基于声信号的直流电弧检测方法、系统、设备及存储介质

1.本发明涉及直流电弧检测技术领域，尤其是涉及一种基于声信号的直流电弧检测方法、系统、设备及存储介质。


背景技术：

2.随着我国提出“双碳”目标，越来越多的光伏发电设备接入电网，据统计光伏发电装置发生火灾的事故中有40％来源于电弧产生，产生了一系列不必要的损失。
3.现有的直流电弧检测技术一般基于直流电弧的伏安特性和高频电压、电流进行研究。通常基于检测装置提取电压电流信号，在提取完信号特征后进行分析，但是，以电流电压的信号来检测直流电弧是否存在并不准确。此外，配电系统中存在大量用电设备，这些用电设备在进行开关动作或是正常工作时都有可能产生类似于电弧的电流波形，这会对故障电弧的检测造成干扰。同时，电弧的燃烧具有不稳定性，对于同一个设备在不同时刻产生的故障电弧，其时域、频域特性都会有很大的差异，现有的信号处理方法过于单一，电弧的特征参数识别度不高，容易受到干扰。
4.直流电弧的产生过程中，会伴随着一些其他的物理现象，如光辐射、声辐射、以及电磁辐射，但是，目前没有相关研究。
5.基于上述缺陷，亟需设计一种识别精度高的直流电弧检测方法及系统。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供了一种识别精度高的基于声信号的直流电弧检测方法、系统、设备及存储介质。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.根据本发明的第一方面，提供了一种基于声信号的直流电弧检测方法，所述方法包括以下步骤：
9.步骤s1、获取待检测直流输电线路的电流信号以及周围的混合音频信号；
10.步骤s2、对分帧处理后的混合音频信号进行短时傅里叶变换，得到混合音频信号对应的时频谱；
11.步骤s3、采用基于相似矩阵的盲源分离算法，从混合音频信号的时频谱中分离出直流电弧产生的声频特性，并通过逆傅里叶变换得到直流电弧音频信号；
12.步骤s4、对电流信号与直流电弧音频信号进行相关性分析，并基于设定的互相关系数阈值，对直流输电线路进行直流电弧检测。
13.优选地，所述步骤s2中的时频谱为对数功率谱。
14.优选地，所述步骤s3包括以下子步骤：
15.步骤s31、将对数功率谱按列取距离范数，并进行归一化处理；
16.步骤s32、计算每一帧声音信号之间的余弦相似度得到相似矩阵s；
17.步骤s33、将相似矩阵各频段中值定义为重复谱，取对数功率谱与重复谱中的最小
值作为更新后的重复谱；
18.步骤s34、通过维纳霍夫方程以及最小均方差函数构建频域维纳滤波器，对更新后的重复谱进行滤波，得到滤波后的时频谱；
19.步骤s35、对滤波后的时频谱进行时频掩蔽，分离出待检测直流输电线路中直流电弧对应的前景时频谱；
20.步骤s36、对步骤s35获得的前景时频谱作逆傅里叶变换得到直流电弧音频信号。
21.优选地，所述步骤s32中的相似矩阵的计算表达式为：
[0022][0023]
式中，每一点(i,k)对应对数功率谱w中第i帧和第k帧特征向量之间的余弦相似度；m为时频谱中的帧序号，1≤m≤n，n为总帧数。
[0024]
优选地，所述步骤s34中的频域维纳滤波器的表达式为：
[0025][0026]
式中，p
x
为周期性稳态声音信号功率谱，表征为更新后的重复谱v'；pn为瞬态声音信号功率谱，表征为时频谱w与更新后的重复谱v
′
的差值。
[0027]
优选地，所述步骤s36还包括对直流电弧音频信号进行幅值比例缩放，使其与混合音频信号具有相同的幅值。
[0028]
优选地，所述步骤s4包括以下步骤：
[0029]
步骤s41、计算电流信号与直流电弧音频信号的归一化互相关系数，表达式为：
[0030][0031][0032]
式中，x
′
(t)为直流电弧音频信号，i(t)为电流信号；r为互相关函数，τ为时移变量；
[0033]
步骤s42、若当前计算得到的归一化互相关系数大于设定的阈值，则认为待检测直流输电线路中产生了直流电弧，否则认为待检测直流输电线路中没有产生直流电弧。
[0034]
根据本发明的第二方面，提供了一种基于声信号的直流电弧检测系统，采用所述的方法，所述系统包括：
[0035]
信号采集模块，用于采集待检测直流输电线路的电流信号以及周围的混合音频信号；
[0036]
声信号提取模块，用于采用从混合音频信号盲源分离出直流电弧音频信号；
[0037]
相关性分析检测模块，对电流信号和分离出的直流电弧音频信号进行相关性分析，并基于设定的互相关系数阈值，对直流输电线路进行直流电弧检测。
