吳俊健，舒錦宏，徐靈江，呂延春，段文華，潘天航

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水320000；2.國網(wǎng)浙江電力調(diào)度控制中心，杭州310007；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京211102）

0 引言

水電機組狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的關(guān)鍵是對采集信號的處理，通過信號處理手段，提取有效的故障特征來定位故障點，能夠提高檢修效率和預(yù)防故障發(fā)生［1］。目前應(yīng)用比較廣泛的信號處理方法有短時傅里葉變換［2］、小波變換［3-5］、希爾伯特黃變換［6，7］和獨立分量分析［8-10］等。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）依據(jù)數(shù)據(jù)自身的時間尺度特征對信號進(jìn)行分解得到本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF），各IMF 分量包含了不同時間尺度的局部特征信號［11］。EMD 的約束條件為局部極大值包絡(luò)和局部極小值包絡(luò)的平均為零，信號的波形局部對稱。水電機組振動故障信號通常具有間歇性、且包含噪聲，因此使用EMD分解求取局部的極值時候容易出現(xiàn)偏差，使得同一個IMF 中會包含不同的頻率分量，這就是模態(tài)混疊現(xiàn)象。模態(tài)混疊現(xiàn)象使得各個IMF 不能準(zhǔn)確表現(xiàn)原始信號的頻率特性，這影響使用EMD進(jìn)行水電機組振動信號處理的準(zhǔn)確性［12］。

為解決上述模態(tài)混疊的問題，研究學(xué)者通常使用改進(jìn)的EMD 算法。李輝等使用EEMD 方法對水輪機振動信號進(jìn)行分解，能夠削減模態(tài)混疊效應(yīng)更準(zhǔn)確的進(jìn)行奇異譜分解［13］；何葵東等使用EEMD 多尺度熵方法篩選有效的本征模態(tài)分量，能夠減少模態(tài)混疊干擾對水電機組振動信號特征提取的影響［14］；徐艷春等采用EMD 自相關(guān)閾值的方法對水電機組振動信號進(jìn)行去噪，能很好減少模態(tài)混疊干擾［15］等。以上做法均是綜合利用多種信號處理手段對信號進(jìn)行分析，并未涉及到信號本身高階微分特性。對微分信號進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解能有效抑制信號混疊失真的情況，并且其特征頻率的篩選效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法［16］。因此，本文提出了一種微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和能量矩陣相結(jié)合水電機組故障信號預(yù)處理方法。首先利用多重微分增強高頻分量，再對各階微分信號進(jìn)行EMD 分解，使用分解得到的IMF 分量構(gòu)造原始信號的微分信號的能量矩陣，由此來對機組的有效信號進(jìn)行篩選。本文使用該方法對國內(nèi)某電站水導(dǎo)軸承和下導(dǎo)軸進(jìn)行處理，能夠精準(zhǔn)分辨出有效的能量特征信號，使用支持向量機對結(jié)果進(jìn)行驗證，微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解后的識別精度大大提高。

1 算法分解

1.1 經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解算法

NordneE.Huang 等人提出了本征模函數(shù)（Intrinsic Mode Function，簡稱IMF）的分解算法。EMD 分解原始信號獲取IMFs的過程被稱作“篩選”過程，整個篩選過程如下：

（1）首先計算出目標(biāo)信號x(t)全部局部極值點，采用三次樣條插值法對局部極大值和局部極小值序列進(jìn)行插值運算，得到x(t)的上包絡(luò)線u1(t)和下包絡(luò)線l1(t)。

（3）根據(jù)IMF 條件判斷是否需要繼續(xù)進(jìn)行“篩選”，篩選的過程就是以該中間信號為新的輸入信號繼續(xù)重復(fù)1～2 的步驟。篩選過程通常在殘數(shù)只包含不超過兩個極值時停止。

（4）由于第一次分解后的余量信號r1(t)中依然會含有不同時頻尺度的分量，因此，將前一次的分解余量r1(t)作為目標(biāo)信號，重復(fù)上述步驟繼續(xù)對信號進(jìn)行分解，獲得余量信號的IMF分量：

