一种基于压缩感知的局部放电信号采集系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于压缩感知的局部放电信号采集系统，其包括：特高频传感器，其采集原始局部放电信号；信号采集单元，其与特高频传感器连接，以接收原始局部放电信号，并进行步骤：(1)对原始局部放电信号以低于奈奎斯特采样率的频率进行测量，从而完成对原始局部放电信号的压缩采集；处理单元，其与信号采集单元连接，并进行步骤：(2)基于压缩采集的局部放电信号重构原始局部放电信号的稀疏表示；(3)对原始局部放电信号的稀疏表示进行反变换，得到重构局部放电信号。相应地，本发明专利技术还公开了一种采集方法。本发明专利技术能在以低于奈奎斯特采样率的频率对局部放电信号进行采集的条件下获得局部放电信号的相对完整的信息。

【技术实现步骤摘要】
一种基于压缩感知的局部放电信号采集系统及方法
本专利技术涉及电力设备监控领域，尤其涉及一种局部放电信号采集系统及方法。
技术介绍
在电力工业中，对变电站中电力设备进行在线监测可以及时发现电力故障，提高故障检修效率，有效地避免重大事故的发生。在变电站中，绝缘劣化是导致设备故障的重要原因之一，导致绝缘劣化的主要原因是电力设备表面的毛刺、杂质以及接触不良等，这类故障主要表现为发生局部放电，而局部放电反过来会加剧绝缘劣化的程度，形成恶性循环，最终造成绝缘击穿，引发严重的事故。因此，对局部放电信号进行探测可以迅速找到局部放电源，提高检修效率，有力地保证了电力系统安全、稳定运行。局部放电发生时，会产生超声波、热、以及特高频(UHF)电磁波等。其中，UHF电磁波由于其出色的抗干扰性和传播速度，非常适合变电站中局部放电信号的探测。对于UHF局部放电的测量技术而言，由于模数转换等环节的硬件条件有限，往往在遇到高采样频率要求时会难以进行，或者要购买昂贵的高频器件。奈奎斯特(Nyquist)采样定理指出，信号的采样频率需要达到信号最高频率的2倍以上才能够采集到信号的完整信息，而在实际工程应用中，2倍的采样频率往往是不够的，需要更高倍数的采样频率才能完成有效的采样。因此，为了获得局部放电信号的相对完整的信息的同时降低硬件需求，需要寻求突破奈奎斯特采样定理的新的采样技术。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是提供一种基于压缩感知的局部放电信号采集系统，该系统能在以低于奈奎斯特采样率的频率对局部放电信号进行采集的条件下获得局部放电信号的相对完整的信息。基于上述目的，本专利技术提供了一种基于压缩感知的局部放电信号采集系统，其包括：特高频传感器，其采集原始局部放电信号；信号采集单元，其与特高频传感器连接，以接收特高频传感器采集的原始局部放电信号，并至少进行如下处理步骤：(1)对所述原始局部放电信号以低于奈奎斯特采样率的频率进行测量，从而完成对所述原始局部放电信号的压缩采集；处理单元，其与所述信号采集单元连接，并至少进行如下处理步骤：(2)基于压缩采集的局部放电信号重构所述原始局部放电信号的稀疏表示；(3)对所述原始局部放电信号的稀疏表示进行反变换，得到对应所述原始局部放电信号的重构局部放电信号。本专利技术所述的基于压缩感知的局部放电信号采集系统，其基于压缩感知(CompressedSensing，CS)技术设计。压缩感知技术是指如果信号满足一定条件下的稀疏性，那么就可以用远低于奈奎斯特采样率的频率对信号进行采集，然后通过相应的重构算法得到完整的信号。压缩感知技术打破了奈奎斯特采样定理，将其应用在局部放电信号测量技术中，可以以较低的采样率进行局部放电信号数据采集，然后基于局部放电信号在一定条件下的稀疏性重构局部放电信号，从而得到局部放电信号的相对完整的信息。本专利技术系统由于可以在保证获得局部放电信号的相对完整的信息的前提下大幅降低采样频率，因此可以有效降低硬件成本。所述特高频传感器和信号采集单元之间通常为模拟信号连接，所述信号采集单元和处理单元之间通常为数字信号连接。本专利技术具体原理如下：1.局部放电信号压缩采样。如果测量的信号在某空间是稀疏的，那么就可以将信号进行空间变换，然后利用测量矩阵对信号进行压缩采样，获得远小于原始信号长度的采样值，然后通过重构算法就可以解得原始信号。所以，信号在某种空间的稀疏性是使用压缩感知技术的前提。设被测局部放电信号为RN空间的X，通过一组N×1维的稀疏基向量ψi,i＝1,2…N的变换后得到X的稀疏表示S，表达式为：式(1)中，N×1维的向量S中只存在K个非零元素，其余的元素均为零或者近似于零，并且要求K<<N。稀疏基Ψ常用的有FFT变换基、DCT变换基以及小波变换基等。原信号X的数据量为N，压缩感知的核心步骤就是将此N个数据用较少的m个数据表示，因此需要一个m×N的测量矩阵Φ＝[φ1,φ2,。。。,φm]T对X进行测量，这里的m也叫做测量次数。最终得到测量结果向量Y＝(y1,y2,。。。,ym)。这一过程的表达式为：Y＝ΦX＝ΦΨS＝ΘS(2)式(2)中Θ＝ΦΨ为m×N的传感矩阵。由于m<<N，这样就完成了数据压缩。最后通过重构算法，由Y重构出S，经过(1)式的反变换就可以得到原信号X。