基于小波包分析的水電機組振動信號去噪研究

郭 磊

(南昌工程學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌330099)

機組振動是水電站運行中常見的故障，也是直接影響電站運行和電力系統(tǒng)安全的主要故障之一。而水輪發(fā)電機組的振動和其他旋轉(zhuǎn)類機械的振動又存在很大區(qū)別，水力、機械、電氣三方面因素各自引起的振動形成的耦聯(lián)、振動故障與振動特征的非一一對應(yīng)性及多種振動在某部位的疊加，造成了水輪發(fā)電機組振動的復(fù)雜性，難以用準(zhǔn)確的語言來描述振動是否存在及振動的程度，使得分析振動原因十分困難。此外，用于監(jiān)測振動信號的傳感器所輸出的信號不僅包含有可用作故障診斷依據(jù)的有用信號外，還包含有強烈的背景噪聲和其它的隨機噪聲。因此為了進行有效地故障診斷，就必須進行信號去噪處理，以消除噪聲和提取用于故障診斷的特征參數(shù)。振動信號去噪處理是實施故障診斷的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其處理結(jié)果直接影響著其后的故障診斷。因此，加強對水電機組振動信號去噪研究十分重要。

1 小波包去噪原理及步驟

信號的小波包消噪同小波消噪的算法思想基本相同，所不同的是小波包更為靈活，可以同時對上一層的低頻部分和高頻部分進行分解，進而實現(xiàn)有選擇的濾除噪聲信號。一般是將信號進行小波包分解，對分解的小波包系數(shù)進行門限閾值的量化，重構(gòu)量化后的系數(shù)，即得到去除了部分噪聲的有用信號。對信號進行小波包分解時，可以采用多種小波包基，通常根據(jù)不同的信號要求，從中選擇一種小波包消噪的步驟如下：①信號的小波包分解。選擇一個小波并確定一個小波分解的層次N，然后對信號S進行N次層小波分解。②計算最優(yōu)樹，確定最優(yōu)小波包基。③小波包分解系數(shù)的閾值量化。對于每一個小波包分解系數(shù)，選擇一個適當(dāng)?shù)拈撝挡ζ湎禂?shù)進行量化。④小波包重構(gòu)。根據(jù)第N層的小波包分解系數(shù)和經(jīng)過量化處理系數(shù)，進行小波包重構(gòu)。

而在這四個步驟之中，最關(guān)鍵的就是如何選取閾值和如何進行閾值的量化，從某種程度上說，它直接關(guān)系到信號消噪的質(zhì)量。實際應(yīng)用中，可采用ddencmp函數(shù)和wpdencmp函數(shù)進行默認閾值消噪，由于這兩個函數(shù)都是基于小波包分析的函數(shù)，內(nèi)部調(diào)用了二維小波包分解函數(shù)wpdec2以及二維小波包重構(gòu)函數(shù)wprec2，使用起來十分方便，代碼相當(dāng)簡練。經(jīng)過以上處理后的重構(gòu)信號，消除了部分噪聲。可以看出，利用小波包消噪可以更加精細的有選擇性地濾出高頻噪聲。

2 小波包分析在水電機組振動信號去噪中的應(yīng)用

傳感器所輸出的機組振動的原始信號是一個混雜信號，除了真實有用的振動信號外，往往還伴有隨機噪聲和強烈的背景噪聲。而根據(jù)振動故障機理分析可知，故障特征常常存在于一定的頻段范圍內(nèi)，超出該頻段范圍的信號在故障特征提取時屬于噪聲信號。所以為了有效地提取故障特征，首先應(yīng)對信號進行消噪處理。文章研究對某水電站水輪機頂蓋的垂直振動實測信號進消噪處理，運用小波包分析的方法，在Matlab軟件平臺上，編寫程序，并利用該程序?qū)崪y信號進行信噪分離處理，消去噪聲數(shù)字信號N(n)后，得到機組振動的數(shù)字信號S(n)。

（1）振動信號收集。萬安水電站位于中國江西省萬安縣、贛江中游，距贛州市90km，是江西省目前最大的水力發(fā)電廠站，電站以發(fā)電為主，兼防洪、灌溉、養(yǎng)殖、航運等綜合效益，是江西電力南北交換的樞紐。水電站裝機容量50萬kW，保證出力6.04萬kW，年發(fā)電量15.16億kw/h。內(nèi)裝5臺單機容量10萬kW的軸流式水輪發(fā)電機組，水輪機為ZZ440-LH-850型，直徑8.5m，額定轉(zhuǎn)速76.9r/min，設(shè)計水頭22.0m，最大水頭32.3m，最小水頭12.8m。水電站1990年11月，首臺機組發(fā)電，1992年12月，一期工程4臺機組全部投入生產(chǎn)，1996年1月通過國家驗收。為了檢查機組的設(shè)計、制造和安裝質(zhì)量，分析機組的振動特點和規(guī)律，確定機組的穩(wěn)定運行范圍，為電站的安全經(jīng)濟運行提供技術(shù)依據(jù)，對3F機組進行了穩(wěn)定性測試。試驗共進行變轉(zhuǎn)速、變勵磁和變負荷三個項目，并在個測試工況點穩(wěn)定運行5min左右進行測量。實測信號的采樣頻率為60Hz，監(jiān)測系統(tǒng)采樣點數(shù)為6500點。本算例僅截取其中650點進行分析，分析數(shù)據(jù)由振動速度傳感器檢測的水輪機頂蓋振動信號。

（2）小波包分析去噪。本文采用sym4小波進行2層分解，消噪后的信號占原信號能量的99.75%，運用Matlab軟件編寫程序，實現(xiàn)了水電機組振動信號的信噪分離，如圖1、2、3所示。

圖1 機組振動實測圖

圖2 試驗數(shù)據(jù)一次消噪圖

圖3 試驗數(shù)據(jù)二次消噪圖

從圖1、圖2、圖3中看出，用小波包消噪消去的能量較多，且sym小波消噪后的信號要比用db小波消噪后的信號光滑，費時較短，小波包分析成功地實現(xiàn)了水電機組振動信號的消噪處理，并且計算速度較快，得到了較滿意的處理結(jié)果。小

波包分析是水電機組振動信號預(yù)處理的一種有效方法。

3 結(jié)語

近年來，水電機組振動信號消噪技術(shù)研究得到很大發(fā)展，但是尚未形成一套完整的理論體系和有效的處理技術(shù)。在實際的應(yīng)用也急需一個完善的評價體系對其效果做出合理的評價。應(yīng)用小波包分析的方法可以更加精細的有選擇性地濾出高頻噪聲，但小波包分析是建立在第一代小波變換的基礎(chǔ)之上的，它也存在小波包基難以選擇的不足。因此，對于水電機組振動信號去噪技術(shù)研究還有很多理論需要進一步研究和大量的實際工作需要完善。

[1]唐擁軍，潘羅平.水電機組故障診斷系統(tǒng)信號預(yù)處理[J].中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報，2005，3(3)：173-179.

[2]飛思科技產(chǎn)品研發(fā)中心.小波分析理論與MATLAB7實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.