本發(fā)明屬于電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，涉及一種基于自適應(yīng)濾波和采樣的高壓斷路器機(jī)械故障音頻信號(hào)簇狀采集系統(tǒng)及方法，尤其是一種利用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與提升信號(hào)質(zhì)量的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、在電力系統(tǒng)中，10kv斷路器承擔(dān)著開閉電路的重要任務(wù)。然而高壓斷路器在長(zhǎng)期使用中可能會(huì)出現(xiàn)故障和損壞，據(jù)統(tǒng)計(jì)分析機(jī)械故障仍是發(fā)生最多的故障。

2、斷路器在運(yùn)行過(guò)程中可能造成機(jī)械故障，常見機(jī)械故障包括：儲(chǔ)能電機(jī)空轉(zhuǎn)、分閘電磁鐵失磁、分閘線圈完全卡死、機(jī)械閉鎖未解鎖、鏈條斷裂及螺母松動(dòng)。斷路器故障檢測(cè)對(duì)于電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。傳統(tǒng)的方法依賴于定期的巡檢和手動(dòng)測(cè)試，效率低下且容易忽略潛在問(wèn)題。聲紋檢測(cè)為斷路器故障檢測(cè)提供新的可能性，通過(guò)監(jiān)測(cè)斷路器工作過(guò)程中的振動(dòng)和聲音信號(hào)，結(jié)合先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)和模式識(shí)別算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障診斷。這種方法提高了準(zhǔn)確性和效率，同時(shí)降低了維護(hù)成本，對(duì)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要支持作用。

3、但是故障音頻信號(hào)的質(zhì)量對(duì)于后續(xù)的聲紋故障識(shí)別至關(guān)重要，故障音頻信號(hào)的質(zhì)量較低，則后續(xù)的聲紋故障識(shí)別率將會(huì)大大降低，不能為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)強(qiáng)保障；聲紋傳感器需要以全速率采樣來(lái)確保捕獲到的故障音頻信號(hào)保持其完整性和高質(zhì)量，因此通常需要較大的功耗。這可能會(huì)限制聲紋傳感器的使用時(shí)間或增加功耗損失，所以有必要設(shè)計(jì)出一種新的方案來(lái)滿足實(shí)際的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)上述不足之處，提供一種基于自適應(yīng)濾波和采樣的高壓斷路器機(jī)械故障音頻信號(hào)簇狀采集系統(tǒng)及方法，模擬運(yùn)行過(guò)程中可能造成的機(jī)械故障，通過(guò)基于簇狀結(jié)構(gòu)的音頻檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)械故障聲紋進(jìn)行采集分析和質(zhì)量改進(jìn)并且通過(guò)自適應(yīng)采樣降低系統(tǒng)功耗。有效解決了傳統(tǒng)故障音頻信號(hào)采集質(zhì)量較低以及系統(tǒng)功耗損失嚴(yán)重等問(wèn)題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、一種基于自適應(yīng)濾波和采樣的高壓斷路器機(jī)械故障音頻信號(hào)簇狀采集系統(tǒng)，包括：

4、機(jī)械故障模擬模塊，用于模擬斷路器在運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械故障；

5、故障音頻信號(hào)傳輸模塊，用于傳輸故障音頻信號(hào)；

6、自適應(yīng)采樣模塊，用于進(jìn)行故障音頻信號(hào)采樣；

7、加噪處理模塊，用于對(duì)采樣的故障音頻信號(hào)進(jìn)行加噪處理；

8、自適應(yīng)濾波(lms)模塊，用于對(duì)故障音頻信號(hào)進(jìn)行濾波和降噪處理；

9、音頻融合模塊，用于對(duì)故障音頻信號(hào)進(jìn)行音頻融合并進(jìn)行音頻輸出。

10、進(jìn)一步的，所述機(jī)械故障模擬模塊模擬斷路器在運(yùn)行過(guò)程中可能造成機(jī)械故障，包括儲(chǔ)能電機(jī)空轉(zhuǎn)、分閘電磁鐵失磁、分閘線圈完全卡死、機(jī)械閉鎖未解鎖、鏈條斷裂和螺母松動(dòng)。

