CN109557368A - 一种基于连续小波变换和硬阈值去噪的vfto频谱分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于连续小波变换和硬阈值去噪的VFTO频谱分析方法，包括以下步骤：采用基本小波对VFTO时域波形进行连续小波变换；对连续小波变换的结果进行硬阈值去噪得到去噪后的时频谱；从时频谱中提取特定频率成分的幅值‑时间特征。通过基于连续小波变换和硬阈值去噪的VFTO频谱分析方法，获得VFTO包含的频率和各频率分量的幅值‑时间特征，帮助GIS设计人员有针对性的抑制VFTO中有害的频率成分。

Description

一种基于连续小波变换和硬阈值去噪的VFTO频谱分析方法

技术领域

本发明涉及频谱分析技术领域，尤其是一种基于连续小波变换和硬阈值去噪的VFTO频谱分析方法。

背景技术

气体绝缘变电站具有结构紧凑、占用空间小、运行可靠性高和便于维护等优点，因此在城市和人口稠密地区得到了广泛应用，中国特高压输变电工程中全部采用GIS设备。在GIS中隔离开关的操作过程中，由于隔离开关两端电压不同，当端口间的电压大于端口间气隙的绝缘强度时，该电压击穿气隙产生阶跃的电压行波，由于GIS紧凑的结构，电压行波在波阻抗变化的节点发生频繁的折反射，折反射波叠加产生VFTO。

GIS中各个部件的尺寸较小，使得电压行波在波阻抗变化节点发生频繁的折反射，因此VFTO包含了从准直流到数百兆赫兹的丰富的频率成分。当VFTO包含的频率成分与变压器、电压互感器等绕组类设备谐振频率相匹配时，会在绕组的匝间产生谐振过电压，威胁设备的绝缘安全，因此有必要分析VFTO的频谱特征，从而采取有针对性的措施抑制VFTO中包含的特定频率成分。

从信号处理的角度看，VFTO特快速瞬态过电压是一种非平稳信号，其包含的各个频率成分的幅值随时间发生变化。傅里叶变换仅适用于平稳信号的分析，用于非平稳信号的频谱分析时，其频谱分析的结果存在误差甚至是错误的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于连续小波变换和硬阈值去噪的VFTO频谱分析方法。通过连续小波变换和硬阈值去噪对VFTO进行信号处理，获得VFTO包含的频率和各频率分量的幅值-时间特征。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于连续小波变换和硬阈值去噪的VFTO频谱分析方法，包括以下步骤：

采用基本小波对VFTO时域波形进行连续小波变换；

对连续小波变换的结果进行硬阈值去噪得到去噪后的时频谱；

从时频谱中提取特定频率成分的幅值-时间特征。

进一步地，所述采用基本小波对VFTO时域波形进行连续小波变换步骤之前，还包括：

使用信号采集终端采集GIS隔离开关操作过程中产生的VFTO电压波形。

进一步地，所述信号采集终端需要满足VFTO频带的带宽要求，能够测量从准直流到数百兆赫兹的频率成分。

进一步地，所述基本小波为一个平方可积的函数ψ(t)，需要满足容许条件：

其中，为ψ(t)的傅里叶变换。

进一步地，所述采用基本小波对VFTO时域波形进行连续小波变换，具体为选择Morlet小波作为基本小波，Morlet小波的表达式为：

其中，t为时间，w₀是无量纲频率。

进一步地，所述对连续小波变换的结果进行硬阈值去噪得到去噪后的时频谱，具体包括：

根据噪声大小选择合适的阈值λ，硬阈值去噪采用的硬阈值函数为：

其中，是阈值处理后的小波系数，w_i,j是原始的小波系数。

进一步地，所述从时频谱中提取特定频率成分的幅值-时间特征，具体包括：

将特定频率变换为尺度，该尺度下小波系数的变化情况反映了特定频率的幅值-时间特征。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

