CN110310667A - 一种基于声学特征的设备故障检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于声学特征的设备故障检测方法,涉及故障检测技术领域。该干扰音分离计算方法,采用如下步骤:S11、将峭度作为信号非高斯性的度量。该基于声学特征的设备故障检测方法,通过麦克风阵列采集变电设备工作时的声音,基于负熵独立成分分析的干扰音分离技术提取独立源声音信号,基于二维主成分分析对声音数据进行降维处理提取主要频谱特征信息,基于多值决策图对声音信号分类实现故障诊断,最后基于加权多信号分类的电力设备故障定位,实现了实时在线故障检测的目的,可以准确及时的判断设备故障类型及信息,提高工作效率的同时方便了使用者的使用。
Description
技术领域
本发明涉及故障检测技术领域,具体为一种基于声学特征的设备故障检测方法。
背景技术
电力设备发生故障是指电力***的工作状况发生异常,电力设备的部分功能失效,或者电力设备的性能指标超出其额定范围,通常这样就是电力设备进入了故障状态。电力设备的结构复杂,在运行时,***极易出现故障。故障原因主要是指在设备运行条件下,导致电力设备发生失效的物理、化学、生物或者机械过程,如腐蚀、蠕变、磨损、受热、老化等。
在现有技术中,电力设备故障诊断以及状态检测最常用的方法就是电气测量法,但是电气量通常不能够明显地表征电力设备故障信息,且这种参数比较难以检测,难以准确及时的判断设备故障类型及信息,且电力设备在发生故障之前能够正常工作且电气量没有太大变化。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足,本发明提供了一种基于声学特征的设备故障检测方法,解决了在现有技术中,电力设备故障诊断以及状态检测最常用的方法就是电气测量法,但是电气量通常不能够明显地表征电力设备故障信息,且这种参数比较难以检测,难以准确及时的判断设备故障类型及信息,且电力设备在发生故障之前能够正常工作且电气量没有太大变化问题。
(二)技术方案
为实现以上目的,本发明通过以下技术方案予以实现:一种干扰音分离计算方法,采用如下步骤:
S11、将峭度作为信号非高斯性的度量,具体算法如下:
Kurt(x)=E(x4)-3(E(x2))2;
S12、基于负熵最大方向的算法实现顺序地提取独立源信号,具体算法如下:
J(x)=H(xgauss)-H(x);
S13、寻找独立分量的负熵独立成分,具体操作如下:
S13.1、对数据进行中心化,使其均值为0,;白化数据,给出z;
S13.2、选取一个居中单位范数的初始化向量w,可随机选取;
S13.3、更新w,运用如下公式:
w←w-E{zg(wTz)}-E{g′(wTz)}w
S13.4标准化w,运用如下公式:
w←w/||w||
若没有收敛则循环迭代,则直到收敛为止;
S14、用样本的平均值估计,则使用对称正交化估计多个独立分量的负熵独立成分,具体操作如下:
S14.1、对数据进行中心化,使其均值为0;白化数据,给出z;
S14.2、选择m,即需要估计的独立分量个数;
S14.3、初始化所有wi,其中每一个wi都有单位范数。然后用第五步的方法对矩阵进行正交化;
S14.4、更新每个wi,运用如下公式:
S14.5、对矩阵W进行对称正交化,运用如下公式:
W←(WWT)-1/2W
W=(wI,…,wm)T
S14.6、如果没收敛,则返回步骤S14.4。
一种基于声学特征的设备故障检测方法,包括上述干扰音分离计算方法,采用如下步骤:
S21、根据上述干扰音分离计算方法得出的参数对干扰音进行分离操作,应用二维主成分分析算法对声音数据的频谱特征进行降维处理,提取主要特征信息;
S22、用支持向量机算法对声音信号进行分类,从而判断电力设备是否处于某种故障状态;
S23、对电力设备声音训练样本的特征矩阵求均值,所有训练样本特征矩阵相应位置的特征参数数值求和然后取平均,得到均值矩阵,然后将各训练样本的特征矩阵减去均值矩阵,并依据下式求协方差矩阵:
Sx=E(Y-EY)(Y-EY)T;
S24、对协方差矩阵求特征值,并把每一特征向量求出,并依据下式选取特征向量做最优投影轴:
{X1,X2,......Xd}=argmaxJ(X)
J(X)=XTGtX
S25、将各电力设备声音数据的二维特征矩阵,包括训练样本及测试样本,向上述投影矩阵投影,从而得到所有声音样本二维特征矩阵降维后的投影数据:
Y=A[X1,X2,......Xd]=[Y1,Y2,......,Yd];
S26、根据正常状态类型X的分布按照下式计算H(X)和H(X|B),具体公式如下:
S27、根据H(X)和H(X|B),按照下式计算故障类型B的信息增益指标值IG(B):
IG(B)=H(X)-H(X|B);
S28、根据所计算的信息增益指标,从大到小对故障类型B进行排序得到故障类型排序;
S29、构造决策图D的顶节点(Si,Bi),i=1,其中S1是全体样本集合,B1是信息增益最大的故障状态;把(Si,Bi)压入堆栈Stack中;
S210、弹出堆栈stack的栈顶元素(Si,Bi);
S211、针对(Si,Bi)查找Hash表,如果hash表中记录“(Si,Bi),Di”存在,则用决策图中的Di代替(Si,Bi)节点,若Si中的样本包含信号特征Xi的比例超过Q,则用决策图中的正常状态叶子节点Xi代替(Si,Bi)节点;若Bi是最后一个故障状态,Si中的信号特征Xi的比例不超过Q,则丢弃(Si,Bi)节点;若Bi不是最后一个故障状态,Si中的信号特征Xi的比例不超过Q,则根据Bi可能的取值是m类,从(Si,Bi)伸出m个分叉,每个分叉j代表Bi的一个不同类,从而形成m个决策图节点(Sj,Bj}),Sj是Si中分值取在分叉j代表类中的样本集合,Bj是信息增益排序中Bi的下一个故障状态;并把m个决策图节点(Sj,Bj})压入堆栈Stack中;转2);
S212、对电力设备的故障进行定位,具体操作如下:
S212.1、对线阵采集的数据进行共轭重排列:
Y(t)=JX*(t);
S212.2、信号子空间和噪声子空间的正交性得到增强,针对新的噪声子空间构造权值矩阵W,通过权值矩阵调节噪声子空间矩阵对信号子空间矩阵中目标信号方向矢量的灵敏度:
Un=u(:,1:M-K);
S212.3、将权值矩阵W与噪声子空间矩阵Un对应位相乘,得到新的噪声子空间:
Unew=W.*Un;
S212.4、加权多信号分类的空间谱估计函数可计算如下:
(三)有益效果
本发明提供了一种基于声学特征的设备故障检测方法。具备以下有益效果:该基于声学特征的设备故障检测方法,通过麦克风阵列采集变电设备工作时的声音,基于负熵独立成分分析的干扰音分离技术提取独立源声音信号,基于二维主成分分析对声音数据进行降维处理提取主要频谱特征信息,基于多值决策图对声音信号分类实现故障诊断,最后基于加权多信号分类的电力设备故障定位,实现了实时在线故障检测的目的,可以准确及时的判断设备故障类型及信息,提高工作效率的同时方便了使用者的使用。
附图说明
图1为电力设备故障检测流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,本发明提供一种技术方案:一种干扰音分离计算方法,采用如下步骤:
S11、将峭度作为信号非高斯性的度量,具体算法如下:
Kurt(x)=E(x4)-3(E(x2))2;
S12、基于负熵最大方向的算法实现顺序地提取独立源信号,具体算法如下:
J(x)=H(xgauss)-H(x);
S13、寻找独立分量的负熵独立成分,具体操作如下:
S13.1、对数据进行中心化,使其均值为0,;白化数据,给出z;
S13.2、选取一个居中单位范数的初始化向量w,可随机选取;
S13.3、更新w,运用如下公式:
w←w-E{zg(wTz)}-E{g'(wTz)}w
S13.4标准化w,运用如下公式:
w←w/||w||
若没有收敛则循环迭代,则直到收敛为止;
S14、用样本的平均值估计,则使用对称正交化估计多个独立分量的负熵独立成分,具体操作如下:
S14.1、对数据进行中心化,使其均值为0;白化数据,给出z;
S14.2、选择m,即需要估计的独立分量个数;
S14.3、初始化所有wi,其中每一个wi都有单位范数。然后用第五步的方法对矩阵进行正交化;
S14.4、更新每个wi,运用如下公式:
