一种基于CEEMDAN和小波阈值的变电站环境噪声去除方法和系统与流程

一种基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除方法和系统
技术领域
1.本发明属于变压器声纹信号去噪技术领域，涉及一种基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除方法和系统。


背景技术：

2.变压器作为变电站最主要的电力设备之一，其安全运行是保证整个社会正常发展的前提条件。为此，采取有效的声纹识别技术判断变压器的故障类型，对于保证系统的正常运行和社会的正常发展具有重要的意义，但是变电站的环境噪声对变压器自身声纹的采集造成了干扰，因此选择合适的去噪方法至关重要。
3.在变压器声纹去噪的方法中，直接采用小波分析的方法暴露了其不具有自适应性的缺点，而直接采用经验模态分解(emd)方法容易造成模态混叠。改进后的集中经验模态分解(eemd)的缺点在于其用于辅助的高斯白噪声很难消除掉。而ceemdan(complete ensemble empirical mode decomposition with adaptive noise，自适应噪声完备集合经验模态分解)在每一个分解的每个阶段自适应性的添加白噪声，该过程具有完整性，并且通过每一阶的峭度值来判断该频段是否含有噪声，通过小波阈值的方法针对性的去噪，可克服单独使用小波分析和经验模态分解的缺陷。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除方法和系统。
5.为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
6.一种基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除方法，包括以下步骤：
7.步骤1，获取一段纯净的变压器空载运行时的声纹信号和一段纯净的环境噪声信号，再将所述环境噪声信号添加到所述声纹信号得到带噪的变压器空载运行的声纹信号；
8.步骤2，将纯净的变压器空载运行时的声纹信号和带噪的变压器空载运行的声纹信号采用ceemdan分解，分别得到若干个频段从高到低的本征模态函数；
9.步骤3，分别计算纯净的变压器空载运行时的声纹信号和带噪的变压器空载运行的声纹信号经过ceemdan分解后的各个本征模态函数的峭度；
10.步骤4，比较纯净的变压器空载运行时的声纹信号和带噪的变压器空载运行的声纹信号两个信号本征模态函数的峭度，提取出带噪的变压器空载运行的声纹信号分解后峭度偏差大于或等于设定值的本征模态函数，采用小波阈值的方法对提取出的本征模态函数进行降噪；
11.步骤5，采用降噪后的本征模态函数和峭度偏差小于设定值的本征模态函数对声纹信号进行重构，得到最终去噪后的变压器声纹信号，实现变电站环境噪声去除。
12.本发明进一步包括以下优选方案：
13.优选地，所述方法还包括：
14.步骤6，计算并比较纯净的变压器空载运行时的声纹信号的频谱和去噪后的变压器声纹信号的频谱，验证该去噪方法的有效性。
15.优选地，步骤1中，所述环境噪声信号为虫鸣、汽笛声或雷电声。
16.优选地，步骤1中，通过加性噪声线性相加的方法将所述环境噪声信号添加到所述声纹信号得到带噪的变压器空载运行的声纹信号。
17.优选地，步骤1中，采用的加性噪声线性相加公式为：
18.sm＝s1+q
·
sn19.其中，s1是纯净的变压器空载运行时的声纹信号，sn是纯净的环境噪声，q为叠加因子。
20.优选地，所述叠加因子为1.2。
21.优选地，步骤2中，ceemdan分解公式为：
[0022][0023]
其中，x(t)表示待分解的信号；
[0024]
n表示分解得到的本征模态函数imfj(t)的个数；
[0025]
r(t)表示余量。
[0026]
优选地，步骤3中，峭度计算公式为：
[0027][0028]
其中，qj为第j阶本征模态函数imf的峭度；
[0029]
u表示共分解u阶imf；
[0030]
yb表示第j阶本征模态函数imf分量中位置在b的数值；
[0031]
μj、σj分别表示第j阶imf分量的均值和标准差。
[0032]
优选地，步骤4中，采用小波阈值的方法对提取出的本征模态函数进行降噪的步骤包括：
[0033]
1)对提取出的带噪的变压器空载运行的声纹信号分解后峭度偏差大于或等于设定值的本征模态函数进行小波分解并求取小波系数；
[0034]
2)设置阈值，小波系数高于阈值的小波保留，而小波系数低于阈值的小波则当作噪声去除，得到降噪后的本征模态函数。
[0035]
优选地，步骤5中，假设降噪后的本征模态函数为imfi'、imfk'、imf
l
'，则对声纹信号进行重构，得到最终去噪后的变压器声纹信号x(t)'为：
[0036][0037]
式中，imfj表示峭度偏差小于设定值的本征模态函数；
[0038]
n表示声纹信号分解可得到的本征模态函数的个数。
[0039]
