遞歸式變分模態(tài)分解在電力變壓器聲音信號降噪中的應用

邵春雨，竇會光，張海東，楊彥軍，劉 剛，孫文明

(1.遼寧省送變電工程有限公司，遼寧 沈陽 110000；2.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116039；3.東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

電力變壓器作為電網(wǎng)運行中的重要設(shè)備，在完成升壓的任務的同時也要保證電能的穩(wěn)定傳輸[1].對于整個電網(wǎng)來說，電力變壓器的穩(wěn)定運行顯得尤為重要，而要使電力變壓器能夠保持安全穩(wěn)定的運行，需要對其進行實時的運行狀態(tài)監(jiān)測，確保不存在安全風險因素，保證電力變壓器的運行能夠持續(xù)穩(wěn)定，一旦發(fā)現(xiàn)潛在風險或運行異常時需要及時排除，以保證電力運行安全可靠，因此，電力變壓器狀態(tài)監(jiān)測具有重要的工程意義[2-3].

當前國內(nèi)常用的變壓器在線監(jiān)測狀態(tài)方式主要有五種：油中溶解氣體在線監(jiān)測、局部放電在線監(jiān)測、鐵芯接地電流在線監(jiān)測、繞組溫度在線監(jiān)測和振動頻譜在線監(jiān)測[4-5].傳統(tǒng)的油中溶解氣體分析方法有兩種：特征氣體判別法和三比值判別法[6].特征氣體判別法具有原理簡單、易于實施的優(yōu)點，但其測試結(jié)果可能受到非故障氣體的影響.三比值判別法也存在故障特征識別模糊的缺點[7]；局部放電監(jiān)測主要包括超高頻方法和超聲波方法.超高頻法雖然成本較高，但精度好、抗干擾能力強.超聲波法的技術(shù)比較成熟，安裝比較方便，利用聲-電連接法發(fā)揮自己的優(yōu)勢，實現(xiàn)安置監(jiān)測的可靠[8-10]；繞組溫度在線監(jiān)測主要包括熱模擬測量法、間接計算測量法和直接測量法.前兩者雖然方便、經(jīng)濟，但結(jié)構(gòu)復雜，測量誤差大.光纖傳感技術(shù)在變壓器內(nèi)部繞組“熱點”溫度測量中的應用已經(jīng)成為一種必然的發(fā)展趨勢[11]；鐵芯接地電流在線監(jiān)測裝置原理簡單，技術(shù)成熟，目前市場上有很多產(chǎn)品[12]；振動監(jiān)測常采用壓電式加速度傳感器，安裝在變壓器鐵殼外，頻率從幾Hz到20 kHz，最高可達80 kHz.該方法適用于各種類型的變壓器，但需要對繞組振動特性進行深入研究，另外，安裝位置對振動信號測量也有影響[13-14].

除以上五種主要監(jiān)測手段外，可利用電力變壓器所發(fā)出的聲音進行狀態(tài)監(jiān)測.相較于振動監(jiān)測，依據(jù)本方法所設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)在線非接觸式的變壓器狀態(tài)監(jiān)測，不需要在變壓器的外圍安裝加速度傳感器[15].一般來說，只有嚴重的故障可以通過聲音監(jiān)測來判斷.在故障的初始階段很難判斷異常狀態(tài)，只有當它進一步發(fā)展為嚴重故障時才能發(fā)現(xiàn).由于變壓器內(nèi)部的聲音信號受到傳輸介質(zhì)的影響，聲音信號在采集過程中容易與環(huán)境噪聲耦合，呈現(xiàn)出短時隨機脈沖的特點，導致聲音能量低，聲音信號提取和檢測不準確，因此，對聲音信號進行降噪尤為重要[16].

