基于小波包生存指數奇異熵的電纜局放特征提取方法
【專利摘要】一種基于小波包生存指數奇異熵的電纜局放特征提取方法，屬于電力電纜技術領域。本發明的目的是通過對高壓電纜局放特征進行提取，解決目前高壓電纜局放檢測方法中存在的局放特征提取不準確問題的基于小波包生存指數奇異熵的電纜局放特征提取方法。本發明步驟是：獲得頻率范圍在0~50MHz的16位數字信號，生存指數奇異熵運算，根據矩陣奇異值分解理論進行奇異值分解，計算生存多元函數，計算小波包生存指數奇異熵。本發明提出的小波包能量指數熵是對小波包節點系數或重構信號進行奇異熵運算，從而有效規避了用對數定義信息熵中的無定義值和零值的問題，克服了香農熵的不足。
【專利說明】
基于小波包生存指數奇異熵的電纜局放特征提取方法
技術領域
[0001]本發明屬于電力電纜技術領域。
【背景技術】
[0002] 交聯聚乙烯高壓電力電纜（下簡稱電纜）內部的局部放電是指電纜絕緣結構中某 個區域內出現的放電現象，這種放電會對該區域電纜的絕緣結構造成損害，若局部放電（下 簡稱局放)長期存在，在一定條件下就可能造成電纜主絕緣電氣強度的下降，嚴重時導致電 纜主絕緣貫穿性擊穿。目前電纜局放信號采集方法主要是寬頻帶電磁耦合法，利用高頻電 流互感器(HFCT)采集局放發生時電纜護套對地脈沖電流。但是實驗證明，由于電纜隧道內 電纜數量眾多存在強電磁干擾，加之高頻電流互感器與儀器測量接口阻抗的不匹配，電纜 局放形成的脈沖電流信號特征經常淹沒于背景噪聲中，即使通過軟硬件濾波處理其局放特 征提取效果依然不理想。如果能夠提出一種針對強噪聲背景條件下的暫態信號分析方法， 對電纜局放特征進行準確提取，必將推動電纜運行在線診斷技術的發展。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的是通過對高壓電纜局放特征進行提取，解決目前高壓電纜局放檢測 方法中存在的局放特征提取不準確問題的基于小波包生存指數奇異熵的電纜局放特征提 取方法。
[0004] 本發明步驟是： ① 獲得頻率范圍在〇~50MHz的16位數字信號； ② 生存指數奇異熵運算的具體過程如下：離散小波包節點系數或重構信號矩陣為
，L為被測信號原始數據長度，i為 小波包分解的層數，在及h定義一個滑動數據窗，窗寬為W，滑動因子為#，該滑動數據窗表 示為：
上式中
4 乂女)為小波包節點（i，J)第女個離 散小波包系數或重構信號為離散小波包系數或重構信號矩陣中元素位置變量，《為滑動 數據窗移動的次數，Λ為分解層數上限，^小波包奇異熵長度； ③ 根據矩陣奇異值分解理論，對2/X w階的進行奇異值分解：
式中，礎階的酉矩陣;▲是半正定:2:? w階的對角矩陣；煶秘階的酉 矩陣;矩陣A的主對角線元素，
分解后的奇異值，并且
④ 令
計算生存多元函數，表示為：
⑤ 計算小波包生存指數奇異熵，表示為：
式中
[0005] 本發明是對小波分析理論和熵統計理論的有機融合，對小波包節點系數或重構信 號進行能量指數熵運算能夠進一步刻畫電纜局放發生時護套接地電流信號頻率的暫態變 化，提高了對電纜局放特征的提取精度。本發明提出的小波包能量指數熵是對小波包節點 系數或重構信號進行奇異熵運算，從而有效規避了用對數定義信息熵中的無定義值和零值 的問題，克服了香農熵的不足。
【附圖說明】
[0006] 圖1是采樣頻率為100MHz時采集到的包含電纜局放特征的信號波形圖； 圖2是對包含局放特征的原始信號特征提取波形圖； 圖3是采樣頻率為100MHz時采集到的不包含電纜局放特征的信號波形圖； 圖4是對不包含局放特征的原始信號特征提取波形圖。
【具體實施方式】
[0007] 本發明的具體步驟是： 一、利用HFCT傳感器采集電纜護套接地電流信號并轉換為電壓信號，利用模數轉換器 將電壓信號轉換為16位數字信號。
[0008] 二、利用數字帶通濾波器對獲得的16位數字信號進行濾波，獲得頻率范圍在0~ 50MHz的16位數字信號。
[0009] 三、對所述16位數字信號進行DB4小波包i層分解，使16位數字信號的不同頻率分 量相應地分布在不同的小波包尺度中，再對小波包分解得到的小波包節點系數或重構信號 進行局放特征信息提取。
[0010]步驟三中所述的生存指數奇異熵運算的具體過程如下： ⑴離散小波包節點系數或重構信號矩陣為D = .1.L J < Λ「，尸i,2巧 ，L為被測信號原始數據長度，i為小波包分解的層數，在及h定義一個滑動數據窗，窗寬為W ，滑動因子為#，該滑動數據窗表示為：
上式中
