(jù)提取的特征量對(duì)局部放電信進(jìn)行 識(shí)別，且識(shí)別精度達(dá)到了 90 % W上。
[0013] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟1)中小波包分解使用的母小波為'db2'、'db4'W 及'化8'。
[0014] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟I)中小波包分解層數(shù)為8~10層。
[0015] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟2)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
[0016] 201)小波包分解后節(jié)點(diǎn)能量為 卿 7]
Cl)
[0018] 式中，X表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的小波系數(shù)，N表示小波系數(shù)的長(zhǎng)度，小波包分解所有節(jié)點(diǎn)的 能量構(gòu)成該信號(hào)的節(jié)點(diǎn)能量向量；
[0019] 202)對(duì)于一組超高頻信號(hào)進(jìn)行小波分解得到的能量矩陣如下式所示：
[0020] (2)
[0021] 式中，n表示每個(gè)信號(hào)分解為n個(gè)節(jié)點(diǎn)，M表示UHF信號(hào)的個(gè)數(shù)，eij表示第j個(gè)超高頻 信號(hào)經(jīng)過(guò)小波包分解后第i個(gè)小波節(jié)點(diǎn)的小波系數(shù)能量。
[0022] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟3)的具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
[0023] 301)對(duì)能量矩陣E進(jìn)行奇異值分解，得到奇異值數(shù)組S;
[0024] 管化對(duì)奮異值A(chǔ) Si2、A S23W及A S34,公式如下：
[0025] (3)
[0026] 根據(jù)相對(duì)奇異值大小，選擇奇異值最大的一組或兩組向量，選取原則為：
[0027] 當(dāng)A Si2大于0.7時(shí)，選取奇異值值最大的一組向量；
[0028] 當(dāng)A 小于0.7且A S23大于0.7時(shí)，選取奇異值值最大和第二大的兩組向量。
[0029] 本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于，步驟4)中，根據(jù)奇異值特征向量，按照特征量的選取原 則選取特征能量，具體步驟如下：
[0030] 401)將大于最大特征向量系數(shù)5%的量作為能量特征參量；
[0031] 402)由于在小波分解中，兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)母節(jié)點(diǎn)，為了消除特征量的冗余信 息，如果一個(gè)母節(jié)點(diǎn)是特征參量，而且它的兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)也是特征參量，那么只保留母節(jié)點(diǎn)作 為能量特征參量。
[0032] 本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有W下創(chuàng)新點(diǎn)：
[0033] 1.通過(guò)統(tǒng)計(jì)大量局部放電電磁波信號(hào)特征，確定了奇異值特征向量中選擇特征量 的闊值；
[0034] 2.將小波包分解與奇異值分解結(jié)合，從整個(gè)小波樹(shù)種提取局部放電電磁波信號(hào)的 特征量，能夠全面有效地提取特征量，達(dá)到了使用較少的特征參量能夠有效地區(qū)分了不同 放電類型激發(fā)的電磁波信號(hào)。
[0035] 本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有W下顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0036] 1、對(duì)比原有從小波包樹(shù)最底層提取特征參量的方法，本發(fā)明從小波包整樹(shù)中選取 特征參量，不會(huì)遺漏有效的特征參量；
[0037] 2、利用奇異值分解對(duì)小波包樹(shù)能量矩陣進(jìn)行分解，能夠有效降低冗余參量，提高 了局部放電電磁波特征提取的效果。
[0038] 綜上所述，本發(fā)明有效的解決從大量的能量參量中提取有效的特征參量的問(wèn)題， 本發(fā)明使用對(duì)小波樹(shù)全樹(shù)查找和奇異值分解兩種方法進(jìn)行特征量提取
【附圖說(shuō)明】：
[0039] 圖1為本發(fā)明方法小波包分解后節(jié)點(diǎn)能量的示意圖；
[0040] 圖2為本發(fā)明方法能量節(jié)點(diǎn)奇異值的示意圖；
[0041] 圖3為本發(fā)明方法特征能量選擇的示意圖，圓形灰色為選擇的能量特征對(duì)應(yīng)的小 波包節(jié)點(diǎn)編號(hào)。
【具體實(shí)施方式】：
[0042] 本發(fā)明的基本思想是利用融合小波包分解與奇異值分解實(shí)現(xiàn)局部放電電磁波能 量信號(hào)的有效提取，具體流程如下：
[0043] 1)采集局部放電超高頻信號(hào)，使用的示波器其帶寬為IOOMHz~3G化，其采樣率為 5GS/S，使用的傳感器為微帶天線傳感器，其帶寬為IOOMHz~6000MHz;
[0044] 2)對(duì)不同局部放電類型的超高頻信號(hào)樣本進(jìn)行8層小波分解，小波包分解使用的 母小波為'化2'、'化4'，'化8'，小波包分解層數(shù)為8~10層；
[0045] 3)求每個(gè)信號(hào)小波分解樹(shù)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量，構(gòu)成該信號(hào)的能量向量；
[0046] 計(jì)算每個(gè)小波包節(jié)點(diǎn)能量為 閨
(1)
[004引式中，X表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的小波系數(shù)，N表示小波系數(shù)的長(zhǎng)度，將所有小波包節(jié)點(diǎn)的能 量構(gòu)成該信號(hào)的節(jié)點(diǎn)能量向量；
[0049] (.2)
