本發(fā)明涉及輸變電設(shè)備的局部放電監(jiān)測技術(shù)，尤其涉及一種超聲波局部放電信號的變速率編碼壓縮方法。

背景技術(shù)：

在電力系統(tǒng)中的一些主要設(shè)備，例如變壓器、發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、氣體絕緣開關(guān)設(shè)備 GIS、電纜，運(yùn)行時，其絕緣部分中由于絕緣空隙具有容性電壓以及空隙中的氣體與絕緣材料存在極大的電壓應(yīng)力差，在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生局部橋接，產(chǎn)生局部放電。而根據(jù)當(dāng)前的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，其表明了85%的絕緣故障是由局部放電引起的，由此可見，若這些由局部放電所引起的絕緣故障得不到及時的預(yù)防檢測及解決，將會成為安全隱患甚至演變成嚴(yán)重的電力事故，這樣不僅會造成經(jīng)濟(jì)損失，而且還會危害人身安全。

當(dāng)前局部放電的監(jiān)測方法主要包含有：脈沖電流監(jiān)測法、氣體監(jiān)測法、超聲波監(jiān)測法、超高頻監(jiān)測法以及紅外熱成像監(jiān)測法。其中，對于所述的超聲波監(jiān)測法，其是將超聲波傳感器安裝在設(shè)備外殼上的，而這對變壓器的運(yùn)行沒有任何影響，也不會受變壓器內(nèi)部復(fù)雜的電、磁、熱等干擾，便于對局部缺陷的準(zhǔn)確定位，因此超聲波監(jiān)測法是現(xiàn)在局部放電監(jiān)測的優(yōu)秀方法，受到廣泛使用。

從目前國內(nèi)外的研究情況來看，超聲波局部放電監(jiān)測的主流方法為：利用超聲傳感器將采集到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號；將采集到的電信號通過調(diào)理電路進(jìn)行預(yù)處理；然后對調(diào)理電路輸出的信號進(jìn)行采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換處理；最后將得到的信號與已經(jīng)設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較，從而判斷是否發(fā)生局部放電并記錄放電信息。然而這一方法卻存有一些缺陷，例如：對于電力設(shè)備超聲波局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)和云處理而言，24小時連續(xù)監(jiān)測得到的超聲波局部放電信號數(shù)據(jù)量很大，但是目前卻還沒有一個有效的壓縮方法來存儲這么大量的數(shù)據(jù)；另外，若所有的信號都使用高碼率進(jìn)行傳輸，這樣雖然可以保證傳輸信號的質(zhì)量，但會出現(xiàn)監(jiān)測中心傳輸能力不足的情況，并且會浪費(fèi)了帶寬；若所有信號都使用低碼率進(jìn)行傳輸，這樣則會導(dǎo)致很多信息在傳輸過程中丟失，造成監(jiān)測中心的監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)誤差，造成損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種超聲波局部放電信號的變速率編碼壓縮方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種超聲波局部放電信號的變速率編碼壓縮方法，該方法包括：

獲取音頻信號；

對獲得的音頻信號進(jìn)行分幀處理，從而得到多幀信號；

提取每幀信號的特征，然后根據(jù)提取的特征，對每幀信號進(jìn)行分類；

根據(jù)每幀信號所屬的類型，從而采用相對應(yīng)的編碼方式和編碼速率對每幀信號進(jìn)行相對應(yīng)的壓縮編碼。

進(jìn)一步，所述對獲得的音頻信號進(jìn)行分幀處理，從而得到多幀信號這一步驟，其具體為：

對獲得的音頻信號依次進(jìn)行預(yù)處理和分幀處理，從而得到多幀信號。

進(jìn)一步，所述預(yù)處理包括采樣量化處理、預(yù)加重處理和加窗處理。

進(jìn)一步，所述特征包括脈沖幅度、短時平均能量、脈沖持續(xù)時間及頻譜包絡(luò)。

進(jìn)一步，所述短時平均能量的計算公式如下所示：

其中，STM表示短時平均能量，x（n）表示音頻信號，表示為x（n）的絕對值，N表示信號的長度。

進(jìn)一步，所述提取每幀信號的特征，然后根據(jù)提取的特征，對每幀信號進(jìn)行分類這一步驟，其具體為：

將每幀信號輸入到分類器中后提取每幀信號的特征，接著利用分類器，從而根據(jù)每幀信號的特征來判斷每幀信號是屬于疑似有局放信號這一類型、確定無局放信號這一類型還是確定有局放信號這一類型。

