1、 2020-1-变 电 站 故 障 信 号 在 不 同 信 噪 比 下 小 波 基 对 信 号降 噪 的 影 响 张娜国网福建省电力有限公司经济技术研究院，福建省福州市秀峰路 221 好 亿 力 名 居 号 楼 邮编；350000 The influence of wavelet base on signal noise reduction of substation fault signal under different SNR ZHANG Na Economic and Technological Research Institute of State Grid Fujian Elect
2、ric Power Co.LTD,Fuzhou.摘要：电力事 业发 展 速度 越来越 迅 速，变电 站使 用 的各 种设备 也 越来 越多，电 缆 需求 量也越 来 越多，但 是电 缆 之 间连 接 会造 成局 部放 电，从 而导致 故 障发 生，如何 发 现设 备与电 缆 这些 故障 点，就 需要 对监测 信 号进 行采 集，但 是 往往 采 集到 的信 号中 是 含有 大量白 噪 声的 信号，会 影 响我 们对于 故 障信 号有 用信 息 的判 断，因 此，如 何在 不同 信 噪 比下选用合适的小波基函数进行降噪处理是非常关键的。关键词：信号；降噪；小波基；白噪声 ABSTRACT:Ind
3、ustry development speed is more and more quickly,using various substation equipment is also more and more,cable demand more and more,but the connection between the cable can cause partial discharge,leading to failure,how to find devices and cable the point of failure,you need the monitoring signal a
4、cquisition,to the collected signals,but often is contains a lot of white noise in the signal,will affect our judgment of the fault signal useful information,therefore,how to choose appropriate under different signal-to-noise ratio of wavelet basis function for noise reduction processing is critical。
5、KEY WORD:Signal;The noise reduction.Wavelet base;White noise 1 引言 随着我 国电 力实 事业 不断 快速的 发展，在变电站中 对于 电缆 的需 求量 也与日 俱增，但是 由于电缆的 种类 较多，经常 性 的由于 电缆 之间 的连 接与电缆终端以及施工安装技术等方面的问题造成产生局部放电现象，累计效应导致故障的 发生；在变 电站 中还 有一 些 设备的 故障 也是 经常 会发 生 的，严 重 威 胁 着 电 力 系 统 的 安 全1-2。我们需要对 这些 故障 信号 进行 检测，判 断出 故障 点才能准确 的解 决故 障问 题。但是
6、我 们检 测到 的信 号大多数 是含 有大 量白 噪声 的信号，白噪 声来 源较广，主要 源于 测量 回路 和 测量设 备中 电子 半导 体器件的 散粒 噪声、电子 器 件电阻 或电 气设 备运 行中的热 噪声，白 噪声 的频 率分布 很广，几 乎遍 布整个频 域，因 此与 各种 频 段的局 放信 号均 有可 能存在重 叠，不 管是 在实 验 室进行 局部 放电 测量 还是工程现场进行局部放电测量均很难彻底排除白噪声 干扰 的影 响3，所 以，对于 白噪 声干 扰 的抑制一直以来都是信号降噪技术的一个热门研宄问题。2 信 号 检 测 的 发 展 与 方 法 随着一 些检 测方 法的 不断 更新
7、发 展，信 号降噪研究 也有 了进 一步 的发 展，目前 常用 的故 障信号 降 噪 的 方 法 有 有 基 于 快 速 傅 里 叶 变 换（Fast Fourier transform)的 信号降噪法、基于小波变 换的信号降噪法、基于经验模态分解（empirical mode decomposition,EMP)4的信号 降噪 法。由 于 小 波 降 噪 的 方 法 对 于 稳 定 的 信 号 和 非稳定的 信号 都是 适用 的，所以经 常被 用来 作为 一种信号降噪的很好的手段。小波变换最早由 2020-2-J.Morlet5。经过多 年的 发 展小波 变换 以其 多分 辨率分析 的优 势
