專利名稱：一種特高壓直流電暈電流信號去噪方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于特高輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種電暈電流信號的濾波去噪方法，特別是將離散小波變換以及信息論中的MDL (Minimum Description Length-最少描述長度)引入信號去噪，提出一種適用于特高壓直流電暈電流信號的基于最小描述長度和離散小波變換的信號去噪方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，各行業(yè)生產(chǎn)及居民日常生活用電量大增，除了 加大發(fā)電量外還必須不斷提高電力的輸送能力。我國資源和用電負荷分布不均更加加劇了特高壓電網(wǎng)的建設(shè)需要。特高壓電網(wǎng)具有輸電距離長、輸送功率大、線路損耗低等一系列優(yōu)點，是實現(xiàn)我國“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”的戰(zhàn)略目標的必然選擇。為進一步提高我國電能輸送能力，已經(jīng)建設(shè)完成部分±800kV直流輸電工程，同時國家電網(wǎng)公司目前已啟動± IlOOkV特高壓直流輸電線路的研究工作。特高壓直流輸電線路的研究需要配套的測量系統(tǒng)，但是測量系統(tǒng)工作環(huán)境的特殊性使得采集到的電暈電流信號與參考文獻中所描述的存在一定差別。這是由于在強背景噪聲下，從特高壓直流輸電線路采集到得電暈電流波形含有高頻信號，使得有效電暈電流信號被掩蓋到背景噪聲里，因此將電暈電流信號從背景噪聲下進行有效提取是非常必要的。一般來講，干擾的類型主要包括連續(xù)周期性干擾、隨機噪聲干擾、脈沖型和周期窄帶干擾等。連續(xù)的周期性干擾信號在頻域上是窄帶信號，與電暈電流信號頻譜有較大的差異；脈沖型信號在頻域內(nèi)頻帶豐富，具有與電暈電流信號相似的頻譜特征，普遍存在于特高壓試驗線段中，是一種重要的脈沖干擾源。如何有效地去除信號中的干擾信息一直是研究中的熱點問題。黃傳博士等人提出了以經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)為基礎(chǔ)的希爾伯一黃轉(zhuǎn)換(Hilbert-Huang Transform, HHT)，此方法是將信號分解成有限個固有模態(tài)函數(shù)(Intrinsic Mode Function, IMFs)與一個均值趨勢分量的加總,然后通過希爾伯一黃轉(zhuǎn)換求得信號的瞬時振幅與瞬時頻率，從而取得信號完整的時間一頻率一能量的分布信息。EMD分解能處理不同時間信號和非線性、非穩(wěn)態(tài)信號，目前應(yīng)用比較廣的是基于EMD的時空尺度濾波方法。由于電暈電流信號本身頻率過高，基于EMD時空尺度濾波的電暈電流信號經(jīng)濾波后的信號仍然存在與電暈電流信號頻率相近的高頻噪聲，影響到電暈電流信號精度；另一方面，由于EMD方法是基于包絡(luò)的思想且主要針對于白噪聲，沒有考慮強周期窄帶干擾，對于強周期窄帶干擾，信號會完全被淹沒。因此，在電暈電流信號的去噪過程中用EMD的消噪方法的效果不夠理想，失真比較大。在連續(xù)周期型干擾和隨機噪聲抑制方面，更多使用的是小波閾值消噪法，但在實際應(yīng)用過程中諸如最優(yōu)小波基選擇、閾值選擇和電暈電流多態(tài)性信號處理等方面仍存在一些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種用于適用于特高壓直流電暈電流信號的去噪方法。主要包括信號的離散小波變換以及信息論中的最小描述長度判據(jù)。