S14.5、对矩阵W进行对称正交化,运用如下公式:
W←(WWT)-1/2W
W=(w1,…,wm)T
S14.6、如果没收敛,则返回步骤S14.4。
一种基于声学特征的设备故障检测方法,包括上述干扰音分离计算方法,采用如下步骤:
S21、根据上述干扰音分离计算方法得出的参数对干扰音进行分离操作,应用二维主成分分析算法对声音数据的频谱特征进行降维处理,提取主要特征信息;
S22、用支持向量机算法对声音信号进行分类,从而判断电力设备是否处于某种故障状态;
S23、对电力设备声音训练样本的特征矩阵求均值,所有训练样本特征矩阵相应位置的特征参数数值求和然后取平均,得到均值矩阵,然后将各训练样本的特征矩阵减去均值矩阵,并依据下式求协方差矩阵:
Sx=E(Y-EY)(Y-EY)T;
S24、对协方差矩阵求特征值,并把每一特征向量求出,并依据下式选取特征向量做最优投影轴:
{X1,X2,......Xd}=argmaxJ(X)
J(X)=XTGtX
S25、将各电力设备声音数据的二维特征矩阵,包括训练样本及测试样本,向上述投影矩阵投影,从而得到所有声音样本二维特征矩阵降维后的投影数据:
Y=A[X1,X2,......Xd]=[Y1,Y2,......,Yd];
S26、根据正常状态类型X的分布按照下式计算H(X)和H(X|B),具体公式如下:
S27、根据H(X)和H(X|B),按照下式计算故障类型B的信息增益指标值IG(B):
IG(B)=H(X)-H(X|B);
S28、根据所计算的信息增益指标,从大到小对故障类型B进行排序得到故障类型排序;
S29、构造决策图D的顶节点(Si,Bi),i=1,其中S1是全体样本集合,B1是信息增益最大的故障状态;把(Si,Bi)压入堆栈Stack中;
S210、弹出堆栈stack的栈顶元素(Si,Bi);
S211、针对(Si,Bi)查找Hash表,如果hash表中记录“(Si,Bi),Di”存在,则用决策图中的Di代替(Si,Bi)节点,若Si中的样本包含信号特征Xi的比例超过Q,则用决策图中的正常状态叶子节点Xi代替(Si,Bi)节点;若Bi是最后一个故障状态,Si中的信号特征Xi的比例不超过Q,则丢弃(Si,Bi)节点;若Bi不是最后一个故障状态,Si中的信号特征Xi的比例不超过Q,则根据Bi可能的取值是m类,从(Si,Bi)伸出m个分叉,每个分叉j代表Bi的一个不同类,从而形成m个决策图节点(Sj,Bj}),Sj是Si中分值取在分叉j代表类中的样本集合,Bj是信息增益排序中Bi的下一个故障状态;并把m个决策图节点(Sj,Bj})压入堆栈Stack中;转2);
S212、对电力设备的故障进行定位,具体操作如下:
S212.1、对线阵采集的数据进行共轭重排列:
Y(t)=JX*(t);
S212.2、信号子空间和噪声子空间的正交性得到增强,针对新的噪声子空间构造权值矩阵W,通过权值矩阵调节噪声子空间矩阵对信号子空间矩阵中目标信号方向矢量的灵敏度:
Un=u(:,1:M-K);
S212.3、将权值矩阵W与噪声子空间矩阵Un对应位相乘,得到新的噪声子空间:
Unew=W.*Un;
S212.4、加权多信号分类的空间谱估计函数可计算如下:
综上所述,该基于声学特征的设备故障检测方法,通过麦克风阵列采集变电设备工作时的声音,基于负熵独立成分分析的干扰音分离技术提取独立源声音信号,基于二维主成分分析对声音数据进行降维处理提取主要频谱特征信息,基于多值决策图对声音信号分类实现故障诊断,最后基于加权多信号分类的电力设备故障定位,实现了实时在线故障检测的目的,可以准确及时的判断设备故障类型及信息,提高工作效率的同时方便了使用者的使用。
需要说明的是,在本文中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.一种干扰音分离计算方法,其特征在于:采用如下步骤:
S11、将峭度作为信号非高斯性的度量,具体算法如下:
Kurt(x)=E(x4)-3(E(x2))2;
S12、基于负熵最大方向的算法实现顺序地提取独立源信号,具体算法如下:
J(x)=H(xgauss)-H(x);
