基于频域特征的水电机组状态监测波形信号数字滤波方法与流程

1.本发明涉及信号数字滤波技术领域，具体涉及基于频域特征的水电机组状态监测波形信号数字滤波方法。


背景技术：

2.水电机组监测中状态信号的多来源、多尺度特性，以及对机组状态进行持续地采集与分析，随着时间的积累，会产生海量的机组状态信号，但机组状态信号以不同的形式分散在各个系统中，形成众多“信号孤岛”，限制了信号的应用。并且随着时间的推移，这些装置或系统获得的机组信号体量将不断的增长；
3.信号规范化就是对机组同一状态描述不一致的异构信号转换成系统能够进一步处理的统一状态描述的过程。在机组协同监测系统中，规范化后的机组状态取值采用状态的实际值(即有名值)和统一的度量单位，直观体现运行状态的实际物理含义，便于设备监测和信号存储、分析与应用。
4.现有技术存在以下不足：由于传感器或采集设备故障或受现场复杂电磁环境的干扰及信号传输中的错误等原因造成无效信号，无效信号无法正确地反映机组真实情况，会给机组监测与分析等工作带来困惑，若不针对水电机组状态信号进行有效性检查，大量的信号来不及进行组织和管理，将难以充分发挥这些信号的潜在价值，造成信号资源的浪费，也给信号存储及维护带来压力，并影响监测系统的正常运行。


技术实现要素：

5.为此，本发明提供基于频域特征的水电机组状态监测波形信号数字滤波方法。
6.为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：基于频域特征的水电机组状态监测波形信号数字滤波方法，包括以下具体步骤：
7.步骤一、获取波形采样参数；
8.步骤二、获取该通道原始时域波形数据；
9.步骤三、获取波形滤波参数；
10.步骤四、进行快速傅里叶变换计算以及对原始时域波形数据和波形全部fft频域特征数据进行关联存储；
11.步骤五、滤除指定频段的谱线；
12.步骤六、根据该频域特征数据进行快速傅里叶逆变换计算；
13.步骤七、还原该通道时域波形数据以及对数字滤波后的波形fft频域数据和滤波后的时域波形数据进行关联存储；
14.步骤八、判断是否完成所有信号无效频段的滤除；
15.步骤九、获取通道滤波后时域波形数据。
16.进一步的，在步骤一中，首先获取待滤波通道状态监测时域波形对应的采样参数，为通道采样率和连续采样点数。
17.进一步的，在步骤二中，接着获取该通道原始时域形数据，将该段波形数据置于一维数组中。
18.进一步的，在步骤三中，获取设定的待滤波通道状态监测时域波形滤波参数，为需进行信号频段滤除的下限频率和上限频率。
19.进一步的，在步骤四中，对该通道时域波形数据进行快速傅里叶变换计算，得到该波形fft分解后的每一根谱线的频率、幅值和相位，并将其拷贝至一个二维数组中，该二维数组用以保存该波形全部fft频域特征数据；
20.创建linkedhashmap《k,v》集合，该集合名为map1，map1构成了一个映射关系，其中k为由此映射维护的键的类型，而v为映射值的类型，将通道原始时域波形数据的一维数组放进k中，将保存该波形全部fft频域特征数据的二维数组放进v中，用iterator遍历linkedhashmap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序，通过get方法获取map1的k值，value方法获得map1的v值；
21.linkedhashmap是hashmap的一个子类，与hashmap一样也是非线程安全的，即任一时刻可以有多个线程同时写hashmap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用collections的synchronizedmap方法使hashmap具有线程安全的能力，此时作为hashmap子类的linkedhashmap也可调用synchronizedmap方法。
