基于小波和混论理论的高压输电线缺陷检测方法

王海滨,林善明

（河海大学物联网工程学院，江苏常州，213022）

基于小波和混论理论的高压输电线缺陷检测方法

王海滨,林善明

（河海大学物联网工程学院，江苏常州，213022）

随着我国大力推进电网的建设，检测高压输电线缺陷的需求变得越来越迫切。因此，研制可应用于工程实践、日常维护的输电线路检测装置对国民经济的发展具有重大意义。目前检测高压输电线缺陷有多种方法，各有优缺点。其中，电磁超声技术以其精度高、无需耦合剂、非接触、检测速度快等优点，在无损检测中占有重要地位。论文以电磁超声技术在高压输电线的缺陷检测中的应用为重点研究对象，将小波去噪技术和混沌理论紧密结合起来，对输电线路检测的具体方案进行了理论分析与仿真验证。

输电线缺陷；缺陷检测；小波分析；电磁超声；馄饨理论

0 前言

高压输电线路覆盖面广，运行环境复杂，容易出现故障，检测难度较大。若输电线路发生故障，会导致大面积的停电，严重制约经济的发展。因此，输电线路故障检测技术拥有广阔的前景。国内外将输电线路的状态检测问题作为一项非常重要的课题，受到了电力运行管理部门，相关研究机构及学者的普遍重视。

目前检测高压输电线缺陷有多种方法，各有优缺点。其中，电磁超声技术以其精度高、无需耦合剂、非接触、检测速度快等优点，在无损检测中占有重要地位。利用电磁超声进行高压输电线路缺陷检测，唯一的不足就是回波信号被强大的噪声覆盖，普通方法难以检测出来。因此，本文引入了小波去噪，研究了小波变换理论，得出了小波变换具有优良的时频分析特性，故在此仿真试验中利用小波变换进行去噪。

1 算法描述

在电磁超声检测高压输电线缺陷时，检测环境中有较强的电磁波，在信号较弱的情况的，噪声就显得很大，而噪声将对检测系统的性能产生较大影响。因此，本文将基于小波去噪与混沌系统的微弱信号检测系统应用于高压输电线检测。首先，将混有高频噪声的脉冲信号进行小波去噪，滤除部分噪声并重构出信号；然后将处理后的混合信号送入混沌检测系统，因为混沌系统对适当的噪声具有免疫力，而对与系统同频率的周期小信号却非常敏感。最终混合信号的加入将引起系统相轨迹的变化。经过这两环节后就可以很好地将微弱脉冲信号检测出来。系统原理图如图1所示：

在图1中，经过小波去噪后的信号送入混沌系统，利用混沌理论进行微弱信号检测的方法是这样的：

图1 搭建的系统的原理图

（1）首先在系统中设置一个与s(t)形式相同、幅值为γ的正弦信号。当k一定时，调整该内置正弦信号的幅值γd，为混沌状态向大尺度周期状态转变的临界值，系统进入混沌状态混沌临界状态。

（2）将待测的混合信号引入处于混沌状态的混沌检测系统，由于此时小信号与内置信号进行了叠加，其和大于γd，所以系统由混沌状态跃迁至大尺度周期状态。

（3）调整内置信号的幅值到γ1，使系统重新回到混沌临界状态，因此我们可以得到待测小信号的幅值为γ2=γd-γ1。

2 输电线缺陷检测的仿真实验

在实际的电磁超声检测中，是利用超声脉冲进行检测的。在此模拟仿真实验中，利用5个周期的正弦波作为一个脉冲模拟真实的回波信号，幅值为1×10-7V。将微弱信号及高斯白噪声作为混合信号进行小波去噪，具体步骤如下：

（1）对原始信号进行分解并提取小波系数，利用MATLAB提供的wavedec()函数，进行一维多尺度小波分析。输出包含小波分解向量c和相应的记录向量l。其调用格式为：[c,l]=wavedec(x,n,fun);其中x为原始信号，n为分解层数，fun为小波基函数。