該方法的主體思路是通過搜尋最佳信號模型對原信號進行最好表達，然后對該模型進行編碼從而達到消噪的目的。具體實現(xiàn)為在一個完備的信號模型庫中尋找一個最佳的信號模型，使最優(yōu)化判據(jù)估計“真實信號”和“實測信號”之間的偏差服從高斯白噪聲的概率分布機率最大。本發(fā)明通過尋找合適的小波基，利用基于離散小波變換(即DWT)和最少描述長度(即MDL)相結(jié)合的數(shù)據(jù)自適應(yīng)性消噪算法，尋找最適合電暈電流信號去噪的小波基，實現(xiàn)電暈電流信號的去噪工作。本發(fā)明具體采用以下技術(shù)方案。—種特高壓直流電暈電流信號去噪方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(I)利用特高壓直流寬頻域電暈電流測量系統(tǒng)獲得特高壓直流電暈電流信號，所述特高壓直流電暈電流信號包括有效信號和噪聲信號；f=x+y(I)
式(I)中，f代表含有噪聲信號的特高壓直流電暈電流信號數(shù)據(jù)；x表示特高壓直流電暈電流信號中的有效信號；y表示高斯白噪聲信號，服從正態(tài)分布；(2)根據(jù)分析電暈電流脈沖信號的需要，選出適合電暈電流去噪所需要的正交小波函數(shù)構(gòu)建小波模型庫，其中所述小波模型庫由以下正交小波函數(shù)構(gòu)成Daubechies 小波族(db2,…，dblO)、Coieflets 小波族(coif2,…，coif5)及Symlets 小波族(sym2, ···, sym8)構(gòu)成；(3)將采集的特高壓直流電暈電流信號采用小波模型庫中的各正交小波函數(shù)分別進行離散的正交小波變換，將原始的特高壓直流電暈電流信號按不同的分辨率分解到不同的尺度水平上，得到每一尺度所對應(yīng)的小波分解系數(shù)；(4)對步驟(3)中所有不同的所述正交小波變換，利用最小描述長度MDL判據(jù)表達式分別選擇不同的正交小波變換所對應(yīng)的最佳小波分解系數(shù)子集；當MDL判據(jù)表達式取最小值時，確定每一下交小波函數(shù)變換對應(yīng)的最佳小波分解系數(shù)子集，得到特高壓直流電暈電流信號采用各正交小波函數(shù)進行小波變換對應(yīng)的最優(yōu)小波模型；所述MDL判據(jù)的近似表達式為MDL判據(jù)的近似表達式為AMDL(k,n) - min|^log.V + ^-Iog α }|| |,0 < A < iV;1 < < A/ (3)這里表示特高壓直流電暈電流信號數(shù)據(jù)函數(shù)f在某一分解尺度下所對應(yīng)的小波分解系數(shù)，η為變換模型索引，Wn為NXN維的DWT對應(yīng)的標準正交矩陣，k代表保留分解系數(shù)的個數(shù)；，”二妒^^^^啊/讀示包含讓個非零元素的向量，表示閾值運算，保留丄的系數(shù)最大的k個元素分解后，其余數(shù)值置零，式中N為整數(shù)，表示特高壓直流電暈電流信號的采樣點數(shù)，M為整數(shù)，表示模型庫容量。(5)利用尺度函數(shù)θΒΕ，通過計算特高壓直流電暈電流信號采用根據(jù)步驟(4)得到的各正交小波函數(shù)進行小波變換對應(yīng)的最優(yōu)小波模型所重構(gòu)的特高壓直流電暈電流信號中的有效信號與含有噪聲信號的特高壓直流電暈電流原始信號的誤差值，來橫向比較各最優(yōu)小波模型的優(yōu)劣，然后將尺度函數(shù)eMSE取值最小的最優(yōu)小波模型作為最佳模型用于實現(xiàn)對特高壓直流電暈電流有效信號的最終重構(gòu)；尺度函數(shù)的計算公式如下
e廳二 I ΙΣ [/(,.) - x0)]2 I Jz WO]2 X100%，