8、被 广泛 应用 于各类 信号 降噪，国内外众多研宄表明小波降噪法能有效的抑制白噪声干扰。目前，被 广泛 应 用的基 于小 波变 换的 信号降 噪方法主 要可以分 为 Mallat 等 人 提出的基于小波 模极 大值 的信 号降 噪法6、美国 斯坦 福大学 Donoho 等 人提 出的 甚 于小波 域阈 值的 信号 降噪法7,因为模极大值法需要用最大层模极大值再去分 别找 其它 层的 模极 大值，过 程是 非常 繁琐的，但是 小波阈 值降 噪过 程就比 较简 洁，因此 本文选用 小波 阈值 降噪 的方 法对信 号进 行降 噪。3 不 同 信 噪 比（信 号 冗 余 度）下 几 种常见 小 波 的
9、 降 噪 效 果 本文利 用不 同冗 余度 下的 含噪信 号，选 用几种 常 见 的 小 波 基：haar 小 波、db6 小 波、sym8小波、coif4 小波、bior5.5 小波在 不同 信噪 比噪声下个 个小 波的 降噪 效果 对比。利用 matlab 加载 一个 原始 故障信 号，如图 1所示：图 1 原 始 故 障 信 号 Fig1 Original fault signal 以 下 是 对 原 始 信 号 进 行 加 入 信 噪 比 约 为7dB 的噪 声，分别 用不 同的 小波，选 用 5 层分 解、软阈值 函数、HeurSure 阈 值估计 来对 含噪 信号 进行降噪，得 到
10、如 下结 果：图 2 信 噪 比 为 7dB 的 加 噪 信 号 Fig2 Denoised signal with signal-to-noise ratio of 7dB 图 3 haar 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.3 Signal after haar wavelet denoised 图 4 db6 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.4 Signal after wavelet denoising of db6 2020-3-图 5 sym8 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.5 Signal after wavelet denoising of sym8 图 6 bio
11、r5.5 小波 降噪后信号 Fig.6 bior5.5 Wavelet denoised signal 图 7 coif4 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.7 coif4 wavelet denoised signal 信噪比 为 7dB 中信 号是 非 常难进 行降 噪的，因为所 含噪 声太 多有 可能 造成信 号失 真，从 上图可以看 出，除 了 bior5.5 小波，使用 其他 小波 进行降噪均为出现奇异点，故无法进行降噪，bior5.5 小 波虽 然出 现了 奇 异点，但是 与原 始信 号奇异点并不一致，信号已失真，故在信噪比为7dB 时，这几 种小 波都 无 法用来 进行 信号
12、降噪。以 下 是 对 原 始 信 号 进 行 加 入 信 噪 比 约 为8dB 的噪 声，分别 用不 同的 小波，选 用 5 层分 解、软阈值 函数、HeurSure 阈 值估计 来对 含噪 信号 进行降噪，得 到如 下结 果：图 8 信噪比为 8 的加噪信号 Fig8 Denoised signal with signal-to-noise ratio of 8dB 图 9 haar 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.9 Signal after haar wavelet denoised 图 10 db6 小波降噪后信号 Fig.10 Signal after wavelet denoi
13、sing of db6 2020-4-图 11 sym8 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.11 Signal after wavelet denoising of sym8 图 12 bior5.5 小波降噪后信号 Fig.12 bior5.5 Wavelet denoised signal 图 13 coif4 小波降噪后信号 Fig.13 coif4 wavelet denoised signal 在信噪 比为 8dB 的情 况下 db6、sym8、bior5.5小波均 能很 好的 对含 噪信 号进行 降噪，db6 保存的原始 信号 的真 实信 息会 更多一 些，haar 小 波与co
14、if4 小波 无法 对含 噪信 号 进行降 噪。以 下 是 对 原 始 信 号 进 行 加 入 信 噪 比 约 为9dB 的噪 声，分别 用不 同的 小波，选 用 5 层分 解、软阈值 函数、HeurSure 阈 值估计 来对 含噪 信号 进行降噪，得 到如 下结 果：图 14 信噪比为 9 的加噪信号 Fig14 Denoised signal with signal-to-noise ratio of 9dB 图 15 haar 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.15 Signal after haar wavelet denoised 图 16 db6 小波降噪后信号 Fig.16 S