進(jìn)一步，所述根據(jù)每幀信號所屬的類型，從而采用相對應(yīng)的編碼方式和編碼速率對每幀信號進(jìn)行相對應(yīng)的壓縮編碼這一步驟，其具體為：

當(dāng)該幀信號屬于疑似有局放信號這一類型時，采用線性預(yù)測編碼方式以及第一編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

當(dāng)該幀信號屬于確定無局放信號這一類型時，采用小波包分解方式以及第二編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

當(dāng)該幀信號屬于確定有局放信號這一類型時，采用小波包分解方式以及第三編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

其中，所述第一編碼速率、第二編碼速率以及第三編碼速率之間的大小關(guān)系為：第一編碼速率＞第三編碼速率＞第二編碼速率。

進(jìn)一步，所述線性預(yù)測編碼方式具體為：提取該幀信號的LPC參數(shù)及預(yù)測殘差能量后，對提取出的LPC參數(shù)及預(yù)測殘差能量進(jìn)行編碼。

進(jìn)一步，所述小波包分解方式具體為：

根據(jù)預(yù)設(shè)的小波函數(shù)和分解層數(shù)，對該幀信號進(jìn)行小波包分解；

利用方差準(zhǔn)則來確定所述小波函數(shù)的最優(yōu)基，從而根據(jù)得到的最優(yōu)基，對分解后得到的信號進(jìn)行重要特征和能量的提取保留，實(shí)現(xiàn)信號壓縮；

對小波函數(shù)的最優(yōu)基中的每個小波系數(shù)進(jìn)行標(biāo)量量化后，按小波系數(shù)的大小從大到小進(jìn)行小波系數(shù)的量化編碼并記錄其位置，直到所用的比特數(shù)達(dá)到預(yù)定的編碼數(shù)為止。

進(jìn)一步，所述提取該幀信號的LPC參數(shù)這一步驟，其具體為：對每幀信號進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算與該幀信號相鄰的幀信號的相關(guān)性從而得到最佳的預(yù)測系數(shù)；

所述提取該幀信號的預(yù)測殘差能量這一步驟，其具體為：對該幀信號進(jìn)行快速傅立葉變換處理，然后對處理后得到的信號的模進(jìn)行平方求和，從而得到預(yù)測殘差能量。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的方法是通過根據(jù)每幀信號所屬的類型，從而采用不同的編碼方式和編碼速率對相對應(yīng)的幀信號進(jìn)行壓縮編碼的，并且在進(jìn)行幀信號的編碼壓縮時，對于屬于疑似有局放信號這一類型的幀信號，采用高編碼速率進(jìn)行壓縮編碼傳輸，對于屬于確定無局放信號這一類型的幀信號和屬于確定有局放信號這一類型的幀信號，采用低編碼速率進(jìn)行壓縮編碼傳輸，因此這樣不僅能夠節(jié)約了傳輸時所需的帶寬，同時也保證了傳輸信號的質(zhì)量，而且還能便于對大量局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和存儲，既節(jié)約了空間又保證了數(shù)據(jù)的可靠性。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說明：

圖1是本發(fā)明一種超聲波局部放電信號的變速率編碼壓縮方法的步驟流程圖；

圖2是本發(fā)明一種超聲波局部放電信號的變速率編碼壓縮方法的一具體實(shí)施例步驟流程圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，一種超聲波局部放電信號的變速率編碼壓縮方法，該方法包括：

獲取音頻信號；

對獲得的音頻信號進(jìn)行分幀處理，從而得到多幀信號；

提取每幀信號的特征，然后根據(jù)提取的特征，對每幀信號進(jìn)行分類；

根據(jù)每幀信號所屬的類型，從而采用相對應(yīng)的編碼方式和編碼速率對每幀信號進(jìn)行相對應(yīng)的壓縮編碼。

對于所述的音頻信號，其是通過將超聲波傳感器所采集得到的超聲波信號進(jìn)行載波調(diào)頻后所得到的信號。

另外，對于所述的分類，其包括疑似有局放信號、確定無局放信號及確定有局放信號這三個類型；

當(dāng)該幀信號屬于疑似有局放信號這一類型時，采用第一編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

當(dāng)該幀信號屬于確定無局放信號這一類型時，采用第二編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

當(dāng)該幀信號屬于確定有局放信號這一類型時，采用第三編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