一种基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除系统，用于实现所述的基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除方法。
[0040]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
[0041]
本发明针对变压器运行时采集的声纹信号中含有环境噪声影响声纹特征提取问题，首先获取一段纯净的变压器空载运行时的声纹信号和一段纯净的环境噪声信号(虫鸣、汽笛声或雷电声等)，再通过加性噪声线性相加的方法得到带噪的变压器空载运行的声纹信号；将纯净的变压器声纹信号和带噪的声纹信号采用ceemdan分解，分别得到若干个频段从高到低的本征模态函数；然后，计算两个信号分解后的本征模态函数的峭度；提取出带噪声纹信号分解后峭度偏差大于或等于设定值的本征模态函数，采用小波阈值的方法降噪；最后将降噪后的本征模态函数和峭度偏差小于设定值的本征模态函数对声纹信号进行重构，得到最终去噪后的变压器声纹信号。
[0042]
本发明针对传统的ceemdan分解重构声音信号进行了提升，通过比较噪声信号和变压器本体噪声在峭度上的差别，在重构信号之前采用小波阈值的方法对峭度相差较大的imf分量滤波，可有效提高去噪性能。
附图说明
[0043]
图1是本发明基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除方法流程图；
[0044]
图2是本发明实施例中一段纯净的变压器空载运行时的4s声纹信号的时域波形和频域波形图；
[0045]
图3是本发明实施例中带噪的变压器声纹信号的时域波形和频域波形图；
[0046]
图4是本发明实施例中纯净的变压器声纹信号经过ceemdan分解后得到的imfs分解图；
[0047]
图5是本发明实施例中带噪的变压器声纹信号经过ceemdan分解后得到的imfs分解图；
[0048]
图6是本发明实施例中去噪后的变压器声纹信号的时域波形和频域波形图。
具体实施方式
[0049]
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0050]
如图1所示，本发明提供了一种基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除方法，在本发明优选但非限制性的实施方式中，所述方法包括如下步骤1-6：
[0051]
步骤1，获取一段纯净的变压器空载运行时的声纹信号和一段纯净的环境噪声信号，再将所述环境噪声信号添加到所述声纹信号得到带噪的变压器空载运行的声纹信号；
[0052]
具体实施时，本发明研究的是铁芯松动的噪声变化，因此需要在变压器空载条件下的信号；所述环境噪声信号不要求是变压器附近的环境噪声，只要求是纯净的环境噪声信号。
[0053]
进一步优选地，所述环境噪声信号为虫鸣、汽笛声或雷电声等。
[0054]
因为变压器噪声的峭度是已知的，在2.6-3左右，而这几种环境噪声的峭度均和3有差别。不会由于噪声信号不同，导致步骤4中提取出的峭度偏差大于或等于设定值的本征模态函数不同，因而不要求环境噪声变化时，重新执行步骤1-5。
[0055]
步骤1中，通过加性噪声线性相加的方法将所述环境噪声信号添加到所述声纹信
号得到带噪的变压器空载运行的声纹信号，具体的加性噪声线性相加公式为：
[0056]
sm＝s1+1.2
·
sn[0057]
其中，s1是纯净的变压器空载运行时的声纹信号，sn是虫鸣、汽笛声或雷电其中一种的纯净的环境噪声，1.2为优选的叠加因子。
[0058]
由于环境噪声是属于加性噪声的，且变压器的噪声和环境噪声是相对独立的，所以只能使用线性相加的方法。
[0059]
步骤2，将纯净的变压器空载运行时的声纹信号和带噪的变压器空载运行的声纹信号采用ceemdan分解，分别得到若干个频段从高到低的本征模态函数；
[0060]
进一步优选地，对信号进行ceemdan分解，得到若干个频段由高到低的本征模态函数imf；
[0061]
ceemdan分解公式为：
[0062][0063]
其中，x(t)表示待分解的信号，n表示分解得到的本征模态函数imfj(t)的个数，r(t)表示余量。
[0064]
步骤3，分别计算纯净的变压器空载运行时的声纹信号和带噪的变压器空载运行的声纹信号经过ceemdan分解后的各个本征模态函数的峭度；
[0065]
进一步优选地，计算经过ceemdan分解后的各个本征模态函数的峭度，峭度计算公式为：
[0066][0067]
其中，qj为第j阶本征模态函数imf的峭度；
[0068]
u表示共分解u阶imf；
[0069]
yb表示第j阶本征模态函数imf分量中位置在b的数值；
[0070]
μj、σj分别表示第j阶imf分量的均值和标准差。
[0071]
步骤4，比较纯净的变压器空载运行时的声纹信号和带噪的变压器空载运行的声纹信号两个信号本征模态函数的峭度，提取出带噪的变压器空载运行的声纹信号分解后峭度偏差大于或等于设定值的本征模态函数，采用小波阈值的方法对提取出的本征模态函数进行降噪；