11、進(jìn)一步的，故障音頻信號(hào)傳輸模塊采用分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)，將機(jī)械故障音頻信號(hào)分信道進(jìn)行傳輸；在每個(gè)信道中設(shè)有自適應(yīng)采樣模塊，通過(guò)自適應(yīng)采樣模塊進(jìn)行采樣；所述自適應(yīng)采樣模塊中具有開關(guān)控制器、信號(hào)分析單元以及控制算法單元；

12、在每個(gè)信道中還設(shè)有聲紋傳感器，所述聲紋傳感器與自適應(yīng)采樣模塊的開關(guān)控制器連接；開關(guān)控制器接收聲紋傳感器產(chǎn)生的信號(hào)或觸發(fā)信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)中的聲紋傳感器采集到的音頻信號(hào)，根據(jù)預(yù)設(shè)的條件或算法邏輯控制采樣開關(guān)的狀態(tài)，動(dòng)態(tài)決定是否對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣，即啟動(dòng)或停止數(shù)據(jù)采樣；

13、自適應(yīng)采樣模塊通過(guò)開關(guān)控制器控制聲紋傳感器采集速率，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)信噪比以及數(shù)據(jù)到達(dá)率做出判斷，從而控制聲紋傳感器的采集速率。

14、進(jìn)一步的，所述故障音頻信號(hào)傳輸模塊由傳感器接口、信號(hào)放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及通信接口組成；工作時(shí)，通過(guò)傳感器接口采集機(jī)械故障音頻信號(hào)，并將其放大、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)通信接口將信號(hào)傳輸給自適應(yīng)采樣模塊；此模塊確保音頻信號(hào)傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)完整性和低延遲，避免由于信號(hào)衰減或噪聲干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)損失。

15、進(jìn)一步的，自適應(yīng)采樣模塊工作時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信道條件，所述開關(guān)控制器通過(guò)給聲紋傳感器采集到的音頻信號(hào)幅值乘以一個(gè)符合信道條件的常數(shù)，模擬信號(hào)傳遞過(guò)程中的衰落，表示在該信道信號(hào)衰落樣值，自適應(yīng)采樣模塊根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)信噪比以及數(shù)據(jù)到達(dá)率決定是否進(jìn)行采樣。

16、進(jìn)一步的，加噪處理模塊通過(guò)將模擬的高斯白噪聲添加到原始音頻信號(hào)中，創(chuàng)建包含噪聲的音頻信號(hào)，并將加噪的音頻信號(hào)傳輸至自適應(yīng)濾波模塊中進(jìn)行濾波和降噪處理，進(jìn)而模擬出真實(shí)噪聲環(huán)境，使得后續(xù)的濾波過(guò)程具有實(shí)際意義。

17、進(jìn)一步的，自適應(yīng)濾波模塊具有二階濾波器、誤差計(jì)算單元和自適應(yīng)濾波(lms)算法控制單元，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前濾波輸出與目標(biāo)輸出之間的誤差，并根據(jù)該誤差調(diào)整二階濾波器的系數(shù)，使誤差逐漸最小化，在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中有效濾除噪聲，同時(shí)保留重要的故障特征信息；自適應(yīng)濾波模塊的濾波算法采用最小均方算法(least?mean?squaresalgorithm)。

18、所述二階濾波器具有兩個(gè)級(jí)聯(lián)的濾波階段，每個(gè)階段包含一個(gè)延遲元件和一個(gè)權(quán)重系數(shù)；通過(guò)選擇和調(diào)整權(quán)重系數(shù)，能夠有效地對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域的調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的濾波、去噪。

19、進(jìn)一步的，所述二階濾波器采用改進(jìn)的變步長(zhǎng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)最小均方算法的濾波算法，具體的是：根據(jù)輸入信號(hào)的特性實(shí)時(shí)調(diào)整濾波器響應(yīng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整步長(zhǎng)參數(shù)來(lái)提高收斂速度和穩(wěn)定性。