乂D為小波包節點（i，J)第女個離 散小波包系數或重構信號為離散小波包系數或重構信號矩陣中元素位置變量，《為滑動 數據窗移動的次數，Λ為分解層數上限，.偽小波包奇異熵長度； (2) 根據矩陣奇異值分解理論，對2' X w階的沙'(.^.，; J,丨進行奇異值分解：
式中，礎f xf階的酉矩陣;Α是半正定f x w階的對角矩陣；W階的酉矩 陣；矩陣蠢的主對角線元素
午 解后的奇異值，并上
(3) 4
汁算生存多元函數，表示為：
(4)計算小波包生存指數奇異熵，表示為：
[0011] 實例： 以包含電纜局放特征的信號（如圖1所示)和不包含電纜局放特征的信號（如圖3所示） 為例，對其進行驗證。采集數據的時間為2s。
[0012] 一、利用HFCT傳感器采集電纜護套接地電流信號并轉換為電壓信號，利用模數轉 換器將電壓信號轉換為16位數字信號； 二、利用數字帶通濾波器對獲得的16位數字信號進行濾波，獲得頻率范圍在0~50MHz 的16位數字信號。
[0013] 三、利用MATLAB對所述16位數字信號進行DB4小波包3層(?=3 )分解，使16位數字 信號的不同頻率分量相應地分布在不同的小波包尺度中，再對小波包分解得到的小波包節 點系數或重構信號進行局放特征信息提取。其特征提取的結果如圖2、圖4所示。通過觀察分 析圖2、圖4可知，本方法能有效的將局放特征信息提取出來，提高了對電纜局放特征的提取 精度。
[0014] 步驟三中所述的生存指數奇異熵運算的具體過程如下： ⑴離散小波包節點系數或重構信號矩陣為
，L為被測信號原始數據長度，i為小波包分解的層數(?=3:)，在處定義一個滑動數據窗，窗 寬為W =2000，滑動因子為#=1，該滑動數據窗表示為：
上式中
為小波包節點（i，J)第女個離 散小波包系數或重構信號j為離散小波包系數或重構信號矩陣中元素位置變量，為滑動 數據窗移動的次數，Λ為分解層數上限，^小波包奇異熵長度。
[0015] (2)根據矩陣奇異值分解理論，對5)進行奇異值分解：
式中，礎繁xf階的酉矩陣;A是半正定2?秘階的對角矩陣；煶雜X W階的酉
矩陣；矩陣A的主對角線元素 H : ........v…u ....... 7. 分解后的奇異值，并」 _
ο
[0016] (3)令，計算生存多元函數，表示為：
柯'
[0017] (4)計算小波包生存指數奇異熵，表示為：
[0018] 四、令滑動因子各=1= 2 ,在離散小波包節點系數或重構信號矩陣為 及=(_/(的身=1，，·，s 1,1安況產1 v巧上移動滑動時間窗料魅況在)，^ 直到_ = Μ，最終得到一個小波包生存指數奇異熵數組= k，'，傑，-W) /嘢 ，以時間為橫坐標，小波包能量指數熵為縱坐標，繪制電纜局放特征曲線。
[0019] 【具體實施方式】步驟三中所述的窗寬::爾值選取具體過程如下： 對典型電纜局放脈沖寬度進行統計，令rmax表示電纜局放脈沖寬度最大值，令rmin表示 局放特征脈沖寬度最小值，則滑動數據窗寬度狹的選擇條件為
滑 動因子逐選擇條件為_[ ?；
[0020] 【具體實施方式】步驟三中所述的小波包生存指數奇異熵沒值的選取具體過程如下： 取小波包3層分解后的8支重構信號的最大值00 = 1?…，8丨，并求出其平均值，其值 為
，則小波包生存指數奇異熵從值選取如表1所示。
[0021] 表1
【主權項】
1. 一種基于小波包生存指數奇異賭的電纜局放特征提取方法，其特征在于:其步驟是： ① 獲得頻率范圍在0~50MHz的16位數字信號； ② 生存指數奇異賭運算的具體過程如下：離散小波包節點系數或重構信號矩陣為，L為被測信號原始數據長度， i為小波包分解的層數，在0上定義一個滑動數據窗，窗寬為W，滑動因子為沒，該滑動數據 窗表不為：上式中，游=1，2，...，獄，蹤二化-喊)/備，南，為小波包節點（i 第離散小 波包系數或重構信號，A為離散小波包系數或重構信號矩陣中元素位置變量，m為滑動數據 窗移動的次數，Λ勸分解層數上限，始％小波包奇異賭長度； ③ 根據矩陣奇異值分解理論，對階的觀:辯進行奇異值分解：式中，魄逆xf階的酉矩陣；沒是半正定丑;X狹階的對角矩陣；鳩悚父W階的酉矩 陣；矩陣Λ的主對角線元索分解 后的奇異值，并且④ 4，計算生存多元函數，表示為：⑤ 計算小波包生存指數奇異賭，表示為：
【文檔編號】G01R31/12GK105974283SQ201610328153
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月18日
【發明人】陳繼開, 竇延輝, 王振浩, 李揚, 辛業春, 王鶴
【申請人】東北電力大學