改進的小波閾值去噪在介質(zhì)損耗角檢測中的應用

范晉龍 黃曉峰 鐘鑫豪

摘 要：對于絕緣材料介質(zhì)損耗角的檢測主要是通過計算介質(zhì)的泄露電流與其兩端電壓之間的相位差得到。微弱的泄露電流信號極容易在強噪聲環(huán)境下被淹沒，傳統(tǒng)濾波方法不能將工頻附近的干擾信號濾除掉，因此導致介質(zhì)損耗角測量精度低。本文采用一種改進的小波閾值去噪對采樣信號進行處理，提高介質(zhì)損耗角測量精度，并利用MATLAB仿真驗證其有效性。

關鍵詞：小波變換；閾值去噪；介質(zhì)損耗角

*基金項目：湖南省省市聯(lián)合基金（2019JJ60060），多功能機組絕緣故障診斷關鍵技術(shù)研究

0 引言

長期處于復雜工況下的固體絕緣材料會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的老化，影響電氣設備的正常工作 [1]。介質(zhì)損耗角可以靈敏地監(jiān)測絕緣材料的老化情況，通過計算介質(zhì)兩端電壓與泄露電流信號之間相位差得到其值。由于電流信號極其微弱，混疊了噪聲的采樣信號與原始信號存在較大的偏差，因此對采樣信號降噪是介質(zhì)損耗角檢測的首要環(huán)節(jié)。小波變換由于具有多分辨率分析的特性，能夠較好地區(qū)分混合信號中的有用成分和干擾成分，通過閾值設定能夠?qū)υ夹盘栠M行有選擇性的剔除[2]。閾值的選擇對于信號降噪效果至關重要，傳統(tǒng)硬閾值函數(shù)降噪重構(gòu)后使得信號在λ和-λ兩處都具有不連續(xù)性；而軟閾值去噪會使得信號重構(gòu)后與原始信號存在很大的恒定偏差[3]。 本文在對傳統(tǒng)閾值函數(shù)進行改善后，可以克服上述兩種經(jīng)典閾值函數(shù)的缺陷，仿真研究表明具有較好的去噪效果，能夠應用于介質(zhì)損耗角的測量。

1 介質(zhì)損耗角

固體絕緣材料等效電路如圖1所示，它可以看作電容和線性電阻串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

從圖2可以看出，伴隨尺度的增加，時域窗會變寬，而頻率窗會變窄，這是一種多分辨率的方法。當尺度較大時，適合分析混疊信號中的高頻成分；尺度較小時，適合分析低頻成分，因此小波變換具有混疊信號局部分析的能力[5]。

2.1 小波閾值去噪

小波變換具有一種“集中”信號的能力，混疊干擾的信號通過小波變換后，重要信號的能量匯集在小波域較大的小波系數(shù)中，而噪聲信號分布在整個小波域的系數(shù)中。由于重要信號和噪聲信號的小波系數(shù)值存在較大的差異，小波系數(shù)較大的一般以重要信號為主，而噪聲的小波系數(shù)較小。因此可以選擇一個合適的閾值函數(shù)對小波系數(shù)進行選擇性剔除，然后對信號進行重構(gòu)，從而達到去噪的目的[6]。小波閾值去噪流程如圖3所示關鍵步驟包括：

1）小波類型、分解層數(shù)、閾值和閾值函數(shù)的選擇；

2）對含噪信號進行處理；

3）按照閾值函數(shù)規(guī)則通過設定閾值進行干擾信號的剔除；

4）信號重構(gòu)。

2.2 改進的小波閾值去噪

在小波閾值降噪過程中，閾值函數(shù)的選擇至關重要，通常有硬閾值與軟閾值函數(shù)。硬閾值函數(shù)保留了絕對值大于λ的小波系數(shù)，可以使得原始信號的大部分信息得到保留，但在λ與-λ兩個地方存在截斷，使得重構(gòu)后的信號出現(xiàn)不連續(xù)震蕩。而相對于硬閾值函數(shù)，軟閾值函數(shù)具備了在λ與-λ兩處的連續(xù)性，但會使小波系數(shù)出現(xiàn)恒定偏差，從而使得重構(gòu)信號和原始信號存在一定的偏差。為了解決軟、硬閾值函數(shù)固有的缺陷，本文采用一種新的閾值函數(shù)：

通過仿真得到降噪后信號與原始正弦信號對比結(jié)果，如圖4和表1、表2所示。圖中干擾強度為30 dB， 可以看出重構(gòu)信號失真度較小。同時對不同的小波閾值去噪算法效果進行對比，結(jié)果如圖5所示。在不同噪聲強度干擾下，本文改進的閾值去噪算法處理后的去噪效果優(yōu)于傳統(tǒng)閾值去噪算法。

利用本文算法進行介質(zhì)損耗角中相位角的計算，得到圖6所示結(jié)果，可以看出相位角計算結(jié)果在15 dB以上噪聲時，計算結(jié)果誤差小，相對誤差為10-5，本文采用的算法介質(zhì)損耗角測量精度較高。

4 結(jié)束語

本文對介質(zhì)損耗角測量過程中噪聲信號的剔除展開研究，利用小波變換多分辨率分析的特點，采用小波閾值去噪對噪聲信號進行剔除。由于傳統(tǒng)的軟、硬閾值函數(shù)均具有局限性，本文采用一種改進的閾值函數(shù)進行信號降噪預處理后進行介質(zhì)損耗角的計算。MATLAB平臺仿真研究表明，改進閾值函數(shù)可以剔除高頻噪聲，重構(gòu)信號失真度低，達到較好的降噪效果，有利于提高介質(zhì)損耗角的測量精度。

參考文獻：

[1] GAO Z，CECATI C，DING S X.A survey of fault diagnosis and fault-tolerant techniques—Part I： Fault diagnosis with model-based and signal-based approaches[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2015， 62（6）：3757-3767.

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[6] 洪民江.基于小波變換的語音信號去噪算法研究[D].南京：南京郵電大學，2018.