20、進(jìn)一步的，在將音頻信號(hào)輸入自適應(yīng)濾波模塊前，還設(shè)有前置的信噪比計(jì)算模塊，用于對(duì)含有噪音的音頻信號(hào)進(jìn)行信噪比計(jì)算，計(jì)算出來(lái)高于信噪比平均值的噪聲信號(hào)不做處理，低于信噪比平均值的噪聲信號(hào)繼續(xù)輸入自適應(yīng)濾波模塊進(jìn)行自適應(yīng)濾波處理，從而降低系統(tǒng)整體功耗。

21、進(jìn)一步的，所述音頻融合模塊具有mrc(最大比值合并maximal?ratio?combining)調(diào)相器，對(duì)接收到的濾波之后的信號(hào)進(jìn)行調(diào)相以及最大比合并進(jìn)行音頻輸出；具體的是通過(guò)調(diào)整所收到的信號(hào)的相位和幅度，以最大化合并后的信號(hào)質(zhì)量和幅值；采用復(fù)雜的相位調(diào)節(jié)和信號(hào)合并技術(shù)，確保從多個(gè)輸入中提取出最優(yōu)的混合信號(hào)，從而優(yōu)化音頻融合的效果和清晰度。

22、進(jìn)一步的，音頻融合模塊中進(jìn)行最大比合并，權(quán)值g采用歸一化處理，在接收端由多個(gè)分集支路經(jīng)過(guò)相位調(diào)整后按照適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)同相相加，輸出經(jīng)過(guò)最大比合并后的音頻信號(hào)；根據(jù)實(shí)際使用需要可以將該輸出音頻信號(hào)送入檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)，從而判斷故障類型。

23、本發(fā)明還提供了一種基于自適應(yīng)濾波和采樣的高壓斷路器機(jī)械故障音頻信號(hào)簇狀采集方法，包括如下步驟：

24、s1、模擬斷路器在運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械故障，使所述機(jī)械故障的音頻信號(hào)在分簇的傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸，并進(jìn)行采樣；

25、s2、模擬現(xiàn)場(chǎng)噪聲環(huán)境，將上述步驟中采樣得到的音頻信號(hào)進(jìn)行加噪處理；

26、s3、將上述加噪處理后的音頻信號(hào)傳輸至自適應(yīng)濾波模塊進(jìn)行濾波和降噪處理，并求出處理完或者未處理的音頻信號(hào)的信噪比；

27、s4、根據(jù)上述步驟所得到的音頻信號(hào)及信噪比，優(yōu)化聲紋傳感器的能量消耗公式，通過(guò)自適應(yīng)采樣的啟發(fā)式算法計(jì)算出需要音頻融合的信道以及聲紋傳感器的速率，并進(jìn)行最大比值合并，輸出故障音源。

28、進(jìn)一步的，所述機(jī)械故障包括儲(chǔ)能電機(jī)空轉(zhuǎn)、分閘電磁鐵失磁、分閘線圈完全卡死、機(jī)械閉鎖未解鎖、鏈條斷裂和螺母松動(dòng)。

29、進(jìn)一步的，步驟s1具體包括：所述機(jī)械故障音頻分若干個(gè)信道進(jìn)行傳輸，通過(guò)給信號(hào)幅值乘以一個(gè)常數(shù)來(lái)模擬信號(hào)傳遞過(guò)程中的衰落，表示系統(tǒng)在某個(gè)信道信號(hào)衰落樣值，由自適應(yīng)采樣模塊的開關(guān)控制器決定是否進(jìn)行采樣。

30、進(jìn)一步的，步驟s2具體包括：將模擬的高斯白噪聲添加到原始采樣得到的音頻信號(hào)中，以創(chuàng)建一個(gè)包含噪聲的信號(hào)。

31、所述高斯白噪聲的均值為0，方差為0.01～0.05，用來(lái)模擬高壓斷路器周圍設(shè)備噪聲環(huán)境。最佳取值為高斯白噪聲的均值為0，方差為0.025。