其中，所述第一編碼速率高于第二編碼速率和第三編碼速率，即對于確定無局部放電的幀信號和確定有局部放電的幀信號，它們的編碼速率為低編碼速率，而對于疑似有局部放電的幀信號，其編碼速率為高編碼速率。由此可得，通過使用本發(fā)明的方法，不僅能夠節(jié)約了傳輸時所需的帶寬，同時也保證了傳輸信號的質(zhì)量，而且還便于大量局部放電數(shù)據(jù)的收集和存儲，既節(jié)約了空間又保證了數(shù)據(jù)的可靠性。所述局放信號即為局部放電信號。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述對獲得的音頻信號進(jìn)行分幀處理，從而得到多幀信號這一步驟，其具體為：

對獲得的音頻信號依次進(jìn)行預(yù)處理和分幀處理，從而得到多幀信號。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述預(yù)處理包括采樣量化處理、預(yù)加重處理和加窗處理。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述特征包括脈沖幅度、短時平均能量、脈沖持續(xù)時間及頻譜包絡(luò)。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述短時平均能量的計算公式如下所示：

其中，STM表示短時平均能量，x（n）表示音頻信號，表示為x（n）的絕對值，N表示信號的長度。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述提取每幀信號的特征，然后根據(jù)提取的特征，對每幀信號進(jìn)行分類這一步驟，其具體為：

將每幀信號輸入到分類器中后提取每幀信號的特征，接著利用分類器，從而根據(jù)每幀信號的特征來判斷每幀信號是屬于疑似有局放信號這一類型、確定無局放信號這一類型還是確定有局放信號這一類型。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述根據(jù)每幀信號所屬的類型，從而采用相對應(yīng)的編碼方式和編碼速率對每幀信號進(jìn)行相對應(yīng)的壓縮編碼這一步驟，其具體為：

當(dāng)該幀信號屬于疑似有局放信號這一類型時，采用線性預(yù)測編碼方式以及第一編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

當(dāng)該幀信號屬于確定無局放信號這一類型時，采用小波包分解方式以及第二編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

當(dāng)該幀信號屬于確定有局放信號這一類型時，采用小波包分解方式以及第三編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

其中，所述第一編碼速率、第二編碼速率以及第三編碼速率之間的大小關(guān)系為：第一編碼速率＞第三編碼速率＞第二編碼速率。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述線性預(yù)測編碼方式具體為：提取該幀信號的LPC參數(shù)及預(yù)測殘差能量后，對提取出的LPC參數(shù)及預(yù)測殘差能量進(jìn)行編碼。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述小波包分解方式具體為：

根據(jù)預(yù)設(shè)的小波函數(shù)和分解層數(shù)，對該幀信號進(jìn)行小波包分解；

利用方差準(zhǔn)則來確定所述小波函數(shù)的最優(yōu)基，從而根據(jù)得到的最優(yōu)基，對分解后得到的信號進(jìn)行重要特征和能量的提取保留，實(shí)現(xiàn)信號壓縮；

對小波函數(shù)的最優(yōu)基中的每個小波系數(shù)進(jìn)行標(biāo)量量化后，按小波系數(shù)的大小從大到小進(jìn)行小波系數(shù)的量化編碼并記錄其位置，直到所用的比特數(shù)達(dá)到預(yù)定的編碼數(shù)為止。

進(jìn)一步作為優(yōu)選的實(shí)施方式，所述提取該幀信號的LPC參數(shù)這一步驟，其具體為：對每幀信號進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算與該幀信號相鄰的幀信號的相關(guān)性從而得到最佳的預(yù)測系數(shù)；

所述提取該幀信號的預(yù)測殘差能量這一步驟，其具體為：對該幀信號進(jìn)行快速傅立葉變換處理，然后對處理后得到的信號的模進(jìn)行平方求和，從而得到預(yù)測殘差能量。

本發(fā)明方法一具體實(shí)施例

如圖2所示，一種超聲波局部放電信號的變速率編碼壓縮方法，該方法步驟具體包括有：

步驟1：通過超聲波傳感器來采集現(xiàn)場的超聲波信號。

步驟2：將采集到的超聲波信號通過載波調(diào)頻到20Hz～16kHz的音頻段，從而獲取得到音頻信號。

本實(shí)施實(shí)例中，所選取采集的信號為開關(guān)柜的局部放電信號，而根據(jù)研究可得，開關(guān)柜的局部放電信號的中心頻率約為40kHz，語音信號約分布在0.3～4kHz區(qū)間內(nèi)，因此本實(shí)施例中采用38.4kHz的載波信號進(jìn)行調(diào)頻，而經(jīng)過調(diào)頻處理后得到的音頻信號的中心頻率為1.6kHz，這樣則實(shí)現(xiàn)了從超聲波到音頻信號的轉(zhuǎn)換。

