南理工-電氣設(shè)備故障診斷課程-第3章診斷技術(shù)中的信號(hào)處理

電氣設(shè)備故障診斷技術(shù)

第三章診斷技術(shù)中的信號(hào)處理方法單梁南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系1一、概述二、窄帶干擾抑制——自適應(yīng)處理器三、窄帶干擾抑制——頻域處理四、窄帶干擾抑制——小波分析五、白噪抑制六、脈沖干擾抑制七、數(shù)據(jù)處理第三章主要內(nèi)容及安排2第3章診斷技術(shù)中的信號(hào)處理33.1概述一）作用電氣設(shè)備監(jiān)測中常使用微機(jī)化的數(shù)字測量裝置，包括傳感器、調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)傳輸部分和微計(jì)算機(jī)。

傳感器檢測信號(hào)中常伴隨各種干擾，因此除了在硬件中采取抑制干擾的措施外，對(duì)檢測所得的信號(hào)一般還需處理以盡可能的抑制干擾，提煉有用信息（信號(hào)特征提?。?。應(yīng)用于診斷的主要目的：1）提高信噪比；2）提取信號(hào)特征。本章將從干擾抑制和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。第3章診斷技術(shù)中的信號(hào)處理43.1概述二）電磁干擾電磁干擾(EMI)英文：(ElectroMagneticInterference)是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性的電子噪音，EMI通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生的。

電氣設(shè)備監(jiān)測中常將電磁干擾源劃分為窄帶干擾源和脈沖（寬帶）干擾源。脈沖干擾源還可按規(guī)律劃分為周期性和隨機(jī)性兩類，此外還有白噪聲。

第3章診斷技術(shù)中的信號(hào)處理53.1概述二）電磁干擾

窄帶干擾源：負(fù)荷電流、故障電流，電力架空線傳送的載波通信信號(hào)，開關(guān)電源、時(shí)鐘振蕩器、頻率變換器、高頻設(shè)備等，它們發(fā)出的單一頻率或多種頻率的干擾信號(hào)。

周期性脈沖干擾源：電力電子器件、高電壓導(dǎo)體電暈、發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)工具等在啟動(dòng)、工作和切斷時(shí)的干擾，信息技術(shù)、工業(yè)控制設(shè)備中的脈沖信號(hào)。

隨機(jī)性脈沖干擾源：絕緣子表面污穢放電、電氣機(jī)車導(dǎo)電弓與架空線的放電、靜電放電、電感性負(fù)荷的切合、雷電脈沖等。

3.2窄帶干擾抑制（一）——自適應(yīng)處理器6

對(duì)檢測信號(hào)中的窄帶干擾，可使用數(shù)字濾波器、自適應(yīng)處理器、頻域處理和小波分析等進(jìn)行抑制。

濾波是抑制窄帶干擾的一種常用方法，前提是信號(hào)與干擾所處頻帶不同。

硬件濾波器是由電阻、電感、電容和放大器組成的電路，依靠調(diào)整電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)來實(shí)現(xiàn)合適的濾波器特性。

數(shù)字濾波器是一種軟件系統(tǒng)，依靠算法來實(shí)現(xiàn)合適的濾波器特性。常用的數(shù)字濾波器有巴特沃茲濾波器和切比雪夫?yàn)V波器等。

參考文獻(xiàn)03-1.pdf71）自適應(yīng)處理器自適應(yīng)處理器包括數(shù)字濾波器、加法器和自適應(yīng)算法。根據(jù)信號(hào)檢測時(shí)的窄帶干擾特點(diǎn)，自適應(yīng)算法會(huì)自行調(diào)整濾波器特性，以最有效地抑制干擾。2）數(shù)字濾波器濾波器h為p階FIR數(shù)字濾波器。3.2窄帶干擾抑制（一）——自適應(yīng)處理器83）隨機(jī)梯度法偏差最小的目的是使信號(hào)與干擾源“最優(yōu)”的分開，可以偏差平方的期望值作為最優(yōu)值。參考文獻(xiàn)03-2.pdf3.2窄帶干擾抑制（一）——自適應(yīng)處理器91）傅里葉變換通過頻域處理抑制窄帶干擾的基礎(chǔ)是傅里葉分析。