22.进一步的，在步骤五中，滤除指定频段的谱线，对fft计算后的所有谱线按其对应的频率是否处于指定频段内进行筛选，将满足待滤除信号频段范围内的每一根谱线，其中该通道预设的“滤波参数”：下限频率和上限频率已由步骤三得到，谱线对应的幅值和相位数据清零并拷贝入另一个二维数组的相应位置，该二维数组用以保存滤波后全部的fft频域特征数据，其余有效频段的谱线对应的幅值和相位数据从步骤四的二维数组对应位置原样复制到该二维数组中。
23.进一步的，在步骤六中，将步骤五保存有滤波后全部fft频域特征数据的二维数组作为ifft所需的输入参量迭代入快速傅里叶逆变换模块进行ifft计算。
24.进一步的，在步骤七中，通过步骤六ifft计算模块的输出参数，即可还原得到频域特征滤除后的该通道对应的时域波形数据，可以将滤波后的该时域波形数据置于另一个一维数组中；
25.创建另一个与map1同类型的linkedhashmap《k,v》集合，该集合名为map2，map1构成了一个新的映射关系，map2中的k和v与map1的k和v含义相同，将用来存放数字滤波后的波形fft频域数据的二维数组放进map2的k中，将存放滤波后的该时域波形数据的一维数组放进map2的v中，用iterator遍历linkedhashmap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序，通过get方法获取map1的k值，value方法获得map1的v值。
26.进一步的，在步骤八中，由于该方法一次只能滤除一个频段的信号，最后需要判断是否完成所有信号无效频段的滤除，如果还要滤除下一个指定频段的信号，流程需要跳转至步骤九。
27.进一步的，在步骤九中，将步骤七得到的滤波后时域波形数据置于另一个一维数组中，流程需要跳转至步骤三，再进行一次信号无效频段的滤除，如此循环，直到完成所有信号有效频段的提取。
28.本发明实施例具有如下优点：
29.1、本发明通过傅里叶变换计算和傅里叶逆变换计算将时域波形数据与频域波形数据之间进行转换，再进行指定频段谱线及其相关数据的滤除，留下其余有效频段的谱线及其相关数据，与现有技术相比，本发明剔除由于传感器或采集设备故障或受现场复杂电磁环境的干扰及信号传输中的错误等原因造成无效信号，留下的有效信号正确地反映机组真实情况，给机组监测与分析等工作带来解答，针对水电机组状态信号进行有效性检查，大量的信号进行组织和管理，充分发挥这些信号的潜在价值，高效利用了这些信号资源，也给系统对信号存储及维护减轻了压力，保障监测系统的正常运行；
30.2、本发明通过创建map1和map2两个linkedhashmap《k,v》集合，将时域波形数据和波形全部fft频域特征数据放入map1中，而数字滤波后的波形fft频域数据和滤波后的该时域波形数据放入map2中，map1和map2均通过iterator遍历所有数据，get方法和value方法得到指定数据，与现有技术相比，本发明易于机组检测人员操作，给机组监测与分析等工作提供直接便捷的信息，提高了机组检测和维护的效率。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
32.本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
33.图1为本发明提供的基于时频转换的水电机组状态监测波形信号数字滤波流程图；
34.图2为本发明提供的基于时频转换的上机架x水平振动0.5-150hz带通数字滤波后波形时频分析图；
35.图3为本发明提供的某状态监测振动原始时域波形时频分析图；
36.图4为本发明提供的某状态监测振动原始时域波形图。
具体实施方式
37.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明提供了基于频域特征的水电机组状态监测波形信号数字滤波方法，包括以下具体步骤：
39.步骤一、获取波形采样参数；
40.首先获取待滤波通道状态监测时域波形对应的采样参数，为通道采样率和连续采
样点数；
41.以南瑞ssj-9000水机机组状态监测与分析系统为例，下同，待滤波通道状态监测时域波形采样率为1khz，连续采样点数为2048点。
42.步骤二、获取该通道原始时域波形数据；