、V ι-QV i=0 J其中，f(i)表示含有噪聲信號的特高壓直流電暈電流原始信號；x(i)表示通過步驟(4)得到的最佳小波分解系數(shù)子集所重構(gòu)的特高壓直流電暈電流信號中的有效信號，i表示特高壓直流電暈電流信號不同的采樣點，采樣點共有N個；(6)利用步驟(5)所選的最佳模型重構(gòu)待預(yù)測特高壓直流電暈電流有效信號，從而實現(xiàn)所述電暈電流信號去噪目的。本發(fā)明提出的數(shù)據(jù)自適應(yīng)性消噪方法具有以下優(yōu)點(I)針對特高壓直流電暈電流信號選擇合適的小波基，更有針對性， 可以很好的分析電暈電流這種非線性非平穩(wěn)信號。(2)不需預(yù)設(shè)閾值，具有完全的自適應(yīng)性。(3)評價標準比較直觀，不需要人為干預(yù)，解決了小波分解需要人為分揀的問題。本發(fā)明特高壓直流電暈電流信號的去噪方法是在離散小波變換基礎(chǔ)上引入信息論中的MDL最少描述長度判據(jù)，通過選擇合適的小波基，達到了不需預(yù)設(shè)閾值、數(shù)據(jù)自適應(yīng)消噪的目的，消澡效果好，可以在實際應(yīng)用中對電暈電流信號有效去噪。


圖I是本發(fā)明的去噪方法應(yīng)用流程圖；圖2是本發(fā)明的某小波基的AMDL函數(shù)值；圖3是本發(fā)明的應(yīng)用示例中的電暈電流輸入信號；圖4是本發(fā)明的自適應(yīng)消澡方法應(yīng)用于正負極電暈電流信號的效果圖。
具體實施例方式下面根據(jù)說明書附圖并結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步詳細說明。如圖I所示為本發(fā)明公開的特高壓直流電暈電流去噪方法流程圖。本發(fā)明的一種適用于特高壓直流電源電流信號的去噪方法，其主體思路是通過搜尋最佳信號模型對原信號進行最好表達，然后對該模型進行編碼從而達到消噪的目的。具體實現(xiàn)為通過選擇好的小波基在完備的信號模型庫中尋找一個最佳的信號模型，使最優(yōu)化判據(jù)估計“真實信號”和“實測信號”之間的偏差服從高斯白噪聲的概率分布機率最大。本發(fā)明通過分析電暈電流脈沖信號的需要，選擇合適的小波基，利用基于DWT，并引入MDL判據(jù)的去噪方法。利用MDL判據(jù)選擇DWT的分解系數(shù)的子集作為每一種信號模型的參數(shù)，然后以eMSE為尺度函數(shù)橫向比較各信號模型的優(yōu)劣。本發(fā)明去噪方法的具體步驟如下(I)采集特高壓直流電暈電流信號。利用特高壓直流寬頻域電暈電流測量系統(tǒng)獲得特高壓直流電暈電流信號，為本發(fā)明的去噪方法提供信號輸入。關(guān)于數(shù)據(jù)信號模型，首先要假設(shè)有一離散模型f=x+y(I)式⑴中，f代表含有噪聲信號的特高壓直流電暈電流信號數(shù)據(jù)；x表示未知頻段的待預(yù)測電暈電流有效信號表示高斯白噪聲信號，服從正態(tài)分布。(2)正交基選擇，由于每一種變換模型都有子集，對特定信號的最佳變換對另一種信號不一定能達到預(yù)期效果，需要構(gòu)造完備模型庫。本申請選擇正交小波構(gòu)成的標準正交基做構(gòu)造其完備模型庫。根據(jù)分析電暈電流脈沖信號的需要，通過實驗考察正交小波函數(shù)的緊支撐(即奇異點的影響最小)、消噪能力以及消失距等，從而選出Daubechies小波族(db2,…，dblO)、Coieflets 小波族(coif2,…，coif5)及 Symlets 小波族(sym2,…，sym8)共計20個小波正交函數(shù)構(gòu)成小波模型庫。(3)將采集的特高壓直流電暈電流信號分別采用上述的多個正交小波函數(shù)進行離散小波變換，將原始的特高壓直流電暈電流信號按不同的分辨率分解到不同的尺度水平上，得到每一尺度所對應(yīng)的小波分解系數(shù)。