電氣設(shè)備診斷中涉及到的信號(hào)通?？梢苑纸鉃楦道锶~級(jí)數(shù)。對(duì)于周期性信號(hào)，分解后得到各次諧波的幅度和相位，構(gòu)成了信號(hào)頻譜的幅度頻率特性和相位頻率特性。對(duì)于非周期性信號(hào)，引入頻譜密度的概念，經(jīng)傅里葉變換后也可得到信號(hào)的頻譜信息。3.2窄帶干擾抑制（二）——頻域處理101）傅里葉變換周期性信號(hào)的時(shí)域表達(dá)形式：傅里葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)展開式：傅里葉變換：傅里葉反變換：3.2窄帶干擾抑制（一）——自適應(yīng)處理器111）傅里葉變換通常，傳感器檢測得到的模擬信號(hào)要轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，它們是長度有限的離散數(shù)據(jù)，對(duì)它們進(jìn)行的傅里葉變換稱為離散傅里葉變換（DFT）。

為了解決計(jì)算量大、數(shù)據(jù)占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存容量大的問題，又出現(xiàn)了快速傅里葉變換（FFT），F(xiàn)FT在診斷技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。3.3窄帶干擾抑制（二）——頻域處理122）頻域處理對(duì)混有窄帶干擾的檢測信號(hào)在頻域抑制干擾，再將其變換為時(shí)域信號(hào)，這種抑制窄帶干擾的方法稱為頻域處理法。3.3窄帶干擾抑制（二）——頻域處理132）頻域處理當(dāng)局部放電檢測信號(hào)中混入窄帶干擾后，在局部放電脈沖信號(hào)的幅頻特性上將疊加上一些窄帶干擾的頻率成分，可使用譜線刪除法、頻域開窗法或多通帶濾波法來抑制。

當(dāng)干擾源較少時(shí)，可將譜圖中的垂直譜線刪除，再對(duì)處理后的譜圖進(jìn)行快速傅里葉反變換IFFT得到時(shí)域波形，稱為譜線刪除法。

3.3窄帶干擾抑制（二）——頻域處理142）頻域處理當(dāng)窄帶干擾在頻域占有一定寬度時(shí)，可在頻域相應(yīng)位置開窗，對(duì)經(jīng)處理的譜圖進(jìn)行IFFT，這種方法稱為頻域開窗法。

3.3窄帶干擾抑制（二）——頻域處理152）頻域處理當(dāng)干擾源較多、又各在頻域占有一定寬度時(shí)，可選擇頻域中無干擾的頻域范圍作為信號(hào)通帶，進(jìn)行多通帶濾波，對(duì)經(jīng)處理的譜圖進(jìn)行IFFT，該方法稱為多通帶濾波法。

在得到的時(shí)域波形中窄帶干擾也將被抑制，放電信號(hào)顯示出來，由于較多的頻率分量丟失，脈沖波形會(huì)有較大的變化。3.3窄帶干擾抑制（二）——頻域處理163）應(yīng)用實(shí)例某電廠500KV變壓器局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)采集波形，經(jīng)譜線刪除法后得到較為明顯的局部放電脈沖波形。

參考文獻(xiàn)03-4.pdf3.4窄帶干擾抑制（二）——頻域處理171）時(shí)域局部分析傅里葉變換能夠分析信號(hào)x(t)的頻率特性，但是這樣得到的是信號(hào)在整個(gè)時(shí)域的頻譜，而不是局部時(shí)間范圍內(nèi)的信號(hào)頻域特性。

為了解x(t)在局部范圍內(nèi)的頻率特性，可進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換（STFT）或稱加窗傅里葉分析。該分析方法是先對(duì)信號(hào)x(t)施加時(shí)間上有限的滑動(dòng)窗函數(shù)，再進(jìn)行傅里葉變換。

但是STFT在分析頻率降低時(shí)時(shí)域視野并不放寬，分析頻率增加時(shí)域分析范圍也不放寬，不能敏感地反映信號(hào)的突變。

因此近年來小波變換(wavelettransform,WT)稱為強(qiáng)有力的信號(hào)處理工具，具有多分辨率特性，可在時(shí)域、頻域表現(xiàn)信號(hào)的局部特征，更適合處理具有瞬態(tài)突變特性的信號(hào)。3.4窄帶干擾抑制（三）——小波分析182）小波變換小波變換屬線性變換，無干擾項(xiàng)，在低頻處頻率分辨率高，在高頻率處時(shí)間分辨率高，即時(shí)頻分辨率可變，具有“變焦”特性，因此具有對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)局部化分析的突出優(yōu)點(diǎn)，有良好的時(shí)域定位功能，越來越引起人們的重視。小波函數(shù)系，它通過一基本小波(母小波)的平移和收縮構(gòu)成的，并具有波動(dòng)性、時(shí)域衰減性和頻域衰減性的性質(zhì)，對(duì)一基本小波函數(shù)引入“尺度參數(shù)”a和“位移參數(shù)”b，可以產(chǎn)生一組小波函數(shù)。