32、進(jìn)一步的，步驟s3具體包括：

33、對(duì)加噪處理后的音頻信號(hào)進(jìn)行信噪比計(jì)算，得到信噪比平均值；加噪處理后的音頻信號(hào)在本發(fā)明中又稱為噪聲信號(hào)；

34、對(duì)低于信噪比平均值的噪聲信號(hào)進(jìn)行l(wèi)ms(least?mean?squares?algorithm最小均差算法)自適應(yīng)濾波處理，通過(guò)調(diào)整濾波器的權(quán)重系數(shù)，使濾波器的輸出信號(hào)與期望信號(hào)之間的均方誤差最小化，從而來(lái)提升聲紋信號(hào)的信噪比。

35、進(jìn)一步的，所述最小均差算法采用改進(jìn)的變步長(zhǎng)濾波算法(自適應(yīng)變步長(zhǎng)濾波算法)，對(duì)自適應(yīng)濾波模塊中的二階濾波器進(jìn)行求解，具體步驟如下：

36、1，將濾波器的權(quán)重系數(shù)初始化為零；

37、2，根據(jù)實(shí)際輸出與期望輸出之間的誤差，調(diào)整權(quán)重系數(shù)；

38、y(n)＝x(n)wt(n)

39、e(n)＝d(n)-y(n)

40、w(n+1)＝w(n)+2μe(n)x(n)

41、其中，x(n)為輸入信號(hào)，y(n)為輸出信號(hào)，d(n)為期望信號(hào)，e(n)為期望信號(hào)與輸出信號(hào)的誤差，w(n)為第n步時(shí)的權(quán)重系數(shù)(向量)，w(n+1)為第n+1步時(shí)的權(quán)重系數(shù)(向量)，wt(n)為第n步時(shí)的權(quán)重向量的轉(zhuǎn)置，μe(n)為步長(zhǎng)因子與誤差信號(hào)的乘積，μ(n)為步長(zhǎng)因子，滿足算法收斂的條件是0≤μ≤λmax，其中λmax是x(n)的自相關(guān)矩陣的最大特征值；

42、根據(jù)變步長(zhǎng)指導(dǎo)調(diào)整規(guī)則，得出最佳變步長(zhǎng)公式為，

43、

44、其中，參數(shù)α控制了步長(zhǎng)因子μ(n)對(duì)誤差e(n)的響應(yīng)形狀，影響在不同誤差下的調(diào)整速度及方式；參數(shù)θ控制步長(zhǎng)因子μ(n)的取值范圍，影響在不同誤差下的最大調(diào)整能力；

45、3，通過(guò)迭代過(guò)程，當(dāng)誤差足夠小或達(dá)到預(yù)設(shè)的收斂條件時(shí)，算法停止迭代。

46、進(jìn)一步的，步驟s4給聲紋傳感器分配的采集速率，需滿足對(duì)音頻信號(hào)信噪比的期望值η，即合并后某時(shí)刻的信噪比大于期望值η；數(shù)據(jù)丟失率小于數(shù)據(jù)丟失率的臨界值β。

47、所述自適應(yīng)采樣的啟發(fā)式算法為：

48、設(shè)定期望信噪比的閾值，使高于期望信噪比閾值的支路按照數(shù)據(jù)到達(dá)率進(jìn)行排序；低于期望信噪比的閾值的支路則根據(jù)信噪比的高低進(jìn)行排列，若信噪比相同，則按照數(shù)據(jù)可達(dá)率進(jìn)行排序；

49、通過(guò)定理和推論對(duì)每個(gè)聲紋傳感器的速率進(jìn)行計(jì)算。

50、算法的具體步驟包括：

51、q2-1，假設(shè)對(duì)n個(gè)支路進(jìn)行采集，第i個(gè)支路的歸一化采集速率為ri，第i個(gè)支路的數(shù)據(jù)丟失率ploss＝1-ripi；

