SCA-VMD在變壓器聲信號降噪中的應用

吳昊，柴俊，安帥，夏澍

SCA-VMD在變壓器聲信號降噪中的應用

吳昊，柴俊，安帥，夏澍

（國網上海市電力公司市北供電公司，上海市 靜安區 200072）

針對采集變壓器運行聲信號時會混入噪聲的情況，提出了基于稀疏分量分析-變分模態分解(sparse component analysis-variational modal decomposition，SCA-VMD)分離變壓器運行聲信號并降噪的方法。基于稀疏特性的欠定盲源分離能夠在觀測信號數目小于未知源信號數目的情況下實現源信號的有效分離，變分模態分解(VMD)能將一個多分量信號一次性分解為多個單分量信號。以兩路觀測信號作為輸入，利用稀疏分量分析法(SCA)分離得到變壓器運行聲信號，再利用VMD將分離信號分解為4層本征模態函數(intrinsic mode function，IMF)分量，通過閾值濾波的方法對高頻分量和低頻分量進行去噪處理，利用新的IMF分量重構得到去噪信號。仿真試驗和實際試驗結果表明，該方法能實現對變壓器運行聲信號的有效分離和去噪處理。

變壓器；降噪；變分模態分解；閾值濾波

0 引言

電力變壓器作為電力系統中最重要的電氣設備之一，需要確保其處于可靠的運行狀態。變壓器在運行中，其鐵心和繞組會產生振動，經變壓器油和箱體傳遞后向四周輻射混疊后的振聲信號。此外，當變壓器發生局部放電時，往往發出聲信號[1-5]。變壓器的振聲信號中包含了豐富的變壓器運行狀態信息，可以作為判斷其運行狀態的依據[6-9]。

但聲傳感器除采集到變壓器運行狀態聲信號外，還存在電暈聲、環境噪聲等信號，使得變壓器有效的運行狀態信息淹沒在各種干擾當中，難以進行后續處理。因此，如何有效提取變壓器聲信號成為后續正確判斷變壓器故障的關鍵。變壓器聲信號噪聲可分為變壓器本體噪聲和盲源分離(blind source separation，BSS)，BSS是指在源信號和混合通道參數未知的條件下，通過觀測信號估計原信號與混合通道參數的一種方法。目前常用的有獨立分量分析法(independent component analysis，ICA)、稀疏分量分析法(sparse component analysis，SCA)。

目前對變壓器運行狀態聲信號中環境噪聲的提取和降噪效果并不理想。為更好地將變壓器聲信號與環境噪聲分離，本文基于勢函數的SCA算法和變分模態分解(variational mode decomposition，VMD)對聲傳感器采集信號進行去噪處理。試驗結果證明，該方法能夠有效分離變電站運行聲信號和環境噪聲，去噪效果良好。

1 基本原理

1.1 欠定盲源分離

信號閾值選擇貝葉斯閾值，即

IMF4分量噪聲處理如下：

1.2 基于SCA-VMD閾值去噪

本文基于SCA-VMD閾值法去噪，具體步驟如下。

1）將2路混合信號作為SCA輸入，通過漢明窗加窗分幀后進行短時傅里葉變換，使其具有頻域稀疏特性。

2）經欠定盲源分離得到初步去噪信號1。

3）將1利用VMD進行4層IMF分解。

4）將IMF1高頻分量和IMF4低頻分量進行6層小波分解。

5）利用3原則對IMF1高頻分量和IMF4低頻分量進行濾波處理。

6）根據新的IMF1和IMF4，以及IMF2、IMF3分量進行信號重構。

2 仿真試驗

2.1 信號分離

本文仿真試驗依托Matlab2017b，仿真信號由一路變壓器運行聲信號和2路交談語音信號組成,均為8 kHz、16位WAV格式文件。根據變電站聲音采集的實際情況，設定混合矩陣的值，將仿真信號混合為2路觀測信號作為輸入。

試驗中定義3路源信號分別為變壓器運行聲信號、2路交談語音信號，如圖1所示。

根據勢函數可以得到估計混合矩陣：

由于分離過程中對勢函數從大到小進行排序，由于變電站聲信號呈周期性，故勢函數總是最大值，第1個分離信號總是變壓器運行聲信號，針對分離源信號1進行VMD濾波處理，如圖2所示。

圖2 VMD濾波處理源信號

2.2 濾波效果評價

為檢驗方法的可行性，用相關系數評價分離方法的可靠程度。信號的信噪比越大，均方誤差越小，則信號越接近真實信號，去噪效果越好，如表1所示。

從表1可以看出，混合信號由于受2路語音信號影響，與變壓器運行聲信號相似度較低且信噪比小。當進行SCA盲源分離后，相似系數明顯增大，表明分離效果顯著；由于將語音信號分離，信噪比也有一定提升。當進行VMD閾值濾波后，信噪比明顯增大且均方誤差很小。因此本算法可以實現混合信號的有效分離及去噪。