15、ignal after wavelet denoising of db6 2020-5-图 17 sym8 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.17 Signal after wavelet denoising of sym8 图 18 bior5.5 小波降噪后信号 Fig.18 bior5.5 Wavelet denoised signal 图 19 coif4 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.19 coif4 wavelet denoised signal 在信噪 比 为 9dB 的 情况 下 haar、db6、sym8、bior5.5、coif4 小波 均能 很 好的对 含噪 信号
16、 进行 降噪，haar、sym8、bior5.5 保存的 原始 信号 的真 实信息均 比较 多。以 下 是 对 原 始 信 号 进 行 加 入 信 噪 比 约 为10dB 的 噪声，分 别用 不同 的小波，选 用 5 层分解、软 阈值 函数、HeurSure 阈值 估计 来对 含噪 信号进行 降噪，得 到如 下结 果：图 20 信噪比为 10 的加噪信号 Fig.20 Denoised signal with signal-to-noise ratio of 10dB 图 21 haar 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.21 Signal after haar wavelet denois
17、ed 图 22 db6 小波降噪后信号 Fig.22 Signal after wavelet denoising of db6 2020-6-图 23 sym8 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.23 Signal after wavelet denoising of sym8 图 24 bior5.5 小波降噪后信号 Fig.24 bior5.5 Wavelet denoised signal 图 25 coif4 小 波 降 噪 后 信 号 Fig.25 coif4 wavelet denoised signal 在信噪 比为 10dB 的情 况 下 haar、db6、sym8、bio
18、r5.5、coif4 小波 均能 很 好的对 含噪 信号 进行 降噪，haar、sym8 保存的 原 始信号 的真 实信 息均 比较多。4 结论 从 以 上 分 析 我 们 不 难 发 现，当 信 噪 比 较 低（如 8dB）时，db6 小 波 具备较 好的 降噪 能力，但是当 信噪 比达 到一 定程 度（如 信噪 比为 9dB 或者 10dB）时。haar 小 波与 sym8 小波能对 信号 保留更多 有用 的信 息，因此，我 们在 实际进 行信 号降噪时，要选 择合 适的 小 波基函 数要 保证 尽可 能保 留更多的原始信号的有用信息并能将信号中噪声进 行很 好的 去除。参 考 文 献 1
19、 SCHAIK N V,CZASZEJKO T.Conditions of discharge-free operation of XLPE insulated power cable systemJ.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2008,15(4):1120-1130.2 李华春，周作春，陈平110及以上高压交联电缆系统故 障 分 析 电 力 设 备，2004，25(8)：9-13 3 何聪.电 缆 终 端 局 部 放 电 信 号 降 噪 方 法 研 究D.西 南 石 油大学,2017.4 V Huan
20、g N E.Shen Z.Long S R.etal.The empirical mode decomposition and the Hilbert spectrum for nonlinear and non-stationary time series analysisC/Proceedings of the Royal Society of London A;Mathematical.Physical and Engineering Sciences.The Royal Society,1998,454(1971):903-995.5 Mallat S.A wavelet tour o
21、f signal proccessingM.Academic press,1999.6 Mallat S,Hwang W L.Singularity detection and processing with waveletsJ.IEEE transctions on information theoiy,1992,38(2):617-7 Donoho D L,Johnstone I M.Minimax estimation via wavelet shrinkageJ.The annals of Statistics,1998,26(3):879-921.收稿日 期：2020 年 10 月 4 日 作者简 介：张娜（1993-），女，湖北孝感，全日制研究生，变电设计，建筑 与土木工 程