選取的最大分解尺度為J = [k)g2iV」，(N為采樣點數(shù))，其中中括號表示為取整運算。(4)對(3)所得到的所有不同的小波變換，利用最小描述長度MDL判據(jù)表達式分別選擇其對應(yīng)的最佳小波分解系數(shù)子集。具體就是利用MDL判據(jù)確定每一種變換所對應(yīng)的最優(yōu)信號估計模型，模型參數(shù)為選擇的小波分解系數(shù)的子集。MDL判據(jù)就是在給定小波模型庫 中尋找能夠用最短的編碼長度來描述數(shù)據(jù)和模型本身的最佳模型。Kraft不等式在概率分布和編碼長度間建立了等價關(guān)系，由編碼長度可以確定一種概率分布，反之概率分布可以反映編碼長度。根據(jù)香農(nóng)源編碼理論，定義樣本的最短描述長度為概率分布的熵
JfZ(X)--XlogP(Xi)…
i=l其中，P為概率。式(2)建立了概率分布與編碼長度的對應(yīng)關(guān)系，即編碼長度可以看成概率分布的另外一種表不方式。MDL判據(jù)的近似表達式為AMDL(k,n) = minI^logAr+ ^-log α |,0SA< JV;1 i w^Af (3)這里，I 表示特高壓直流電暈電流信號數(shù)據(jù)函數(shù)f在某一分解尺度下所對應(yīng)的小波分解系數(shù)，η為變換模型索引，Wn為NXN維的DWT對應(yīng)的標準正交矩陣，k代表保留分解系數(shù)的個數(shù)；表示包含k個非零元素的向量，θω表示閩值運算，保留的系數(shù)最大的k個元素分解后，其余數(shù)值置零，式中N為整數(shù)，表示特高壓直流電暈電流信號的采樣點數(shù)，M為整數(shù)，表示模型庫容量，這里是M=20。由式(3)可知，MDL函數(shù)由兩個基本項組成，第一項為線性函數(shù)，隨著小波系數(shù)k數(shù)量的增加而線性增加；第二項描述和間的殘差，其隨著k的增加而減小，其函數(shù)值變化如圖2所示。由圖2可知，存在某一 k值使得MDL達到最小，AMDL函數(shù)計算這兩項之和并取最小值(對應(yīng)概率最大)，就能找到基于變換模型η的最優(yōu)估計模型。分別確定每一正交小波函數(shù)變換對應(yīng)的最佳小波分解系數(shù)子集，得到特高壓直流電暈電流信號采用各正交小波函數(shù)進行小波變換對應(yīng)的最優(yōu)小波模型；(5)引入尺度函數(shù)作為評價因子。為了衡量去噪方法性能以及步驟⑷所得到的最優(yōu)化估計模型選擇判據(jù)情況，引入的評價因子為均方誤差
(卜- ~ ~· IiV-I ~、, Σ[/(/) -χ(/)]2 ./ XW/)]2 X100%⑷
、V /=OV /-0 j
式(4)中，f (i)表示原始特高壓直流電暈電流信號在不同采樣點的采樣數(shù)據(jù)；x(i)表示重構(gòu)的信號，N為采樣點數(shù)。采用eMSE對每一種小波變換估計模型進行橫向比較，選出小波模型庫中所有模型里eMSE最小的模型。(6)然后，利用上述步驟(5)所得模型在MDL判據(jù)所確定的k值下的重構(gòu)待預(yù)測電暈電流有效信號，從而實現(xiàn)信號去噪目的。以下是采集到的一個電壓等級下電暈電流數(shù)據(jù)的實際處理，輸入信號模型如圖3所示本申請采用前文提及的正交小波函數(shù)對正、負極電暈電流信號進行DWT，然后利用MDL判據(jù)確定每一種變換所對應(yīng)的最優(yōu)信號估計模型，模型參數(shù)為選擇的小波分解系數(shù)的 子集。表I是正負極電暈電流信號計算結(jié)果，其中，第二列和第六列分別是正、負極電暈電流對應(yīng)所有的k(l彡k彡N)使MDL(k，n)函數(shù)得到最小值；第三列和第七列分別是對正負極電暈電流信號進行模型估計后保留的小波分級系數(shù)的個數(shù)。表I正負極電暈電流信號計算結(jié)果