目前，對聲音信號的環(huán)境背景噪聲降低方法的研究主要集中在經(jīng)驗模態(tài)分解方法(Empirical Mode Decomposition,EMD)方法[17]、局部均值分解(Local Mean Decomposition,LMD)[18]和變分模態(tài)分解(VMD)[19].相比EMD和LMD，VMD具有抗模態(tài)混疊優(yōu)勢，但模態(tài)個數(shù)需要人為指定，因此，文獻[20]提出了RVMD用于旋轉(zhuǎn)機械振動信號處理，但并未對其濾波特性進行研究，本文分析了RVMD濾波特性，并將其應用于變壓器聲音信號降噪處理.

1 RVMD原理及濾波特性

1.1 RVMD原理

VMD的核心是變分問題的求解，算法上借助拉格朗日乘法算子與二次懲罰因子實現(xiàn)約束性變分問題轉(zhuǎn)換為非約束性問題，但VMD分解的模態(tài)個數(shù)K需要人為設(shè)定，K太大或者輸入數(shù)據(jù)太長會導致計算機內(nèi)存溢出，無法滿足故障信號自動分解的要求，為此，文獻[20]提出RVMD方法，其流程如圖1所示.

(1)初始化X(t)和Ul(t)：將原始信號賦值給X(t)，并且將低頻模態(tài)Ul(t)設(shè)置為0序列；

(2)除去低頻模態(tài)：每開始運行VMD時，均將低頻模態(tài)從X(t)中除去，

X(t)=X(t)-Ul(t)

；

(1)

(3)運行VMD：設(shè)定分解模態(tài)個數(shù)k=2，懲罰因子采用VMD默認值，即α=2000，運行VMD得到低頻模態(tài)Ul(t)和高頻模態(tài)Uh(t)兩部分；

(4)停止迭代：停止迭代條件取決于分解后兩個模態(tài)的中心頻率的貼近度，其貼進度定義為

圖1 RVMD流程圖

fd=(fh-fl)/fl

，

(2)

其中，fl(t)和fh(t)分別對應著Ul(t)和Uh(t)的中心頻率，當fd小于閾值，程序回到步驟(2)，此時低頻模態(tài)Ul(t)取代原始信號X(t)參與VMD分解，即Ui(t)=Ul(t)；否則當達到迭代條件達到時，將分解后的低頻模態(tài)Ul(t)與高頻模態(tài)Uh(t)相加，即Ui(t)=Ul(t)+Uh(t)，最后輸出分解后的各模態(tài)。為了防止VMD運行時間過長，可以預設(shè)最大的迭代次數(shù)。

1.2 RVMD仿真分析

本節(jié)通過仿真分析，說明該方法相比類似信號分解方法(VMD和EMD)的特點，其中，仿真信號采用文獻[19]中的仿真信號s(t)，其信號構(gòu)成如下：

(3)

設(shè)t的范圍為0～1之間，采樣頻率為1 024 Hz，其中，f1、ff2、ff3分別為2 Hz、24 Hz和288 Hz，N(0，0.1)為噪聲干擾，仿真信號時域波形如圖2所示.

圖2 仿真信號時域圖

對仿真信號分別用EMD、VMD、RVMD三種方法進行分解，如圖3、圖4和圖5所示，其中，相比VMD和RVMD，EMD的低頻分量存在明顯的模態(tài)混疊，另外，RVMD方法將仿真信號自動劃分成5個模態(tài)分量.分別對EMD、VMD、RVMD分解后的模態(tài)分量進行頻譜分析。由圖6可知，EMD分解所得IMF1與IMF2分量存在明顯的模態(tài)混疊現(xiàn)象；對比圖7和圖8，RVMD和VMD均表現(xiàn)出良好的帶通濾波特性，成功提取出3個不同頻率的模態(tài)分量.

