[发明专利]一种变压器绕组振动信号特征提取方法

权利要求书

1.一种变压器绕组振动信号特征提取方法，其特征在于，它包括以下步骤：

一、对获得的变压器绕组振动信号在初始分解模态数K和惩罚因子α下进行VMD预分解；

假设给定输入信号y，将y分解为K个本征模态函数u_k(t)，k＝1,2,…,K：

u_k(t)＝A_k(t)cos(φ_k(t)) (1)

式中：A_k(t)为u_k(t)的瞬时幅值，dφ_k(t)/dt＝ω_k(t)，ω_k(t)为u_k(t)的瞬时频率；其中约束条件有两个：1、各模态之和等于输入信号；2、本征模态函数的估计带宽之和最小；

带约束条件的变分问题为：

引入二次惩罚因子α和拉格朗日算子λ(t)，把上述问题转化为无约束条件的变分问题，如式(3)所示，

通过乘法算子交替方向法来求解上述变分问题，更新和λⁿ⁺¹，寻找式(3)的鞍点，其中的表达式为：

利用傅里叶等距变换将(4)式转换到频域，将中心频率的取值问题扩展到频率，获得中心频率的更新方法，完成λ的更新；表达式如下：

通过上述的计算并进行迭代求解，把本征模态函数分量的中心频率及带宽在有约束条件的变分模型中不断交替，直至满足迭代停止条件式(8)：

对于给定判别精度e0，结束整个循环，最终根据实际信号的频域特性得到K个窄带IMF分量，完成信号频带的自适应分割；

二、通过改进人工蜂群算法实现变分模态分解参数(K,α)的优化选取；

(1)参数初始化及产生初始解；

ABC算法的控制参数，主要包括蜂群个数CSN、食物源的数量S_N即采蜜蜂的数量、食物源最大循环次数limit、终止循环次数N_mc。

(2)设置适应度函数；

测得的变压器绕组振动信号经VMD分解之后会形成K个本征模态函数(IMF)，每个IMF分量都对应一个中心频率；针对变压器绕组振动信号的特点，引入信号能量熵的概念：

计算各IMF分量的能量：

式中，u_i(t)为第i阶IMF分量；

求解各IMF分量的归一化能量：

式中，K为IMF分量的总阶数；

计算该组分解信号的信号能量熵：

信号能量熵值的大小反应信号的稀疏特性；

引入能量误差的概念：根据各IMF分量的计算公式，可以得出原始信号能量

计算公式为

式中，f(t)为原始信号，K为分解模态数；

各个IMF分量的总能量为

可得原始信号与分解得到的信号之间能量误差为

E_e＝E_a-E (14)

能量熵与能量误差的比值作为算法适应度函数；

(3)初始化模型的搜索范围，采蜜蜂、观察蜂和侦查蜂开始进行循环搜索，搜索过程为：

①采蜜蜂根据记忆中的局部信息产生一个新的候选位置并计算新位置的花蜜量，如果花蜜量优于原位置，则该蜜蜂记住新位置并忘记原位置；产生新位置即搜索方程的表达式为：

v_ij＝x_ij+φ_ij(x_ij-x_kj) (16)

其中k为不同于i的蜜源，j为随机选择的下标，φ_ij为[-1,1]之间的随机数，它控制着x_ij邻域内蜜源位置的产生；

②所有采蜜蜂完成自身搜索过程之后，它们将记忆中的蜜源信息通过舞蹈区与观察蜂共享；观察蜂根据从采蜜蜂处得到的信息，按照与花蜜量相关的概率p_i选择一个蜜源位置，概率值p_i的计算公式为：

其中fit_i为解X_i的适应度值，i＝1,2,…,SN,SN为种群中解的个数；最后按照轮盘赌法选择一个蜜源位置，同时对记忆中的位置做一定改变，检查新位置的花蜜量，若优于原位置则替换；在采蜜蜂的搜索方程中，新解是通过把旧解拉近或远离随机的某个个体产生，由此产生的解随机性大容易跳出局部最优，但是种群中有较高适应度的个体本身具有一定的开采空间，因此对观察蜂的搜索方程进行优化，优化后观察蜂的搜索方程为：

v_ij＝x_b,j+φ_ij[ε₁(x_k1,j-x_k2,j)+ε₂(x_ij-x_b,j)] (18)

式中，x_b,j为当前开采得到的最优解，x_k1,j和x_k2,j是不同于x_ij的两个随机解，φ_ij是[-1,1]之间的随机数，ε₁、ε₂为差分算子，均为[0,1]之间的随机数，且ε₁+ε₂＝1；

③若蜜源位置X_i经过limit次采蜜蜂和观察蜂的循环搜索之后不能被改进，那么该位置将被放弃，此时采蜜蜂转变为侦查蜂，并随机搜索一个蜜源替换原蜜源；limit是ABC算法中一个重要的控制参数，控制侦查蜂的选择；侦查蜂搜索新蜜源的公式为：

三、计算信号能量分布得到表征绕组机械状态特征值

选取使能量熵在允许条件下最大的能量熵对应的分解参数，此时的各IMF分量能量值各不相同，代表了不同频率分量不同的能量分布特征，变压器绕组在不同工况下其各频率分量能量分布不同，由此提取振动特征向量；根据下式计算振动信号分解后各分量能量值：

信号总能量为：

各IMF能量占比为：

将各个IMF能量占比按顺序排成特征向量，来表征变压器绕组的运行工况。