步驟3：對獲得的音頻信號依次進(jìn)行預(yù)處理和分幀處理，從而得到多幀信號。

在本實(shí)施例中，所述預(yù)處理包括采樣量化處理、預(yù)加重處理和加窗處理。另外，由于在實(shí)際中采集的局部放電信號的過程中，會有信號時間維度上的首位靜音，因此可優(yōu)選地去掉所采集到的信號的前端和尾部的靜音幀，從而提取獲得有效的音頻信號。

對于上述的分幀處理，由于預(yù)處理后所得到的音頻信號為非平穩(wěn)信號，處理比較復(fù)雜，因此將音頻信號進(jìn)行分幀處理，分幀處理后的每一幀信號都可以看做是一個近似平穩(wěn)信號。在本實(shí)施例中，將音頻信號分為幀長為20 ms的一系列的音頻幀，相鄰兩個幀之間可以有5 ms的重疊部分。

步驟4：將每幀信號輸入到分類器中后提取每幀信號的特征，接著利用分類器，從而根據(jù)每幀信號的特征來判斷每幀信號是屬于疑似有局放信號這一類型、確定無局放信號這一類型還是確定有局放信號這一類型。

在本實(shí)施例中，采用使用脈沖幅度、脈沖持續(xù)時間、頻譜包絡(luò)以及短時平均能量這四個特征作為標(biāo)準(zhǔn)；其中，短時平均能量（STM）是通過對信號幅值的平方運(yùn)算來表示能量的變化，這種方法客觀上增大了高低信號之間的差距，而其具體計算公式為：

其中，STM表示短時平均能量，x（n）表示音頻信號，表示為x（n）的絕對值，N表示信號的長度。

另外，對于上述步驟4中所述的分類器，其訓(xùn)練建立的步驟包括有：

S41、通過超聲波傳感器來采集現(xiàn)場的超聲波信號；

S42、將采集到的超聲波信號依次進(jìn)行上述步驟2和步驟3的處理，從而得到多幀信號；

S43、將每幀信號人工劃分為3類，分別為疑似有局放信號、確定無局放信號及確定有局放信號這三個類型；

S44、對這3類信號提取它們的特征；

在本實(shí)施例中，采用使用脈沖幅度、脈沖持續(xù)時間、頻譜包絡(luò)以及短時平均能量這4個特征作為標(biāo)準(zhǔn)并且從開關(guān)柜超聲波局部放電音頻幀信號中提取出來；

S45、根據(jù)提取的特征訓(xùn)練分類器；

在本實(shí)施例中，將人工分好的3類使用支持向量機(jī)（SVM）提取各類型中幀的4個特征，訓(xùn)練分類器，從而得到分類器。

步驟5：根據(jù)每幀信號所屬的類型，從而采用相對應(yīng)的編碼方式和編碼速率對每幀信號進(jìn)行相對應(yīng)的壓縮編碼。

對于上述的步驟5，其具體包括：

當(dāng)該幀信號屬于疑似有局放信號這一類型時，采用線性預(yù)測編碼方式以及第一編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

當(dāng)該幀信號屬于確定無局放信號這一類型時，采用小波包分解方式以及第二編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

當(dāng)該幀信號屬于確定有局放信號這一類型時，采用小波包分解方式以及第三編碼速率來對該幀信號進(jìn)行壓縮編碼；

其中，所述第一編碼速率、第二編碼速率以及第三編碼速率之間的數(shù)值大小關(guān)系為：第一編碼速率＞第三編碼速率＞第二編碼速率。

本實(shí)施例中，對于屬于疑似有局放信號這一類型的幀信號，采用線性預(yù)測編碼方式，這樣可以保留更多的原始信號的信息；而對于屬于確定無局放信號這一類型和確定有局放信號這一類型的幀信號，采用小波包分解方式進(jìn)行壓縮編碼，并且可優(yōu)選地使得第三編碼速率為第二編碼速率的2倍。