3.4窄帶干擾抑制（三）——小波分析192）小波變換

3.4窄帶干擾抑制（三）——小波分析尺度參數(shù)a和位移參數(shù)b不僅影響窗口的位置，也影響著窗口的形狀。假設(shè)函數(shù)的窗口中心和半徑分別為

。在時(shí)域上，由函數(shù)的定義得其中心為

則定義給出的小波變換得到的是函數(shù)f(t)在時(shí)間窗口。

上的局部信息，隨著a值的增大，時(shí)間窗口寬度變寬，在時(shí)域上的分辨率降低。在頻域上，假設(shè)窗函數(shù)

a增大，窗口變窄，在頻域上的分辨率提高。202）小波變換

3.4窄帶干擾抑制（三）——小波分析實(shí)際應(yīng)用中常采用離散形式，即

其中T為采樣間隔

小波變換是一線性變換，它的物理圖案就是用一族頻率不同的振蕩函數(shù)作為窗口函數(shù)

對(duì)信號(hào)進(jìn)行掃描和平移，其中a為改變振蕩頻率的尺度參數(shù)，b為定位參數(shù)。212）小波變換

3.4窄帶干擾抑制（三）——小波分析正交多分辨小波分解及其時(shí)-頻特性圖

圖中，H和G分別可以看成低通濾波器和高通濾波器，分別對(duì)信號(hào)濾波提取信號(hào)緩變和細(xì)節(jié)或突變特征。

基于多分辨率分析的快速小波變換是利用正交小波基將信號(hào)分解為不同尺度下的各個(gè)分量，其實(shí)現(xiàn)過程相當(dāng)于重復(fù)使用一組高通和低通濾波器對(duì)時(shí)間序列信號(hào)進(jìn)行逐步分解，高通濾波器產(chǎn)生信號(hào)的高頻細(xì)節(jié)分量，低通濾波器產(chǎn)生信號(hào)的低頻粗略分量。濾波器得到的兩個(gè)分量所占的頻帶寬度相等。每次分解后，將信號(hào)的采樣頻率降低一半，下一步對(duì)低頻分量重復(fù)以上的分解過程，得到下一層次的兩個(gè)分解分量。223）應(yīng)用實(shí)例（03-5.PDF）

應(yīng)用小波分析方法可有效抑制窄帶干擾，現(xiàn)場局部放電檢測數(shù)據(jù)更易分析和處理。原始數(shù)據(jù)：處理后的數(shù)據(jù)：3.4窄帶干擾抑制（三）——小波分析233.5.1時(shí)域平均法

白噪聲是電氣設(shè)備信號(hào)檢測中經(jīng)常遇到的一種隨機(jī)干擾，可以使用時(shí)域平均法或小波分析法進(jìn)行抑制。

時(shí)域平均法的原理較為簡單。如果被檢測信號(hào)是周期性的（50Hz電源中周期出現(xiàn)局放），就可使用時(shí)域平均法來抑制白噪干擾。

在時(shí)域內(nèi)按有用信號(hào)周期的整數(shù)倍將測量獲得的數(shù)據(jù)劃分為若干個(gè)樣本，再進(jìn)行平均，則數(shù)據(jù)處理前后有用信號(hào)的幅度基本不變，而白噪干擾將受到抑制?！獣r(shí)域平均法3.5白噪抑制243.5.1時(shí)域平均法設(shè)x(t)為所獲取的回轉(zhuǎn)機(jī)械運(yùn)行中產(chǎn)生的機(jī)械信號(hào),對(duì)應(yīng)的離散信號(hào)為Xn=X(△n),△為采樣間隔。按回轉(zhuǎn)頻率f0提取相應(yīng)的周期信號(hào),則將Xn分為P段,每段對(duì)應(yīng)周期T=1/f0,并設(shè)各段采樣點(diǎn)數(shù)相等為N。那么,時(shí)域同步平均Xn可以表示為

對(duì)上式作Z變換得

根據(jù)Z變換的時(shí)移特性，

化為：

化簡并令，可得時(shí)域同步平均的頻率響應(yīng)函數(shù)3.5白噪抑制3.5.1時(shí)域平均法因?yàn)椋?/p>

最后得到時(shí)域同步平均系統(tǒng)的幅頻、相頻特性分別為：濾波前濾波后253.5白噪抑制3.5.2小波去噪法

（1）基本原理：小波變換具有在時(shí)、頻兩域突出信號(hào)局部特征的能力，這些特征可以是反映個(gè)別信號(hào)特點(diǎn)的某些參量，也可以是很多信號(hào)共有的共性量。

