一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法技术

本发明专利技术请求保护一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法。该方法利用Hilbert变换求取GIS局部放电信号的包络，并基于包络提取局部放电脉冲波形的统计特征参数、时域特征参数和频域特征参数，采用改进的核主成分分析法对提取的特征参数进行降维，最终得到维数较低的且能正确执行局部放电分类的特征量。相比通常的GIS局部放电信号特征提取方法，本发明专利技术提取的局部放电特征量不仅维数较低，而且物理意义更为明确，更能准确地表征局部放电信号。本发明专利技术对GIS局部放电信号特征进行有效提取，有利于对GIS内产生的局部放电进行检测识别，及时了解设备内部的绝缘劣化情况，对于GIS设备的安全运行具有重要价值。对于GIS设备的安全运行具有重要价值。对于GIS设备的安全运行具有重要价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法


[0001]本专利技术GIS局部放电在线监测
，具体涉及一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法。

技术介绍

[0002]随着我国国民经济的快速发展，电力工业建设的突飞猛进，大电网、大容量、超高压、大机组己经成为现代电力系统的特点和发展趋势，为保障电力系统的安全性、稳定性和可靠性，对电力设备运行提出了更高的要求。由于气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，简称GIS)具有占地面积小、运行安全可靠、维护工作量少、检修周期长等一系列优点，近些年来在现代电力系统中得到了广泛的应用。
[0003]GIS在制造、运输、安装和运行的过程中容易出现金属毛刺、电极电位浮动、自由金属颗粒和绝缘老化等各种缺陷，这些缺陷将导致不同程度的局部放电，长期的局部放电将使设备绝缘进一步劣化，严重时将造成整个绝缘击穿，从而对设备的安全运行造成严重的威胁。因此，有必要对GIS内产生的局部放电进行检测识别，判断引发局部放电的绝缘缺陷类型，及时针对不同的缺陷类型进行相应的检修维护工作，防止出现绝缘整体击穿的重大事故。其中局部放电信号特征的提取是局部放电信号检测识别的关键。
[0004]当前国内外学者对局部放电信号特征的提取开展了大量研究，主要形成了以下四类特征提取方法：(1)统计特征提取法；(2)分形特征提取法；(3)小波特征提取法；(4)图像矩特征提取法，这四类特征提取方法主要存在以下问题：
[0005]统计特征提取法所需的样本数量较大，得到的特征量维数较高，会产生一定的信息冗余，不利于后续的模式识别；分形特征提取法的分形维数计算容易受到局部放电信号长度和有效信号点数的影响，并且提取的特征量维数较高；小波特征提取法在计算特征量时很难选择合适的小波基和分解层数；图像矩特征法计算复杂度较高，且没有明确的物理意义，在实际应用中受到一定限制。
[0006]因此目前急需一种能简单、有效提取GIS局部放电信号特征的方法，以便对GIS内产生的局部放电信号进行快速、有效地识别。
[0007]经过检索，申请公开号为CN110231548A，一种基于超声信号包络谱的GIS局部放电特征提取方法，该方法可以帮助识别不同类型的局部放电绝缘缺陷。包括：设计三种GIS典型绝缘缺陷，采集局部放电超声信号；利用FIR带通滤波器对局放超声信号进行滤波处理；利用Hilbert变换对滤波后的局放超声信号进行包络提取；对信号包络进行工频相关性及相位模式分析，得到不同缺陷类型的测量特征，
[0008]上述专利技术基于超声信号包络谱只提取了局部放电信号的峰峰值、峰值、有效值、偏斜度和峭度等波形统计特征参数，却忽略了方差、波形因子、峰值因子、脉冲因子和裕度因子等包含局部放电信号重要波形特征信息的特征参数；上述专利技术基于超声信号包络谱只提取了局部放电信号的50Hz频率相关性和100Hz频率相关性等频域特征参数，却忽略了频率幅值均值、重心频率、均方根频率、频率方差和第一主频频率等包含局部放电信号重要频域
特征信息的特征参数。因此上述专利技术提取的局部放电特征没有包含局部放电信号的大部分信息，并不能很好地表征局部放电信号，会影响后续局部放电模式识别的精度。
[0009]本专利技术分别基于信号的时域波形包络和频谱包络来提取时域特征参数和频域特征参数，并联合由局部放电有效数据提取得到的统计特征参数共同构建放电特征数据，由上述三类特征参数构建的局部放电特征数据总共包含了24组信号特征指标，基本包含了局部放电信号的全部特征信息，解决了前述专利技术存在的局部放电特征包含的信息量不足等问题。同时本专利技术还创新性地提出了改进的KPCA算法，并利用改进的KPCA算法对提取的局部放电特征数据进行降维处理，得到了维数较低且能正确执行局部放电分类的特征量，其较低的特征维数也使得后续识别模型的训练和识别时间大大缩减，提高了局部放电模式识别效率
[0010]因此相比前述专利技术，本专利技术提取的局部放电特征参数包含更多的有效放电信息，且特征维数较低，分类效果更好，更有利于后续的局部放电模式识别。