[0038]
根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述的方法。
[0039]
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现任一项所述的方法。
[0040]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0041]
1)本发明的光伏直流电弧检测的方法，实时采集直流电弧的电流和声音特征信号，利用相关性分析判断是否存在直流电弧，降低了检测的局限性，避免了因为用电设备在进行开关动作或是正常工作时都有可能产生类似于电弧的电流波形，从而对故障电弧的检测造成干扰的情况，提高了检测的准确度，有利于提高光伏发电过程中的安全性和稳定性；
[0042]
2)使用频域维纳滤波器形成软掩蔽，软掩蔽方法能够避免伪影的产生，声信号还原质量更高。
附图说明
[0043]
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
[0045]
实施例
[0046]
本实施例给出了一种基于声信号的直流电弧检测方法，该方法首先提取直流电弧的电流信号和电弧的混合音频在时域下的信号，其次将混合音频信号进行分帧，再进行短时傅里叶变换，提取频域特征。由于音频信号的对数功率谱上丢失信息比较少，信息比较完整，有利于对分离后语音的重构和恢复，因此在短时傅里叶变换后做对数功率谱处理。接着通过提取电弧时的混合音频，盲源分离的方法分离出在其他噪声干扰下由直流电弧产生的声频特性。接下来将已分离的直流电弧音频信号进行反傅里叶变换还原成时域信号。最后将直流电弧声音与电流时域信号进行相关性分析，判断是否产生直流电弧，流程图如图1所示。
[0047]
具体步骤如下：
[0048]
步骤s1、获取待检测直流输电线路的电流信号以及周围的混合音频信号。
[0049]
步骤s2、由于直流电弧音频信号是非线性信号，为了避免产生失真，对采集到的混合音频信号进行分帧处理，并且对混合音频信号进行加窗处理，得到窗函数g(t)；
[0050]
由于声信号是非平稳信号，因此将分帧处理后的混合音频信号进行短时傅里叶变换，表达式为：
[0051][0052]
式中，g为窗函数，x为分帧处理后的混合音频信号，f为声音频率；
[0053]
为了减少电弧声信号在功率谱丢失信号的影响，更有效地对分离后的音频进行重构和恢复，对其取对数功率谱，表达式为：
[0054]
w＝log|f
stftx
(t,f)|2。
[0055]
步骤s3、基于相似矩阵，分离出混合音频信号中的电弧原始声信号，由于噪声信号多以自相似的背景混响为主，在频谱上具有相似或重复的结果特点，而产生的直流电弧为不平稳的信号，本实施例采用相似矩阵分离直流电弧声信号，具体包括以下步骤：
[0056]
步骤s31、将对数功率谱按列取距离范数，并进行归一化处理；
[0057]
步骤s32、计算每一帧声音信号之间的余弦相似度得到相似矩阵s；
[0058]
其中，相似矩阵的计算表达式为：
[0059][0060]
式中，每一点(i,k)对应对数功率谱w中第i帧和第k帧特征向量之间的余弦相似度；m为时频谱中的帧序号，1≤m≤n，n为总帧数；
[0061]
步骤s33、将相似矩阵各频段中值定义为重复谱，其代表频谱每一帧与其相似帧向量相关度；取对数功率谱与重复谱中的最小值作为更新后的重复谱，具体为：
[0062]
用于滤波的重复谱能量应小于等于原对数功率谱w，即更新后的重复谱v
′
为：
[0063]v′
＝min(v,w)
[0064]
式中，v为重复谱，w为对数功率谱；
[0065]
步骤s34、使用频域维纳滤波器形成软掩蔽，软掩蔽方法能够避免伪影的产生，声信号还原质量更高；假设背景噪声与直流电弧本体声音为加性关系，通过维纳霍夫方程以及最小均方差函数构建频域维纳滤波器，对更新后的重复谱进行滤波，得到滤波后的时频谱；
[0066]
其中，频域维纳滤波器的表达式为：
[0067][0068]
式中，p
x
为周期性稳态声音信号功率谱，表征为更新后的重复谱v'；pn为瞬态声音信号功率谱，表征为时频谱w与更新后的重复谱v
′
的差值；全频段的计算结果h即能够形成软掩蔽；
[0069]
步骤s35、对滤波后的时频谱进行时频掩蔽，分离出待检测直流输电线路中直流电弧对应的前景时频谱；
[0070]