S13、寻找独立分量的负熵独立成分,具体操作如下:
S13.1、对数据进行中心化,使其均值为0,;白化数据,给出z;
S13.2、选取一个居中单位范数的初始化向量w,可随机选取;
S13.3、更新w,运用如下公式:
w←w-E{zg(wTz)}-E{g’(wTz)}w
S13.4标准化w,运用如下公式:
w←w/||w||
若没有收敛则循环迭代,则直到收敛为止;
S14、用样本的平均值估计,则使用对称正交化估计多个独立分量的负熵独立成分,具体操作如下:
S14.1、对数据进行中心化,使其均值为0;白化数据,给出z;
S14.2、选择m,即需要估计的独立分量个数;
S14.3、初始化所有wi,其中每一个wi都有单位范数。然后用第五步的方法对矩阵进行正交化;
S14.4、更新每个wi,运用如下公式:
S14.5、对矩阵W进行对称正交化,运用如下公式:
W←(WWT)-1/2W
W=(w1,…,wm)T
S14.6、如果没收敛,则返回步骤S14.4。
2.一种基于声学特征的设备故障检测方法,其特征在于:包括上述干扰音分离计算方法,采用如下步骤:
S21、根据上述干扰音分离计算方法得出的参数对干扰音进行分离操作,应用二维主成分分析算法对声音数据的频谱特征进行降维处理,提取主要特征信息;
S22、用支持向量机算法对声音信号进行分类,从而判断电力设备是否处于某种故障状态;
S23、对电力设备声音训练样本的特征矩阵求均值,所有训练样本特征矩阵相应位置的特征参数数值求和然后取平均,得到均值矩阵,然后将各训练样本的特征矩阵减去均值矩阵,并依据下式求协方差矩阵:
Sx=E(Y-EY)(Y-EY)T;
S24、对协方差矩阵求特征值,并把每一特征向量求出,并依据下式选取特征向量做最优投影轴:
{X1,X2,......Xd}=arg maxJ(X)
J(X)=XTGt X
S25、将各电力设备声音数据的二维特征矩阵,包括训练样本及测试样本,向上述投影矩阵投影,从而得到所有声音样本二维特征矩阵降维后的投影数据:
Y=A[X1,X2,......Xd]=[Y1,Y2,......,Yd];
S26、根据正常状态类型X的分布按照下式计算H(X)和H(X|B),具体公式如下:
S27、根据H(X)和H(X|B),按照下式计算故障类型B的信息增益指标值IG(B):
IG(B)=H(X)-H(X|B);
S28、根据所计算的信息增益指标,从大到小对故障类型B进行排序得到故障类型排序;
S29、构造决策图D的顶节点(Si,Bi),i=1,其中S1是全体样本集合,B1是信息增益最大的故障状态;把(Si,Bi)压入堆栈Stack中;
S210、弹出堆栈stack的栈顶元素(Si,Bi);
S211、针对(Si,Bi)查找Hash表,如果hash表中记录“(Si,Bi),Di”存在,则用决策图中的Di代替(Si,Bi)节点,若Si中的样本包含信号特征Xi的比例超过Q,则用决策图中的正常状态叶子节点Xi代替(Si,Bi)节点;若Bi是最后一个故障状态,Si中的信号特征Xi的比例不超过Q,则丢弃(Si,Bi)节点;若Bi不是最后一个故障状态,Si中的信号特征Xi的比例不超过Q,则根据Bi可能的取值是m类,从(Si,Bi)伸出m个分叉,每个分叉j代表Bi的一个不同类,从而形成m个决策图节点(Sj,Bj}),Sj是Si中分值取在分叉j代表类中的样本集合,Bj是信息增益排序中Bi的下一个故障状态;并把m个决策图节点(Sj,Bj})压入堆栈Stack中;转2);
S212、对电力设备的故障进行定位,具体操作如下:
S212.1、对线阵采集的数据进行共轭重排列:
Y(t)=JX*(t);
S212.2、信号子空间和噪声子空间的正交性得到增强,针对新的噪声子空间构造权值矩阵W,通过权值矩阵调节噪声子空间矩阵对信号子空间矩阵中目标信号方向矢量的灵敏度:
Un=u(:,1:M-K);
S212.3、将权值矩阵W与噪声子空间矩阵Un对应位相乘,得到新的噪声子空间:
Unew=W.*Un;
S212.4、加权多信号分类的空间谱估计函数可计算如下:
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