圖3 EMD分解方法圖4 VMD分解方法圖5 RVMD分解方法圖6 EMD分量頻譜圖圖7 VMD分量頻譜圖圖8 RVMD分量頻譜圖

1.3 RVMD濾波特性

以上仿真顯示出RVMD具有類似VMD的帶通濾波特性，下面對RVMD的等效濾波特性進行分析，其中，信號源采用高斯噪聲(fGn).fGn表達離散序列是基于分數(shù)布朗運動曲線實現(xiàn)的，其性質(zhì)主要由一個參數(shù)——Hurst指數(shù)決定.當0

本文選擇H=0.2、0.5、0.8采用平均功率譜算法對，VMD、EMD、RVMD的等效濾波特性表達頻域：單獨生成2000個fGn(標準偏差對應1，擁有512個點)，依次設(shè)定各組的fGn的分解K=4，再就各組的4個分量計算功率譜，接著求取2000組的平均功率譜，接著生成4組分量的平均功率譜，也就是當K=4的等效濾波器組，H為0.2、0.5、0.8時VMD、EMD、RVMD的等效濾波器組如圖9所示.

以上分析發(fā)現(xiàn)，EMD、VMD、RVMD方法均存在良好的適應性，能將四種模態(tài)分開，但VMD和RVMD具有明顯的低頻分量提取能力(圖中藍線)，而EMD更傾向于提取高頻分量；當H值一定時，RVMD方法對應的四條線交點最少，因此，相比VMD濾波特性，RVMD能更好得將各個模態(tài)分開，它不僅保留了VMD的低頻分量提取能力，還具有良好的帶通濾波特性，適用于去除信號中的高頻噪聲和干擾.

2 現(xiàn)場應用

2.1 聲音信號采集

為驗證RVMD的降噪效果，本文采用戶外定向拾音器對YBW-12/0.4-630預裝式變壓器進行聲音信號采集，拾音器硬件接口如圖10(a)所示，其中，1-6分別為拾音咪頭、狀態(tài)指示燈、網(wǎng)絡接口、電源及模擬音頻輸出接口、報警輸出接口、模擬音頻輸出接口.變壓器聲音信號采集與監(jiān)測系統(tǒng)如圖10(b)所示，現(xiàn)場采用電源接口和網(wǎng)絡接口，完成變壓器聲音信號拾取，采樣頻率32 kHz.

圖10 拾音器接口及變壓器聲音信號采集

3.2 基于RVMD的聲音信號降噪

變壓器聲音信號時域波形如圖11所示，其中，時域波形在0.5 s到0.6 s間出現(xiàn)局部畸變，這是音頻采集過程中人為投擲小石子產(chǎn)生的局部沖擊，以模擬戶外變壓器在全天候環(huán)境下聲音信號監(jiān)測中可能遇到的外界小幅度沖擊干擾.圖11所展示的信號頻譜(中)和包絡譜(下)顯示，變壓器聲音信號的主要成分是50 Hz及其倍頻分量，并以100 Hz為主導頻率成分.

圖11 變壓器聲音信號及頻譜分析

對變壓器聲音信號進行RVMD分解，最終獲取高頻U1、中頻U2和低頻U3三個分量，時域波形和頻譜分析如圖12和圖13所示，其中，U1為小石子引發(fā)的局部沖擊，該分量作為干擾被成功提取出來；U2為變壓器正常工作時引發(fā)的噪聲，原“隱藏”在圖11的時域波形中，該分量作為噪聲也被提取出來；U3為變壓器正常工作時產(chǎn)生的音頻成分，圖14顯示，該低頻分量的頻譜和包絡譜與原信號非常接近，但由于濾除了噪聲和干擾，U3分量的音頻播放非常適用于針對變壓器自身的音頻監(jiān)測.綜上所述，RVMD在電力變壓器聲音信號降噪方面具有良好的工程應用價值.

圖12 變壓器聲音信號RVMD分解

圖13 RVMD分量頻譜圖14 RVMD低頻分量及頻譜分析

4 結(jié) 論

(1) RVMD仿真分析表明，該方法不僅保留了VMD的低頻分量提取能力，還具有良好的帶通濾波特性，適用于去除信號中的高頻噪聲和干擾.

(2) 基于RVMD的變壓器聲音信號降噪效果明顯，可有效提取變壓器工作產(chǎn)生的音頻分量，提出噪聲和其他干擾沖擊，為基于聲音信號的變壓器在線監(jiān)測提供參考.