52、假設(shè)采樣點(diǎn)總數(shù)為n，則n條支路數(shù)據(jù)丟失率則為

53、對(duì)于聲紋傳感器的速率ri，由于賦予每個(gè)信道傳感器的速率與每個(gè)信道的數(shù)據(jù)丟失率有關(guān)，且最小數(shù)據(jù)丟失率要小于臨界值ploss＜β，若前n-1個(gè)支路最大比值合并后都不能滿足信噪比要求，則前n-1個(gè)支路都全速率采樣來(lái)提高信號(hào)樣值，第n個(gè)支路聲紋傳感器的速率為則n條支路中的聲紋傳感器采集速率滿足{1,1,1,...,rn，0，0,...,0}；

54、q2-2，將高于期望信噪比閾值的支路按照數(shù)據(jù)到達(dá)率進(jìn)行排序；低于期望信噪比的閾值的支路則根據(jù)信噪比的高低進(jìn)行排列，若信噪比相同，則按照數(shù)據(jù)可達(dá)率進(jìn)行排序；

55、q2-3，假設(shè)排列之后的支路是按照順序排列，對(duì)第一條支路而言：

56、q2-3-1，若第一條支路的信噪比滿足期望信噪比且數(shù)據(jù)丟失率也小于臨界值，則說(shuō)明第一條支路能夠完成系統(tǒng)采集要求，則只需要第一條支路上的聲紋傳感器進(jìn)行采集，采集速率為1，其余支路聲紋傳感器采集速率為0；

57、q2-3-2，若第一條之路的信噪比不滿足期望信噪比或數(shù)據(jù)丟失率大于臨界值，則說(shuō)明要讓第一條支路全速率采集，第一條之路還需要與其他支路進(jìn)行最大比值合并來(lái)滿足系統(tǒng)要求，每和一條支路進(jìn)行最大比值合并就計(jì)算融合信噪比；

58、若融合信噪比滿足期望信噪比的要求，則計(jì)算數(shù)據(jù)丟失率是否滿足要求，若滿足，則第n個(gè)支路聲紋傳感器的速率若不滿足，則

59、

60、若融合信噪比不滿足期望信噪比的要求，則轉(zhuǎn)步驟q2-3-4；

61、q2-3-4，和排列中的下一條支路進(jìn)行最大比值合并計(jì)算融合信噪比，若融合信噪比滿足期望信噪比的要求，則計(jì)算數(shù)據(jù)丟失率是否滿足要求，若滿足，則第n個(gè)支路聲紋傳感器的速率若不滿足，則若融合信噪比不滿足期望信噪比的要求，則繼續(xù)轉(zhuǎn)步驟q2-3-4，和排列中的下一條支路再次進(jìn)行最大比值合并；

62、若直到最后一條支路的融合信噪比還是無(wú)法達(dá)到期望信噪比，則使最后一條支路全速率采樣，盡可能滿足期望信噪比的要求。

63、本發(fā)明的有益效果是：

64、(1)針對(duì)傳統(tǒng)的音頻采集系統(tǒng)音頻信號(hào)采集質(zhì)量較低等不足，提出了一種基于簇狀結(jié)構(gòu)的音頻檢測(cè)系統(tǒng)，該方法具有較高的魯棒性、檢測(cè)準(zhǔn)確性和處理效率。

65、(2)通過(guò)研究信噪比高和信噪比低的兩種特殊情況，綜合一種自適應(yīng)采樣的啟發(fā)式算法。根據(jù)結(jié)果可見自適應(yīng)采樣的啟發(fā)式算法不僅滿足系統(tǒng)對(duì)于音頻信號(hào)質(zhì)量的要求，并且大大降低了系統(tǒng)的整體的整體功耗。

66、(3)針對(duì)傳統(tǒng)的lms自適應(yīng)濾波算法收斂速度慢、穩(wěn)態(tài)誤差較大等不足，提出了一種變步長(zhǎng)lms自適應(yīng)濾波算法，該方法不僅收斂速度快、還能夠提高穩(wěn)態(tài)性能。該方法具有更好的魯棒性和適應(yīng)性。