另外，對于上述的線性預(yù)測編碼方式，其具體為：提取該幀信號的LPC參數(shù)及預(yù)測殘差能量后，對提取出的LPC參數(shù)及預(yù)測殘差能量進(jìn)行編碼傳輸。而在接收端，則用預(yù)測殘差能量乘以歸一化的白噪聲作為激勵，通過LPC逆濾波器合成信號。在本實(shí)施例中，優(yōu)選使用的是編碼速率為8K的GSM編碼器，即此時的第一編碼速率為8K。

其中，所述提取該幀信號的LPC參數(shù)這一步驟，其具體為：對每幀信號進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算與該幀信號相鄰的幀信號的相關(guān)性從而得到最佳的預(yù)測系數(shù)；

所述提取該幀信號的預(yù)測殘差能量這一步驟，其具體為：對該幀信號進(jìn)行快速傅立葉變換處理，然后對處理后得到的信號的模進(jìn)行平方求和，從而得到預(yù)測殘差能量。

對于上述的小波包分解方式，其具體為：

步驟51、根據(jù)預(yù)設(shè)的小波函數(shù)和分解層數(shù)，對該幀信號進(jìn)行小波包分解；

步驟52、利用方差準(zhǔn)則來確定所述小波函數(shù)的最優(yōu)基，從而根據(jù)得到的最優(yōu)基，對分解后得到的信號進(jìn)行重要特征和能量的提取保留，實(shí)現(xiàn)信號壓縮；

步驟53、對小波函數(shù)的最優(yōu)基中的每個小波系數(shù)進(jìn)行標(biāo)量量化后，按小波系數(shù)的大小從大到小進(jìn)行小波系數(shù)的量化編碼并記錄其位置，直到所用的比特數(shù)達(dá)到預(yù)定的編碼數(shù)為止。在本實(shí)施例中，對于屬于確定有局放信號這一類型的幀信號，其所采用的比特數(shù)大于屬于確定無局放信號這一類型的幀信號所采用的比特數(shù)。在本實(shí)施例中，對于屬于確定有局放信號這一類型的幀信號，采用4K的編碼速率，即第三編碼速率為4K；對于屬于確定無局放信號這一類型的幀信號，采用2K的編碼速率，即第二編碼速率為2K。

另外，在本實(shí)施例中，所述預(yù)設(shè)的小波函數(shù)選取db2 小波來實(shí)現(xiàn)，而分解層數(shù)為3，即上述步驟51具體為利用db2 小波對該幀信號進(jìn)行3層小波包分解。

對于上述步驟52中所述的最優(yōu)基，其計算方法為：首先對該幀信號進(jìn)行db2小波分解，計算出信號在各個子空間的小波系數(shù)；然后，將小波分解過程用小波包樹來表示（小波包樹種的上層節(jié)點(diǎn)稱為父節(jié)點(diǎn)，下層稱為子節(jié)點(diǎn)）；再次，從根節(jié)點(diǎn)開始，若父節(jié)點(diǎn)的代價函數(shù)小于父節(jié)點(diǎn)下兩個子節(jié)點(diǎn)中所有小波系數(shù)的代價函數(shù)，那么就把父節(jié)點(diǎn)分為兩個子節(jié)點(diǎn)，否則就不再分；最后，檢查所有節(jié)點(diǎn)，被保留的節(jié)點(diǎn)就責(zé)成了最優(yōu)小波包樹，即小波包的最優(yōu)基。

由上述可得，本發(fā)明方法所包含的優(yōu)點(diǎn)有：

1、本發(fā)明的方法是根據(jù)每幀信號的特征，從而判斷該幀信號所屬的類型，然后根據(jù)該幀信號所屬的類型從而采用相對應(yīng)的編碼方式和編碼速率來進(jìn)行相對應(yīng)的壓縮編碼處理，并且對于確定有局部放電的幀信號和確定無局部放電的幀信號，其是使用低碼率進(jìn)行壓縮傳輸?shù)?，而對于疑似有局部放電的幀信號，其使用高碼率進(jìn)行壓縮傳輸，這樣不僅能夠節(jié)約了傳輸時所需的帶寬，同時也保證了傳輸信號的質(zhì)量，而且還能便于對大量局部放電數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和存儲，既節(jié)約了空間又保證了數(shù)據(jù)的可靠性；

2、對于屬于疑似有局放信號這一類型的幀信號，采用線性預(yù)測編碼方式來對其進(jìn)行編碼壓縮，這樣便能夠保留更多的原始信號的信息，從而利于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。

以上是對本發(fā)明的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。