[0050] 其中，n表示每個(gè)信號(hào)分解為n個(gè)節(jié)點(diǎn)，M表示UHF信號(hào)的個(gè)數(shù)，eij表示第j個(gè)超高頻 信號(hào)經(jīng)過(guò)小波包分解后第i個(gè)小波節(jié)點(diǎn)的小波系數(shù)能量；
[0051] 4)計(jì)算局部放電電磁波信號(hào)能量矩陣的奇異值，根據(jù)相對(duì)奇異值大小選擇奇異值 最大W及第二大的奇異值向量；
[0052] 相對(duì)奇異值計(jì)算公式為：
[0053]
^3)
[0054] 選擇依據(jù)為：
[0055] 當(dāng)A Si2大于0.7時(shí)，選取奇異值值最大的一組向量；
[0056] 當(dāng)A 小于0.7且A S23大于0.7時(shí)，選取奇異值值最大和第二大的兩組向量。
[0057] 5)得到奇異值向量，選擇其中滿足條件的節(jié)點(diǎn)能量，則對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)能量的小波包節(jié) 點(diǎn)為對(duì)應(yīng)的特征量節(jié)點(diǎn)，特征提取依據(jù)如下：
[0058] a)將大于最大特征向量系數(shù)5%的量作為能量特征參量；
[0059] b)由于在小波分解中，兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)母節(jié)點(diǎn)，為了消除特征量的冗余信息， 如果一個(gè)母節(jié)點(diǎn)是特征參量，而且它的兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)也是特征參量，那么只保留母節(jié)點(diǎn)作為 能量特征參量；
[0060] 6)根據(jù)本發(fā)明確定的能量特征量，利用目前常用的識(shí)別模型(支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)和最小鄰居原則），都能得到非常高的局部放電類型識(shí)別正確率，下面4個(gè)表為不同識(shí)別 模型的對(duì)四種放電類型的識(shí)別準(zhǔn)確率。
[0061] 表1支持向量機(jī)測(cè)試結(jié)果
[0062]
[00化]表 3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試結(jié)果(M 沈= 0.01，Mse = O.01; neurons = 350)
[
[
[0066]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 對(duì)采集到的局部放電電磁波信號(hào)進(jìn)行小波包分解，得到局部放電電磁波信號(hào)小波包 分解樹(shù)； 2) 計(jì)算局部放電電磁波信號(hào)小波包分解樹(shù)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量，建立局部放電電磁波信 號(hào)的能量矩陣E; 3) 利用奇異值分解計(jì)算能量矩陣E的奇異值，得到滿足條件的奇異值向量； 4) 根據(jù)特征選取原則，將奇異值向量中大于閾值的節(jié)點(diǎn)能量保留，并記錄相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)， 則節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能量為局部放電信號(hào)的特征量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，其特征在于，步驟1) 中小波包分解使用的母小波為'db2'、'db4'以及'db8'。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，其特征在于，步驟1) 中小波包分解層數(shù)為8~10層。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，其特征在于，步驟2) 的具體實(shí)現(xiàn)方法如下： 201) 小波包分解后節(jié)點(diǎn)能量為(!) 式中，X表示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的小波系數(shù)，N表示小波系數(shù)的長(zhǎng)度，小波包分解所有節(jié)點(diǎn)的能量 構(gòu)成該信號(hào)的節(jié)點(diǎn)能量向量； 202) 對(duì)于一組超高頻信號(hào)講行小波分解得剞的能量矩陣如下式所示：) 式中，η表不每個(gè)信號(hào)分解為η個(gè)節(jié)點(diǎn)，M表不UHF信號(hào)的個(gè)數(shù)，ei,j表不第j個(gè)超高頻信號(hào) 經(jīng)過(guò)小波包分解后第i個(gè)小波節(jié)點(diǎn)的小波系數(shù)能量。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，其特征在于，步驟3) 的具體實(shí)現(xiàn)方法如下： 301) 對(duì)能量矩陣E進(jìn)行奇異值分解，得到奇異值數(shù)組δ; 302) 計(jì)算相對(duì)奇異值Δ δ12、Δ δ23以及Δ δ34,公式如下：根據(jù)相對(duì)奇異值大小，選擇奇異值最大的一組或兩組向量，選取原則為： 當(dāng)Δ δ12大于0.7時(shí)，選取奇異值值最大的一組向量； 當(dāng)Δ δ12小于0.7且△ δ23大于0.7時(shí)，選取奇異值值最大和第二大的兩組向量。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的局部放電電磁波信號(hào)能量特征提取方法，其特征在于，步驟4) 中，根據(jù)奇異值特征向量，按照特征量的選取原則選取特征能量，具體步驟如下： 401) 將大于最大特征向量系數(shù)5 %的量作為能量特征參量； 402) 由于在小波分解中，兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)母節(jié)點(diǎn)，為了消除特征量的冗余信息，如 果一個(gè)母節(jié)點(diǎn)是特征參量，而且它的兩個(gè)子節(jié)點(diǎn)也是特征參量，那么只保留母節(jié)點(diǎn)作為能 量特征參量。
【文檔編號(hào)】G01R31/12GK106019090SQ201610312854
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】趙煦, 兀鵬越, 柴琦, 馮仰敏
【申請(qǐng)人】西安西熱節(jié)能技術(shù)有限公司