權(quán)利要求
1.一種特高壓直流電暈電流信號去噪方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟 (1)利用特高壓直流寬頻域電暈電流測量系統(tǒng)獲得特高壓直流電暈電流信號，所述特高壓直流電暈電流信號包括有效信號和噪聲信號；f=x+y 式中，f代表含有噪聲信號的特高壓直流電暈電流信號數(shù)據(jù)表示特高壓直流電暈電流信號中的有效信號；y表示高斯白噪聲信號，服從正態(tài)分布； (2)根據(jù)分析電暈電流脈沖信號的需要，選出適合電暈電流去噪所需要的正交小波函數(shù)構(gòu)建小波模型庫，其中所述小波模型庫由以下正交小波函數(shù)構(gòu)成 Daubechies 小波族(db2,…，dblO)、Coieflets 小波族(coif2, ···, coif5)及 Symlets小波族(sym2, ···, sym8)構(gòu)成； (3)將采集的特高壓直流電暈電流信號采用小波模型庫中的各正交小波函數(shù)分別進行離散的正交小波變換，將原始的特高壓直流電暈電流信號按不同的分辨率分解到不同的尺度水平上，得到每一尺度所對應(yīng)的小波分解系數(shù)； (4)對步驟(3)中所有不同的所述正交小波變換，利用最小描述長度MDL判據(jù)表達式分別選擇不同的正交小波變換所對應(yīng)的最佳小波分解系數(shù)子集；當MDL判據(jù)表達式取最小值時，確定每一正交小波函數(shù)變換對應(yīng)的最佳小波分解系數(shù)子集，得到特高壓直流電暈電流信號采用各正交小波函數(shù)進行小波變換對應(yīng)的最優(yōu)小波模型； (5)利用尺度函數(shù)eMSE，通過計算特高壓直流電暈電流信號采用根據(jù)步驟(4)得到的各正交小波函數(shù)進行小波變換對應(yīng)的最優(yōu)小波模型所重構(gòu)的特高壓直流電暈電流信號中的有效信號與含有噪聲信號的特高壓直流電暈電流原始信號的誤差值，來橫向比較各最優(yōu)小波模型的優(yōu)劣，然后將尺度函數(shù)θβε取值最小的最優(yōu)小波模型作為最佳模型用于實現(xiàn)對特高壓直流電暈電流有效信號的最終重構(gòu)；尺度函數(shù)的計算公式如下
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的特高壓直流電暈電流信號去噪方法，其特征在于在步驟(4)中，最小描述長度MDL判據(jù)取以下近似表達式
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于適用于特高壓直流電暈電流信號的去噪方法。主要包括信號的離散小波變換以及信息論中的最小描述長度判據(jù)。該方法的主體思路是通過搜尋最佳信號模型對原信號進行最好表達，然后對該模型進行編碼從而達到消噪的目的，利用離散小波變換以及最小描述長度判據(jù)相結(jié)合，達到更好的去噪效果。該方法具有不需預(yù)設(shè)閾值、數(shù)據(jù)自適應(yīng)性的特點。
文檔編號G01R19/00GK102901855SQ20121029265
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者劉元慶, 呂建勛, 陸家榆, 袁海文, 夏文岳, 李煉煉, 楊慶華, 郭劍, 鞠勇, 趙錄興 申請人:中國電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司, 袁海文