判斷余量信號rn(t)為一個單調(diào)函數(shù)或者值足夠小時，可以忽略最后一階余量信號，分解結(jié)束，原始信號x(t)分解最終得到IMFs集合：

1.2 微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解

為了改善模態(tài)混疊現(xiàn)象，可以將恢復(fù)高頻分量極值點作為切入點。微分運算具有不改變原有信號的頻率組成和能夠根據(jù)各分量頻率線性增加其幅值的特性。因此首先通過微分運算增加高頻分量幅值，再進(jìn)行EMD 分解，這樣更有利于實現(xiàn)極值點的恢復(fù)。微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解過程如下：

（1）推求出原始信號的各階微分信號，與原始信號一起形成目標(biāo)信號集XT：

（2）對集合XT中的各信號分別進(jìn)行EMD 分解，將各階信號及其分解的本征模函數(shù)組合起來構(gòu)成本征模函數(shù)矩陣MIMF：

矩陣中：第一行IMF01-IMF0m為原始信號的本征模函數(shù)集，第二行至第n+1 行則分別對應(yīng)于一階到n階微分信號的本征模函數(shù)集。各階微分信號的分解所得的本征模函數(shù)的個數(shù)一般不同，因此在構(gòu)建矩陣時選擇各階分解IMF 信號最多的個數(shù)m作為矩陣的長，其余分解IMF 個數(shù)不足m個的，在矩陣中補0。

1.3 構(gòu)造能量矩陣

（1）分別由式（6）計算出各個IMF 分量的能量Ei由式（7）計算出各IMF能量所占總能量比例：

（2）最終將ET和EPi聯(lián)合起來構(gòu)成能量分布特征向量FV=[ET，EP1，…，EPm]，分別從宏觀和微觀兩個方面描述信號的能量特征。

2 仿真算法

2.1 模態(tài)混疊效應(yīng)

構(gòu)建式（8）仿真信號，以sin(2πt)為基頻分量線性構(gòu)造x1(t)和x2(t)，其中x2(t)多了疊加一個2倍頻分量。

分別對x1(t)和x2(t)進(jìn)行EMD 分解，得到其本征模函數(shù)集分別如圖1（a）和圖1（b）所示，計算其能量分布特征向量如表1所示。

圖1 EMD分解結(jié)果x1（t）和x2（t）Fig.1 EMD decomposition results x1（t）and x2（t）

表1 EMD分解能量分布特征Tab.1 EMD decomposition energy distribution characteristics

分析圖1可以發(fā)現(xiàn)：x1(t)經(jīng)過EMD 分解后明顯得到基頻分量和10 倍頻分量，而x2(t)經(jīng)過EMD 分解后并沒有將基頻分量和疊加的2 倍頻分量分離開來。觀察表1 的能量特征，x1(t)和x2(t)也十分接近，不能識別出兩個信號的不同。這使得兩個不同信號x1(t)和x2(t)經(jīng)過EMD 所得的本征模函數(shù)集卻比較接近，由此而得出的信號特征也將難于進(jìn)行有效區(qū)分。這就是模態(tài)混疊效應(yīng)。

2.2 消除模態(tài)混疊效應(yīng)

使用本文介紹的微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解對上述仿真信號進(jìn)行分析，得到x1(t)和x2(t)的本征模函數(shù)集，結(jié)果如圖2（a）和圖2（b）所示。計算其能量分布特征向量如表2所示。

圖2 微分EMD分解結(jié)果x1（t）和x2（t）Fig.2 Differential EMD decomposition results x1（t）and x2（t）

表2 通過微分EMD分解能量分布特征Tab.2 Decompose energy distribution characteristics by differential EMD