步骤s36、对步骤s35获得的前景时频谱作逆傅里叶变换得到直流电弧音频信号；其中，还包括对直流电弧音频信号进行幅值比例缩放，使其与混合音频信号具有相同的幅值。
[0071]
步骤s4、由于电弧产生是因为电流通过气体时伴随着强烈的发热过程，以至电流通道内的中性气体分子被全部电离而形成等离子体，弧光放电产生强烈的声辐射；因此，直流电弧产生的声信号与电流信号有密切的关系，从而通过声音信号和电流信号的相关性判断是否存在直流电弧；
[0072]
对电流信号与直流电弧音频信号进行相关性分析，并基于设定的互相关系数阈值，对直流输电线路进行直流电弧检测：
[0073]
步骤s41、计算电流信号与直流电弧音频信号的归一化互相关系数，表达式为：
[0074][0075][0076]
式中，x
′
(t)为直流电弧音频信号，i(t)为电流信号；r为互相关函数，τ为时移变量；
[0077]
步骤s42、若当前计算得到的归一化互相关系数大于设定的阈值，则认为待检测直流输电线路中产生了直流电弧，否则认为待检测直流输电线路中没有产生直流电弧；
[0078]
一般的，当ρ越接近0时，直流电弧声音信号与直流电弧电流信号相关性越低；当ρ越接近1时，直流电弧声音信号与直流电弧电流信号相关性越高，即代表待检测直流输电线路中产生直流电弧。
[0079]
接下来，给出本发明的系统实施例，一种基于声信号的直流电弧检测系统，所述的方法，所述系统包括：
[0080]
信号采集模块，用于采集待检测直流输电线路的电流信号以及周围的混合音频信号；
[0081]
声信号提取模块，用于采用从混合音频信号盲源分离出直流电弧音频信号；
[0082]
相关性分析检测模块，对电流信号和分离出的直流电弧音频信号进行相关性分析，并基于设定的互相关系数阈值，对直流输电线路进行直流电弧检测。
[0083]
本发明电子设备包括中央处理单元(cpu)，其可以根据存储在只读存储器(rom)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(ram)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在ram中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。cpu、rom以及ram通过总线彼此相连。输入/输出(i/o)接口也连接至总线。
[0084]
设备中的多个部件连接至i/o接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
[0085]
处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法s1～s4。例如，在一些实施例中，方法s1～s4可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由rom和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到ram并由cpu执行时，可以执行上文描述的方法s1～s4的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，cpu可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法s1～s4。
[0086]
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(fpga)、专用集成电路(asic)、专用标准产品(assp)、芯片上系统的系统(soc)、负载可编程逻辑设备(cpld)等等。
[0087]
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来
编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
[0088]
在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程只读存储器(eprom或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(cd-rom)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
[0089]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。