2.测量矩阵的构建。感知矩阵Θ需要满足约束等距性(RestrictedIsometryProperty,RIP)才能够保证精确地重构原信号。RIP要求S与Θ满足(3)式的不等式关系：式中，ε∈(0,1)，ε为0到1之间的随机数。利用(3)式进行RIP条件的判断是比较复杂的。但是如果矩阵Φ和Ψ不相关，那么Θ满足RIP的条件概率很高。由于随机矩阵与给定的矩阵的相关性较小，所以测量矩阵Φ一般采用随机矩阵，常用高斯随机矩阵。3.信号重构。在得到测量结果向量Y后，(2)式是一个欠定方程，无法直接求解。但是信号X在变换成S后具有了稀疏性，因此重构S的问题就可以转化为求解最小l0范数的问题，求解这一优化问题就可以重构出N维的信号S，然后通过相应的反变换就可以得到原信号X。最小l0范数优化模型为：min||S||0s.t.Y＝ΦX＝ΦΨS(4)求解模型(4)算法主要有凸优化算法和贪婪算法。凸优化算法的精度相对较高，但是运算较复杂，运算速度慢。贪婪算法的精度稍低于凸优化算法，但是算法复杂度较小，运算速度较快。在高电压数字测量中，由于需要较快的测量速度，通常选用贪婪算法进行优化模型的求解。进一步地，本专利技术所述的基于压缩感知的局部放电信号采集系统中，所述步骤(1)中通过测量矩阵进行所述测量。更进一步地，上述基于压缩感知的局部放电信号采集系统中，所述测量矩阵为随机矩阵。更进一步地，上述基于压缩感知的局部放电信号采集系统中，所述随机矩阵为高斯随机矩阵。进一步地，本专利技术所述的基于压缩感知的局部放电信号采集系统中，所述步骤(2)中所述稀疏表示与所述原始局部放电信号之间存在基于稀疏基的变换关系，所述稀疏基包括FFT变换基、DCT变换基以及小波变换基的至少其中之一。进一步地，本专利技术所述的基于压缩感知的局部放电信号采集系统中，所述步骤(2)中采用求解关于所述原始局部放电信号的稀疏表示的最小l0范数优化模型重构所述原始局部放电信号的稀疏表示。更进一步地，上述基于压缩感知的局部放电信号采集系统中，所述最小l0范数优化模型的求解算法包括凸优化算法和贪婪算法的至少其中之一。更进一步地，上述基于压缩感知的局部放电信号采集系统中，所述最小l0范数优化模型的求解算法优选贪婪算法。进一步地，本专利技术所述的基于压缩感知的局部放电信号采集系统中，所述步骤(2)中采用正交匹配追踪算法重构所述原始局部放电信号的稀疏表示。本专利技术的另一目的是提供一种基于压缩感知的局部放电信号采集方法，该方法能在以低于奈奎斯特采样率的频率对局部放电信号进行采集的条件下获得局部放电信号的相对完整的信息。基于上述目的，本专利技术提供了一种基于压缩感知的局部放电信号采集方法，其包括上述任一系统的信号处理步骤。本专利技术所述的基于压缩感知的局部放电信号采集方法，其由于包括上述任一系统的信号处理步骤，因此同样能在以低于奈奎斯特采样率的频率对局部放电信号进行采集的条件下获得局本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压缩感知的局部放电信号采集系统，其特征在于，包括：特高频传感器，其采集原始局部放电信号；信号采集单元，其与特高频传感器连接，以接收特高频传感器采集的原始局部放电信号，并至少进行如下处理步骤：(1)对所述原始局部放电信号以低于奈奎斯特采样率的频率进行测量，从而完成对所述原始局部放电信号的压缩采集；处理单元，其与所述信号采集单元连接，并至少进行如下处理步骤：(2)基于压缩采集的局部放电信号重构所述原始局部放电信号的稀疏表示；(3)对所述原始局部放电信号的稀疏表示进行反变换，得到对应所述原始局部放电信号的重构局部放电信号。

【技术特征摘要】
1.一种基于压缩感知的局部放电信号采集系统，其特征在于，包括：特高频传感器，其采集原始局部放电信号；信号采集单元，其与特高频传感器连接，以接收特高频传感器采集的原始局部放电信号，并至少进行如下处理步骤：(1)对所述原始局部放电信号以低于奈奎斯特采样率的频率进行测量，从而完成对所述原始局部放电信号的压缩采集；处理单元，其与所述信号采集单元连接，并至少进行如下处理步骤：(2)基于压缩采集的局部放电信号重构所述原始局部放电信号的稀疏表示；(3)对所述原始局部放电信号的稀疏表示进行反变换，得到对应所述原始局部放电信号的重构局部放电信号。2.如权利要求1所述的基于压缩感知的局部放电信号采集系统，其特征在于，所述步骤(1)中通过测量矩阵进行所述测量。3.如权利要求2所述的基于压缩感知的局部放电信号采集系统，其特征在于，所述测量矩阵为随机矩阵。4.如权利要求3所述的基于压缩感知的局部放电信号采集系统，其特征在于，所述随机矩阵为高斯随机矩阵。5.如权利要求1所述的基于压缩感知的局部放电信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖驰，姚晓林，刘震，徐斌，裴亚莉，侯军，唐潇，毕凯，赵晓楠，滕国军，张启红，李臻，罗林根，盛戈皞，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网山东省电力公司威海供电公司，上海交通大学，
类型：发明
国别省市：北京,11