分析圖2 可以發(fā)現(xiàn)：x1(t)經(jīng)過微分后的本征模函數(shù)波形包含了基頻和10倍頻的特征信號，x2(t)經(jīng)過微分后的本征模函數(shù)波形分離出了基頻、10 倍頻的特征以及和基頻混疊的2 倍頻分量。由表2 查看能量特征表也能發(fā)現(xiàn)x1(t)和x2(t)有明顯的區(qū)別。通過以上對比分析可以證明微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解構(gòu)造能量矩陣的方法可以有效改善EMD模態(tài)混疊效應(yīng)。

3 水電機組實測信號分析

國內(nèi)某水電站基本參數(shù)如下：設(shè)計水頭126.65 m，最高水頭143 m，額定水頭111 m，最小水頭83 m，水輪機轉(zhuǎn)輪型號為HL211-LJ-577.5，額定轉(zhuǎn)速136.4 r/min。2 號機組運行過程中出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象，從監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)庫中取得水導(dǎo)軸承x、y向擺度信號和下導(dǎo)軸承x、y向擺度信號。相同工況條件下，取出40個數(shù)據(jù)樣本，其中選擇25個作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，剩余15個作為測試數(shù)據(jù)集。分別對四組原始信號、一階微分信號、二階微分信號做EMD分解，分解結(jié)果分別如圖3、4和圖5所示［其中分圖（a）、（b）、（c）、（d）分別代表水導(dǎo)x向、水導(dǎo)y向、下導(dǎo)x向、下導(dǎo)y向］，并計算其能量分布特征矩陣如表3所示。

表3 四類信號能量分布特征矩陣Tab.3 Four types of signal energy distribution eigenmatrix

圖3 原始信號（Original signal，OS）的EMD結(jié)果Fig.3 EMD results of Original signal（OS）

圖4 一階微分信號（1-order differential signal，1-ODS）的EMD結(jié)果Fig.4 EMD results of 1-Order Differential Signal（1-ODS）

圖5 二階微分信號（2-order differential signal，2-ODS）的EMD結(jié)果Fig.5 EMD results of 2-order differential signal（2-ODS）

引入支持向量機（Support vector machine，SVM）對上面構(gòu)造的4 組信號進(jìn)行分類實驗，對比驗證微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和能量特征矩陣相結(jié)合方法的有效性。通過SVM 四類信號的25 組訓(xùn)練集進(jìn)行學(xué)習(xí)，完善自身模型參數(shù)，之后通過識別的模型對四類測試樣本進(jìn)行對比測試，測試結(jié)果如表4所示。查看每組信號的常規(guī)EMD識別精度、1階EMD識別精度和2階EMD識別精度發(fā)現(xiàn)支持向量機的識別精度隨著微分階數(shù)提高明顯提高，2階微分信號的EMD 識別精度基本達(dá)到100%。計算4 組測試信號測試樣本原始信號、1 階信號、2 階信號識別精度的平均值分別為65.3%、94.2%和98%。上述測試證明微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法能夠有效解決傳統(tǒng)EMD分解出現(xiàn)模態(tài)混疊的問題，通過微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解信號構(gòu)建能量矩陣能夠有效表征信號的組成特性，該方法作為水電機組振動信號的預(yù)處理手段有良好的效果。

表4 仿真信號識別結(jié)果Tab.4 Simulation signal identification results

4 結(jié)論

本文為解決使用EMD 分析水電機組振動信號過程中存在的模態(tài)混疊問題，使用微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解方法對可能被“淹沒”于原始信號中的高頻極值點進(jìn)行恢復(fù)，增加EMD 分解的準(zhǔn)確性。隨后構(gòu)造出信號的能量分布特征矩陣，通過數(shù)據(jù)仿真證明該方法能有效規(guī)避模態(tài)混疊效應(yīng)。使用支持向量機對復(fù)雜實測信號進(jìn)行對比驗證，發(fā)現(xiàn)2 階EMD 的識別精度大大提高，證明微分經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解在解決模態(tài)混淆方面的有效性。該方法對于處理復(fù)雜的水電機組振動信號有實際意義，可作為有效的信號預(yù)處理手段，篩選出能量特征明顯的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析。□