例如：信號(hào)的過零點(diǎn)、極值點(diǎn)、過零間隔等公共特征。小波變換奇異點(diǎn)（過零點(diǎn)、極值點(diǎn)）在多尺度下的綜合表現(xiàn)，使其具有表征信號(hào)突變特征的能力。

通過小波變換的過零點(diǎn)和極值點(diǎn)來檢測信號(hào)的局部突變。然而過零點(diǎn)的檢測易受干擾影響，因此采用極值點(diǎn)效果更好。263.5白噪抑制3.5.2小波去噪法

（2）小波變換極大值在多尺度上的變化數(shù)學(xué)上采用李氏指數(shù)（Lipschitzexponent）a來表征函數(shù)的局部特征。如有

當(dāng)尺度因子時(shí)得到：

上述公式反映了

小波變換中數(shù)值隨尺度j和李氏指數(shù)a的變化規(guī)律。

當(dāng)a>0時(shí)，小波變換的極大值隨尺度j的增大而增大；當(dāng)a<0時(shí)，小波變換的極大值隨尺度j的增大而減?。?/p>

當(dāng)a=0時(shí)，小波變換的極大值不隨尺度改變。273.5白噪抑制3.5.2小波去噪法

（3）小波去除白噪小波法去除白噪的應(yīng)用中，白噪的李氏指數(shù)為：由上式可知，其小波變換極大值隨尺度的增加而減小，即白噪的極大點(diǎn)隨尺度的增加而減少。因此當(dāng)信號(hào)中混有白噪時(shí)，大尺度下的極大點(diǎn)主要屬于信號(hào)。

消除白噪的做法是：對(duì)測量獲得的信號(hào)進(jìn)行不同尺度下的小波變換；以大尺度下的極值點(diǎn)為基礎(chǔ)；逐步減少j值，根據(jù)高一級(jí)極值點(diǎn)的位置尋找本級(jí)的對(duì)應(yīng)極值點(diǎn)，并去除其他極值點(diǎn)；逐級(jí)搜索，直至j=1為止；以選擇出來的極值點(diǎn)重建信號(hào)。283.5白噪抑制3.5.2小波去噪法

（3）小波去除白噪原始局放信號(hào)疊加白噪聲后小波去噪后的信號(hào)

293.5白噪抑制脈沖型干擾可分為周期性干擾和隨機(jī)性干擾兩類。

對(duì)于隨機(jī)性脈沖干擾，由于干擾在時(shí)間、幅度、脈沖參數(shù)上的隨機(jī)性，對(duì)其進(jìn)行抑制是相對(duì)困難的。

對(duì)于周期性脈沖干擾

，雖然干擾出現(xiàn)具有周期性，但由于情況復(fù)雜多樣（電暈在發(fā)生相位和幅度上具有分散性，某些周期脈沖干擾與局放信號(hào)具有相似性），使得脈沖干擾的抑制也有困難。

時(shí)域開窗法是對(duì)測量獲得信號(hào)進(jìn)行分析，對(duì)確認(rèn)的脈沖型干擾，通過軟件對(duì)干擾所處時(shí)域內(nèi)的數(shù)據(jù)清零，以此來抑制脈沖干擾。這是目前比較通用的一種方法。

此外平衡法、脈沖鑒別法也有所研究，不過實(shí)際應(yīng)用還需進(jìn)一步研究。303.6脈沖干擾抑制時(shí)域開窗法313.6脈沖干擾抑制3.7.1數(shù)據(jù)校正

受電氣設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場自然環(huán)境和電磁環(huán)境中各種因素的作用，監(jiān)測數(shù)據(jù)可能會(huì)受到影響，在根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)診斷前，應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。以溫度監(jiān)測值校正為例，主要有四種溫度校正方法。1）電流傳感器溫度特性校正法

根據(jù)周圍環(huán)境溫度和所使用的電流傳感器的溫度特性，對(duì)介質(zhì)損耗監(jiān)測值進(jìn)行數(shù)據(jù)校正是一種最直接的方法。2）同期數(shù)據(jù)對(duì)比校正法

考慮到各地區(qū)每年溫度變化規(guī)律基本相同，可嘗試用不同年份相同日期的介質(zhì)損耗比較來進(jìn)行溫度校正。323.7數(shù)據(jù)處理3.7.1數(shù)據(jù)校正

以溫度監(jiān)測值校正為例，主要有四種溫度校正方法。3）同溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)比校正法

如果不同年份同一天的溫度存在較大差異，可以使用本方法進(jìn)行校正。若溫度差超過