VFTO属于非平稳信号，其统计特性随时间变化。傅里叶变换无法满足VFTO分析的要求，即无法获得各频率分量随时间的变化情况。而连续小波变换是时频变换方法，能够将一维的时域信号转变为二维的时间-频率信号，详细地描述各频率分量随时间的变化情况，满足VFTO信号分析的要求。通过基于连续小波变换和硬阈值去噪的VFTO频谱分析方法，获得VFTO包含的频率和各频率分量的幅值-时间特征，帮助GIS设计人员有针对性的抑制VFTO中有害的频率成分。

附图说明

图1是本发明实施例方法流程图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

如图1所示，一种基于连续小波变换和硬阈值去噪的VFTO频谱分析方法，包括以下步骤：

S1、使用信号采集终端采集GIS隔离开关操作过程中产生的VFTO电压波形。

S2、采用基本小波对VFTO时域波形进行连续小波变换。

S3、对连续小波变换的结果进行硬阈值去噪得到去噪后的时频谱。

S4、从时频谱中提取特定频率成分的幅值-时间特征。

步骤S1中，信号采集终端需要满足VFTO频带的带宽要求，能够测量从准直流到数百兆赫兹的频率成分。

步骤S2中，基本小波为一个平方可积的函数ψ(t)，需要满足容许条件：

其中，为ψ(t)的傅里叶变换。对时间序列进行分析时，通常希望能够得到平滑连续的小波振幅，因此非正交小波函数较为合适。此外，要得到时间系列振幅和相位两方面的信息，就要选择复值小波，因为复值小波具有虚部，可以对相位进行很好的表达。

Morlet小波不但具有非正交性，而且是由Gaussian调节的指数复值小波，本实施例采用基本小波对VFTO时域波形进行连续小波变换，具体为选择Morlet小波作为基本小波，Morlet小波的表达式为：

其中，t为时间，w₀是无量纲频率。

步骤S3中，对连续小波变换的结果进行硬阈值去噪得到去噪后的时频谱，具体包括：

根据噪声大小选择合适的阈值λ，硬阈值去噪采用的硬阈值函数为：

其中，是阈值处理后的小波系数，w_i,j是原始的小波系数。

步骤S4中，从时频谱中提取特定频率成分的幅值-时间特征，具体包括：

将特定频率变换为尺度，该尺度下小波系数的变化情况反映了特定频率的幅值-时间特征。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于连续小波变换和硬阈值去噪的VFTO频谱分析方法，其特征是，包括以下步骤：

采用基本小波对VFTO时域波形进行连续小波变换；

对连续小波变换的结果进行硬阈值去噪得到去噪后的时频谱；

从时频谱中提取特定频率成分的幅值-时间特征。

2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述采用基本小波对VFTO时域波形进行连续小波变换步骤之前，还包括：

使用信号采集终端采集GIS隔离开关操作过程中产生的VFTO电压波形。

3.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述信号采集终端需要满足VFTO频带的带宽要求，能够测量从准直流到数百兆赫兹的频率成分。

4.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述基本小波为一个平方可积的函数ψ(t)，需要满足容许条件：

其中，为ψ(t)的傅里叶变换。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述采用基本小波对VFTO时域波形进行连续小波变换，具体为选择Morlet小波作为基本小波，Morlet小波的表达式为：

其中，t为时间，w₀是无量纲频率。

6.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述对连续小波变换的结果进行硬阈值去噪得到去噪后的时频谱，具体包括：

根据噪声大小选择合适的阈值λ，硬阈值去噪采用的硬阈值函数为：

其中，是阈值处理后的小波系数，w_i,j是原始的小波系数。

7.如权利要求2所述的方法，其特征是，所述从时频谱中提取特定频率成分的幅值-时间特征，具体包括：

将特定频率变换为尺度，该尺度下小波系数的变化情况反映了特定频率的幅值-时间特征。