[0072]
进一步优选地，采用小波阈值的方法对提取出的本征模态函数进行降噪的步骤包括：
[0073]
1)对提取出的带噪的变压器空载运行的声纹信号分解后峭度偏差大于或等于设定值的本征模态函数进行小波分解并求取小波系数；
[0074]
2)设置阈值，小波系数高于阈值的小波保留，而小波系数低于阈值的小波则当作噪声去除，得到降噪后的本征模态函数。
[0075]
使用步骤2)中处理过的降噪后的本征模态函数可对声纹信号进行重构。
[0076]
上述过程为一个算法函数，无法知道中间的计算结果，因而未提供进一步的实施过程。
[0077]
步骤5，采用降噪后的本征模态函数和峭度偏差小于设定值的本征模态函数对声纹信号进行重构，得到最终去噪后的变压器声纹信号，实现变电站环境噪声去除。
[0078]
进一步优选地，假设降噪后的本征模态函数为imfi'、imfk'、imf
l
'，则对声纹信号进行重构，得到最终去噪后的变压器声纹信号x(t)'为：
[0079][0080]
式中，imfj表示峭度偏差小于设定值的本征模态函数；
[0081]
n表示声纹信号分解可得到的本征模态函数的个数。
[0082]
步骤6，计算并比较纯净的变压器空载运行时的声纹信号的频谱和去噪后的变压器声纹信号的频谱，验证该去噪方法的有效性。
[0083]
本发明的一种基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除系统，用于实现所述的基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除方法。
[0084]
实施例：
[0085]
本发明的一种基于ceemdan和小波阈值的变电站环境噪声去除方法，包括以下步骤：
[0086]
步骤1，搭建变压器声纹采集平台，平台采样频率为50khz，频率响应为20hz-20khz。
[0087]
采集一段纯净的变压器空载运行时的声纹信号4s，其时域波形和频域波形如图2所示；
[0088]
获取一段纯净的鸟鸣声；
[0089]
将鸟鸣声用加性噪声线性相加的方法加入纯净的变压器声纹信号中得到带噪信号，其时域波形和频域波形如图3所示。
[0090]
步骤2，将纯净的变压器声纹信号和带噪的变压器声纹信号采用ceemdan分解，分别得到20个频段从高到低的本征模态函数(imfs)。
[0091]
由纯净的变压器声纹信号经过ceemdan分解后得到的imfs如图4所示。
[0092]
由带噪的变压器声纹信号经过ceemdan分解后得到的imfs如图5所示。
[0093]
步骤3，计算分解后的imfs图4和图5各阶分量的峭度。
[0094]
由纯净的变压器声纹信号经过ceemdan分解后得到的imfs计算的峭度如表1所示：
[0095]
表1纯净的变压器声纹信号分解imfs峭度值
[0096]
imf12345678910峭度值2.713.022.882.662.032.022.032.383.152.98imf11121314151617181920峭度值2.772.473.683.183.652.772.434.591.691.83
[0097]
由带噪的变压器声纹信号经过ceemdan分解后得到的imfs计算的峭度如表2所示：
[0098]
表2带噪的变压器声纹信号分解imfs峭度值
[0099]
[0100][0101]
步骤4，选择带噪信号分解的分量中峭度值偏离较大的分量imf
15
、imf
17
和imf
18
进行小波阈值去噪。
[0102]
步骤5，最后将经过小波阈值去噪后的分量及未处理的分量一同进行信号的重构：
[0103][0104]
步骤6，计算去噪后的声纹信号的时域波形和频域波形如图6所示。去噪的信号与原始信号在幅值上相差的数量级为10-6
，信噪比snr从-15.01升至136.13，证明了该方法的有效性。
[0105]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
[0106]
本发明针对变压器运行时采集的声纹信号中含有环境噪声影响声纹特征提取问题，首先获取一段纯净的变压器空载运行时的声纹信号和一段纯净的环境噪声信号(虫鸣、汽笛声或雷电声等)，再通过加性噪声线性相加的方法得到带噪的变压器空载运行的声纹信号；将纯净的变压器声纹信号和带噪的声纹信号采用ceemdan分解，分别得到若干个频段从高到低的本征模态函数；然后，计算两个信号分解后的本征模态函数的峭度；提取出带噪声纹信号分解后峭度偏差大于或等于设定值的本征模态函数，采用小波阈值的方法降噪；最后将降噪后的本征模态函数和峭度偏差小于设定值的本征模态函数对声纹信号进行重构，得到最终去噪后的变压器声纹信号。
[0107]
本发明针对传统的ceemdan分解重构声音信号进行了提升，通过比较噪声信号和变压器本体噪声在峭度上的差别，在重构信号之前采用小波阈值的方法对峭度相差较大的imf分量滤波，进一步提高了去噪性能。
[0108]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。