43.接着获取该通道原始时域形数据，将该段波形数据置于一维数组中，待滤波的某振动通道原始时域波形如图4所示，该2048点数据拷贝至一个一维数组中，该一维数组定义为vt0[2048]。
[0044]
步骤三、获取波形滤波参数；
[0045]
获取设定的待滤波通道状态监测时域波形滤波参数，为需进行信号频段滤除的下限频率和上限频率；
[0046]
所述通道原始时域波形需滤除0.5hz以下信号成分，下限频率为0.0hz，上限频率为0.5hz。
[0047]
步骤四、进行快速傅里叶变换计算以及对原始时域波形数据和波形全部fft频域特征数据进行关联存储；
[0048]
对该通道时域波形数据进行快速傅里叶变换计算，得到该波形fft分解后的每一根谱线的频率、幅值和相位，并将其拷贝至一个二维数组中，该二维数组用以保存该波形全部fft频域特征数据，与图4对应的时频分析图如图3所示；
[0049]
从图3我们可以看出，该通道波形数据迭代入fft模块进行计算后(vt0[2048]作为fft模块的“实部输入”参数，fft模块的“虚部输入”参数置0)，可得到其频域数据：所有1024根谱线(fft计算的谱线总数＝连续采样点数/2)对应的频率、幅值和相位，图3波形进行fft分析的最小频率分辨率为0.5hz(＝采样率/连续采样点数，采样率越低，连续采样点数越多，其fft最小分辨频率越小，反之越大)，该图右下方显示了幅值最大的前8根谱线对应的频率、幅值和相位。所有波形频域数据拷贝至一个二维数组中(定义为vf0[2][1024]、vf0[0][0]～vf0[0][1023]分别保存0～512hz共1024根谱线对应的幅值、vf0[1][0]～vf0[1][1023]分别保存1024根谱线对应的相位)；
[0050]
创建linkedhashmap《k,v》集合，该集合名为map1，map1构成了一个映射关系，其中k为由此映射维护的键的类型，而v为映射值的类型，将通道原始时域波形数据的一维数组vt0[2048]放进k中，将保存该波形全部fft频域特征数据的二维数组放进v中，用iterator遍历linkedhashmap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序，通过get方法获取map1的k值，value方法获得map1的v值；
[0051]
linkedhashmap《k,v》集合继承了hashmap《k,v》类和实现了map《k,v》接口，所以拥有和hashmap一样的功能；而且在此基础上有增加了一个双向链表来实现元素迭代的顺序；
[0052]
linkedhashmap是hashmap的一个子类，与hashmap一样也是非线程安全的，即任一时刻可以有多个线程同时写hashmap，可能会导致数据的不一致。如果需要满足线程安全，可以用collections的synchronizedmap方法使hashmap具有线程安全的能力，此时作为hashmap子类的linkedhashmap也可调用synchronizedmap方法。
[0053]
步骤五、滤除指定频段的谱线；
[0054]
滤除指定频段的谱线，对fft计算后的所有谱线按其对应的频率是否处于指定频段内进行筛选，将满足待滤除信号频段范围内的每一根谱线，其中该通道预设的“滤波参
数”：下限频率和上限频率已由步骤三得到，谱线对应的幅值和相位数据清零并拷贝入另一个二维数组的相应位置，该二维数组用以保存滤波后全部的fft频域特征数据，其余有效频段的谱线对应的幅值和相位数据从步骤四的二维数组对应位置原样复制到该二维数组中；
[0055]
定义用来存放数字滤波后的波形fft频域数据的另一个二维数组(设为vf1[2][1024])，需将0hz到0.5hz频段范围内每一根谱线所对应的幅值和相位清零，实际仅需滤除0.5hz谱线的频域值，因此，vf1[0][0]＝0(0.5hz谱线对应的幅值)，vf1[1][0]＝0(0.5hz谱线对应的相位)，vf1[0][1]～vf1[0][1023]＝vf0[0][1]～vf0[0][1023](1～512hz谱线所对应的幅值)，vf1[1][1]～vf1[1][1023]＝vf0[1][1]～vf0[1][1023](1～512hz谱线所对应的相位)。
