基于小波分析的振动信号去噪处理

岳雅茹 朱嘉林 朱士龙

摘 要：为提高检测气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）故障点的有效定位率，提出利用软硬阈值结合法对振动信号设定阈值，采用具有多分辨率特性的小波分析方法进行有效降噪；通过Matlab仿真和实际试验结果验证其准确性，对比分析表明，基于小波分析的去噪方法提高了信噪比和定位准确性，是一种提取有用信号的有效方法。

关键词：小波分析；多分辨率；阈值；去噪；Matlab

DOI：10.11907/rjdk.172753

中图分类号：TP317.4

文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2018）005-0179-04

Abstract：In order to improve the detection efficiency of false location of gas-insulated metal-enclosed switchgear （GIS）， it is proposed to employ the soft and hard threshold method to set the threshold value of the vibration signal and the method of wavelet analysis with multi-resolution characteristics to reduce noise effectively. The accuracy is thus verified by the Matlab simulation and the field test and it is proved that denoising method based on wavelet analysis is a suitable way to extract useful signals by improving signal to noise ratio and false location accuracy.

Key Words：wavelet analysis； multi-resolution； threshold； denoising； Matlab

0 引言

氣体绝缘金属封闭开关设备（GIS）具有众多优点：集成度高，所需空间小；既可户外布置，也可户内布置；环境对其影响小；可靠性高，降低维护和检修费用等，在高压输电领域应用广泛。但其周围存在较强的电磁波和白噪声，例如设备热噪声、地网中的噪声、各种信号线路耦合进入的随机噪声等，由于这些噪声的干扰，得到的闪络信号中含有大量噪声，严重影响信号质量，同时也加剧了后续信号的处理难度，影响整个系统中闪络特征信号的有效提取，降低定位时效性和准确性[1]。所以对原始信号进行预处理成为关键，通常可以采用信噪分离算法降低干扰程度，提取信号中有用的信息[2]。

在实际应用中，闪络放电会对GIS设备产生剧烈的损害，严重者影响正常运行，所以监测设备的重心在于对振动信号的处理，以便准确地找到发生闪络的气室。振动信号的产生源于闪络放电的瞬间使气室内的SF6气体发生急速膨胀产生爆炸声，声信号经过不同介质的分界面发生一系列反射和折射，形成振动信号。振动信号是一种高频信号，所以总是含有部分高频信息或某段发生突变的部分，其包含的各种噪声也不一定是平稳白噪声。而传统的Fourier方法只具有单分辨率分析的特点，无法根据弱信号在某一时间空间内发生明显变化的情况调整时频分辨率，所以其对非平稳信号去噪效果并不明显[3]。而小波分析方法利用在时频平面上不同位置具有不同分辨率的特点，能够有效地从非平稳振动信号中提取突变信号及信号的波形特征[4]。因此本文采取小波分析的方法对振动信号进行降噪处理，能同时在时、频域中对信号进行多分辨率分析[5-7]，将检测信号中有用的高频信号与突变部分和噪声部分区分开，也可以表达信号的局部特性。在采用小波分析的GIS闪络故障检测系统中利用阈值去噪的处理方法，降低环境中的白噪声和电磁波，极大地提高了信噪比和定位准确性。

1 小波分析理论

1.1 Mallat算法的小波分解与重构

利用Mallat算法把整个检测信号按照尺度逐层分解，展现出振动信号细节部分，提高了小波分析的效率和准确性。

1.2 小波阈值去噪

小波阈值去噪是一种非线性的去噪方法[9]。利用该方法得到小波系数，最终展现出振动信号的重要特性。

假设观察信号表示为：

对一维小波阈值去噪：首先对信号进行小波变换，通过对原始信号进行N层分解，得到有用信号和噪声信号在分解N层次上的小波系数；然后对信号的小波系数进行阈值的量化处理，处理方法主要有硬阈值法和软阈值法两种；最后利用Mallat算法对处理后的小波系数进行重构处理，得到近似的原始信号。

软阈值法处理得到的图像更加平滑，但在边缘处理上出现了失真现象，而硬阈值法处理具有较好的边缘局部特性。因此，设计了一种软硬阈值折中法，这种方法可以得到有用信号的近似最优估计[10]，函数表达式为：

2 仿真分析

2.1 信号的提取

GIS内部闪络故障产生的声信号传播过程非常复杂，声信号在筒内部经过多次震荡，沿金属外壳和法兰盘向外传播，定量地对声信号进行分析几乎是不可能的。然而，声信号在传播过程中，整体逐渐衰减，特别是在遇到环氧树脂等材料构成的法兰盘时，声信号发生大幅衰减，衰减幅度达到10倍以上，并且信号中的高频分量明显受阻。故振动信号在GIS设备内部的传播类似于震荡信号。

首先在GIS模拟设备上提取含有白噪声的信号特征。示波器的波形显示如图1所示。

从提取的信号可以看出，放电造成的声波信号类似于震荡信号，符合理论要求。因此，在实验过程中建立了一组数学模型，即指数衰减震荡模型。