图2 信号的小波去噪仿真图

图3 系统结构图

（2）对小波系数进行阈值处理。在进行阈值化处理时可使用wthresh（）函数，其语法格式：Y=wthresh(x, 's' ,t) ，wthresh返回输入信号阀值处理后的结果。's'表示软阀值，t表示阀值大小。

（3）对信号进行小波重构。调用函数waverec（）函数，其语法格式：x=waverec(c,l,fun) ，waverec使用指定的小波进行一维多尺度小波重构，它返回的是原始信号x。其仿真图如图2所示。

经过以上三步后，将信号引入小波去噪中，得到的效果图如图5-2所示。

将输出的信号导入simulink 中，在simulink 仿真系统中，利用典型Duffing 方程，构建出混沌检测系统。得到系统的仿真图如图3所示。

其中，Pulse Generator是脉冲产生模块，用于产生脉冲序列；Sine Wave是正弦序列产生器；Band-Limited White Noise 是白噪声产生模块，用于产生白噪声；Dot Product是求积模块，实现输入变量的乘积；Sum是求和模块;Integrator是积分模块；Gain是增益模块，实现输入变量的增益；Const是常数模块，用于获得一个常数；Fcn函数是功能函数，可以任意定义它的函数式；XY Graph是显示模块，可显示XY平面的轨迹；Scope是示波器模块，是将信号显示在示波器的独立窗口中，通过双击模块即可打开示波器模块。在图3中，左下的几个模块共同构成了超声信号的信号源，其示意图如图4所示。

图4 仿真信号示意图

图5 相轨迹图

系统频率为200KHz，相轨迹显示器的采样时间为0.0000001s，系统运行时间是0.001s。调节周期策动力的幅值γ，当γ=0.25 时，相轨迹处于系统同宿状态，如图5（a）所示；当γ=0.45时，相轨迹处于分岔状态，如图5(b)所示；当γ=0.72时，系统处于混沌状态，如图5(c)所示。

根据Lyapunov 理论，存在一阈值能使系统从混沌临界状态进入大尺度周期状态。但是，理论值与实际值有着不小的差别。经过大量实验，找出了临界阈值。当γ取合适的值时，系统进入混沌状态，如图5（d）所示；然后，改变γ的值，使其进入大尺度周期状态，如图5（e）所示。

在此仿真试验中，仿真过程是这样的：先将调节混沌系统的幅值至γ1=0. 7255939，使其处于混沌临界状态，再将经小波去噪后的混合信号送入混沌检测系统，发现混沌系统从混沌临界状态跃迁至大尺度周期状态。再调节混沌系统的幅值，发现γ2=0.7255938 时，系统又从大尺度周期状态返回至混沌临界状态。因此，小信号的幅值A=γ1-γ2。混沌系统的最低检测门限为：10lg(1×10-7)=-70dB。实际得到的输出信噪比门限为：SNR==-83dB。将引入小波去噪的新系统和未引入小波去噪的旧系统进行比较。比较结果如表1所示。

Transmission Line Flaw Detection Using Wavelet and Chaos Theory

Wang Haibin,Lin Shanming
(College of IOT, Hohai University,Changzhou Jiangsu,213022 China)

As our country supporting the construction of electrified wire netting vigorously,the demand for Aluminum Conductors Steel Reinforced(ACSR)grows fast.So,it is of great significance for the national economic development to develop a kind of flaw detection device for transmission lines which can be applied to engineering practice and routine maintenance effectively.Electromagnetic ultrasonic(EMAT)technology for its high precision, no coupling agent,non-contact,fast and easy detection, plays a very important role in the transmission line detection.This paper focuses on EMAT technology in the ACSR flaw detection field,takes research of theoretical analysis and simulations for the solution and related key technologies.

Transmission line flaw;flaw detection;Wavelet de-noising;Electromagnetic ultrasonic(EMAT) technology;Chaos theory

TN011

A

10.3969/j.issn.1006-2475.