表1 算法分離去噪效果評價

3 試驗結果分析

試驗在某35kV變電站內主變壓器附近，距變壓器高壓側1.5m處。試驗所用語音頻率范圍20Hz~20kHz，靈敏度-35dB，動態范圍>100dB。試驗觀測信號如圖3所示。

圖3 試驗觀測信號

試驗中采集2段包含試驗人員交談語音的觀測信號作為觀測信號輸入。試驗散點如圖4所示，試驗勢能函數曲線如圖5所示，試驗分離源信號如圖6所示。

勢能函數曲線有2個峰值，較大值對應的分離信號包含了語音信號，較小值對應變壓器運行狀態聲信號。這是由于試驗結果中未能將語音信號與變壓器運行聲信號完全分離，而是看作一個整體作為分離源信號輸出，導致包含語音信號的分離信號勢能更大，因此排在了第一。但試驗結果表明算法可以成功分離出變壓器運行聲信號。

圖4 試驗散點圖

圖5 試驗勢能函數曲線

圖6 試驗分離源信號

4 結論

1）通過基于稀疏特性的欠定盲源分離和VMD分解濾波方法對變壓器運行聲信號進行分離和去噪處理。設置合適的閾值函數對IMF進行細節信息提取，更好地保留了變壓器運行聲信號的高頻、低頻部分特性。

2）由仿真得出，該算法能夠實現變壓器運行聲信號的成功分離，分離得到的變壓器聲信號排在分離信號首位，再通過VMD閾值濾波實現去噪。采用相關系數、信噪比及均方誤差對仿真試驗中的分離信號和去噪信號進行評價，各參數均有明顯改善，證明算法效果較好。

3）試驗結果中成功分離出變壓器運行聲信號，但根據勢能函數大小排列會出現分離運行聲信號不在第一位的情況，后續工作將繼續研究如何正確判斷分離信號中的變壓器運行聲信號。

4）變壓器聲信號分離及去噪對變壓器聲信號特征提取及故障判斷有著重要意義，故所提方法有一定的應用前景和使用價值。

[1] 鄒亮，劉晗，徐亮，等．基于改進勢函數稀疏分量分析算法的變壓器振聲自適應提取方法[J]．高壓電技術，2018，44(2)：507-517．

[2] 金瀟．基于聲信號的配電變壓器故障診斷方法研究[D]．武漢：武漢大學，2017．

[3] 蘇世瑋，郭盛，高偉，等.基于卷積神經網絡的變壓器振動信號分析[J]．廣東電力，2018，31(6)：127-132．

[4] Bofill P，Zibulevsky M．Underdetermined blind source separation using sparse representations[J]．Signal Processing，2001，81(11)：2353-2362．

[5] 謝榮斌，張麗娟，靳斌，等．基于經驗模態分解的變壓器振動信號盲源分離[J]．廣東電力，2018，31(2)：119-124．

[6] 王立東，張凱，王良潤．改進小波閾值算法在電機振動信號降噪中的應用[J]．測量技術與儀器儀表，2015(5)：77-80．

[7] 唐貴基，王曉龍．變分模態分解方法及其在滾動軸承早期故障診斷中的應用[J]．振動工程學報，2016(4)：638-648．

[8] 高超飛，劉旭，王偉，等．變壓器局放超聲傳播FEM仿真分析[J]．電網與清潔能源，2017，33(10)：14-22．

[9] 王立東，張凱，王良潤. 改進小波閾值算法在電機振動信號降噪中的應用[J].測量技術與儀器儀表，2015(5)：77-80．

Application of SCA-VMD in Noise Reduction of Transformer Sound Signal

WU Hao, CHAI Jun, AN Shuai, XIA Shu

(State Grid Shibei Electric Power Supply Company, SMEPC, Jing’an District, Shanghai 200072, China)

A method based on sparse component analysis-variational modal decomposition (SCA-VMD) was proposed to separate transformer operation sound signal and reduce noise. The under-determined blind source separation based on sparse characteristics can realize the effective separation of source signals when the number of observed signals is less than the number of unknown source signals, and the variational modal decomposition (VMD) can decompose a multi-component signal into multiple single-component signals at one time. The two-channel observation signals were used as input, the transformer operation acoustic signals were separated by SCA, the separated signals were decomposed into four-layer intrinsic mode function(IMF) components by VMD, the high frequency components and low frequency components were denoised by the method of threshold filtering, and the denoising signals were reconstructed by the new IMF components. The results of simulation and experiment show that this method can effectively separate and de-noising the operating sound signal of transformer.

transformer;noise reduction;variational modal decomposition (VMD); threshold filtering

10.12096/j.2096-4528.pgt.19094

TM 421

國家電網公司科技項目(520914170008)。

Project Supported by Science and Technology Project of State Grid Corporation of China (520914170008).

2019-06-16。

(責任編輯 辛培裕)