[0056]
步骤六、根据该频域特征数据进行快速傅里叶逆变换计算；
[0057]
将步骤五保存有滤波后全部fft频域特征数据的二维数组作为ifft所需的输入参量迭代入快速傅里叶逆变换模块进行ifft计算；
[0058]
fft(fast fourier transform)是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号从时域变换到频域。同时与之对应的是ifft(inversefast fourier transform)离散傅立叶反变换的快速算法；
[0059]
定义两个一维数组vfr[1024]和vfi[1024]作为ifft模块的“实部输入”和“虚部输入”参数，vfr[0]～vfr[1024]＝vf1[0][0]～vf1[0][1023]，vfi[0]～vfi[1024]＝vf1[1][0]～vf1[1][1023]，然后迭代入ifft模块进行计算。
[0060]
步骤七、还原该通道时域波形数据以及对数字滤波后的波形fft频域数据和滤波后的时域波形数据进行关联存储；
[0061]
通过步骤六ifft计算模块的输出参数，即可还原得到频域特征滤除(数字滤波)后的该通道对应的时域波形数据，可以将滤波后的该时域波形数据置于另一个一维数组中；
[0062]
创建另一个与map1同类型的linkedhashmap《k,v》集合，该集合名为map2，map1构成了一个新的映射关系，map2中的k和v与map1的k和v含义相同，将用来存放数字滤波后的波形fft频域数据的二维数组放进map2的k中，将存放滤波后的该时域波形数据的一维数组放进map2的v中，用iterator遍历linkedhashmap时，先得到的记录肯定是先插入的，也可以在构造时带参数，按照访问次序排序，通过get方法获取map1的k值，value方法获得map1的v值；
[0063]
将滤波后的2048点时域波形数据(来自于ifft模块的“实部输出”参数)拷贝至一个一维数组中(定义为vt1[2048])，即可进行ssj-9000系统进一步的分析展示。
[0064]
步骤八、判断是否完成所有信号无效频段的滤除；
[0065]
由于该方法一次只能滤除1个频段的信号，最后需要判断是否完成所有信号无效频段的滤除，如果还要滤除下一个指定频段的信号，流程需要跳转至步骤九；
[0066]
振动通道原始时域波形还需滤除150hz以上信号成分，因此，步骤三的下限频率＝150.0hz，上限频率＝512.0hz；步骤五的vf1[0][299]～vf1[0][1023]＝0(150～512hz谱线对应的幅值)，vf1[1][299]～vf1[1][1023]＝0(150～512hz谱线对应的相位)，vf1[0][0]～vf1[0][298]＝vf0[0][0]～vf0[0][298](0～149.5hz谱线所对应的幅值)，vf1[1][0]～vf1[1][298]＝vf0[1][0]～vf0[1][298](0～149.5hz谱线所对应的相位)。
[0067]
步骤九、获取通道滤波后时域波形数据；
[0068]
将步骤七得到的滤波后时域波形数据置于另一个一维数组中，流程需要跳转至步骤三，再进行一次信号无效频段的滤除，如此循环，直到完成所有信号有效频段的提取；
[0069]
将上述第一次滤波后的2048点时域波形数据vt1[2048]再拷贝至待二次滤波的vt0[2048]中；
[0070]
图1的流程主要针对状态监测实时波形的数字滤波，其方法也同样适用于状态监测历史波形的数字滤波，只不过是步骤三的通道时域波形数据是从实时库获取还是从历史库获取的区别；
[0071]
图2为采用本方法数字滤波后的波形时频分析图，采用本发明进行数字滤波后的图2，其时域波形没有发生的畸变，同时，其频域谱线的相位也未发生偏移(图2右下方2hz机组转频谱线的相位仍为100.761)。
[0072]
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。