技术实现思路

[0011]本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种能简单、有效地基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法。本专利技术的技术方案如下：
[0012]一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法，其包括以下步骤：
[0013]采集现场检测的气体绝缘组合电器GIS局部放电信号；
[0014]对采集的GIS局部放电信号进行有效数据的提取，去除不包含放电信息的无效信号数据；
[0015]利用Hilbert变换求取放电信号的包络；
[0016]基于放电信号的包络提取局部放电脉冲波形的统计特征参数、时域特征参数和频域特征参数，利用这三类特征参数构建局部放电特征数据；
[0017]利用改进的核主成分分析法对提取的局部放电特征数据进行降维处理，核主成分分析KPCA是通过一个非线性映射将原始输入空间的特征数据投影到高维特征空间，然后在高维特征空间中利用主成分分析PCA对数据进行降维，最终得到维数较低的且能正确执行局部放电分类的特征数据。
[0018]进一步的，所述采集现场检测的气体绝缘组合电器GIS局部放电信号是利用Keysight品牌的DSOX6002A型号示波器进行采集，其带宽为和采样率最高分别可达4GHz和20.0GSa/s，可以实现对GIS局部放电信号的有效采集。
[0019]进一步的，所述对局部放电信号进行有效数据的提取，具体包括：只截取局部放电信号中间的一段放电脉冲数据进行特征参数的提取，将放电脉冲出现前和放电脉冲衰减完后的数据进行去除。
[0020]进一步的，所述利用Hilbert变换求取放电信号的包络，具体包括：
[0021]首先对局部放电信号时域波形的电压值取绝对值，得到局部放电信号的单极性波形，然后利用Hilbert变换求取该单极性波形的包络，得到局部放电信号的时域波形包络；在完成时域波形包络的提取后，对放电信号波形进行快速傅里叶变换，将信号的波形由时域变换到频域中，然后利用Hilbert变换求取放电信号的频谱包络。
[0022]进一步的，所述Hilbert变换是数学和信号处理的一种同域变换，提供了实现给定
函数或傅里叶序列的调和共轭的具体方法，对于连续时域信号x(t)，定义其Hilbert变换为：
[0023][0024]其中t是时间自变量，是用于作卷积运算的时间变换量。x(t)的解析信号a(t)定义为
[0025][0026]其中j是复数的虚部单位。解析信号的模值E(t)即为x(t)的包络
[0027][0028]而对于长度为m的离散信号序列x(n)及其FFT序列X(k)，有
[0029][0030]其中A(k)为x(n)的离散解析信号a(n)对应的FFT序列，则x(n)的包络E(n)为
[0031]E(n)＝|a(n)|＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：采集现场检测的气体绝缘组合电器GIS局部放电信号；对采集的GIS局部放电信号进行有效数据的提取，去除不包含放电信息的无效信号数据；利用Hilbert变换求取放电信号的包络；基于放电信号的包络提取局部放电脉冲波形的统计特征参数、时域特征参数和频域特征参数，利用这三类特征参数构建局部放电特征数据；利用改进的核主成分分析法对提取的局部放电特征数据进行降维处理，核主成分分析KPCA是通过一个非线性映射将原始输入空间的特征数据投影到高维特征空间，然后在高维特征空间中利用主成分分析PCA对数据进行降维，最终得到维数较低的且能正确执行局部放电分类的特征数据。2.根据权利要求1所述的一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法，其特征在于，所述采集现场检测的气体绝缘组合电器GIS局部放电信号是利用Keysight品牌的DSOX6002A型号示波器进行采集，其带宽为和采样率最高分别可达4GHz和20.0GSa/s，可以实现对GIS局部放电信号的有效采集。3.根据权利要求1所述的一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法，其特征在于，所述对局部放电信号进行有效数据的提取，具体包括：只截取局部放电信号中间的一段放电脉冲数据进行特征参数的提取，将放电脉冲出现前和放电脉冲衰减完后的数据进行去除。4.根据权利要求3所述的一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法，其特征在于，所述利用Hilbert变换求取放电信号的包络，具体包括：首先对局部放电信号时域波形的电压值取绝对值，得到局部放电信号的单极性波形，然后利用Hilbert变换求取该单极性波形的包络，得到局部放电信号的时域波形包络；在完成时域波形包络的提取后，对放电信号波形进行快速傅里叶变换，将信号的波形由时域变换到频域中，然后利用Hilbert变换求取放电信号的频谱包络。5.根据权利要求4所述的一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法，其特征在于，所述Hilbert变换是数学和信号处理的一种同域变换，提供了实现给定函数或傅里叶序列的调和共轭的具体方法，对于连续时域信号x(t)，定义其Hilbert变换为：其中t是时间自变量，τ是用于作卷积运算的时间变换量；x(t)的解析信号a(t)定义为其中j是复数的虚部单位；解析信号的模值E(t)即为x(t)的包络
而对于长度为m的离散信号序列x(n)及其FFT序列X(k)，有其中A(k)为x(n)的离散解析信号a(n)对应的FFT序列，则x(n)的包络E(n)为E(n)＝|a(n)|＝|IFFT[A(k)]|
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(5)IFFT表示快速傅里叶逆变换。6.根据权利要求5所述的一种基于Hilbert变换的GIS局部放电信号特征提取方法，其特征在于，所述基于信号的包络提取局部放电脉冲波形的统计特征参数、时域特征参数和频域特征参数，具体包括：分别基于信号的时域波形包络和频谱包络来提取时域特征参数和频域特征参数，并联合由局部放电有效数据提取得到的统计特征参数共同构建放电特征数据；其中时域特征参数主要包括上升时间、下降时间、峰值时间和脉冲宽度，频域特征参数主要包括频率幅值均值、重心频率、均方根频率、频率方差、第一主频频率和第一主频峰...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，赵科，李洪涛，周灵亮，马径坦，高山，杨景刚，刘建军，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：