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Tipo: Dissertação de Mestrado
Título: Processamento de sinais de descargas parciais utilizando dicionários sobre-completos e representações esparsas
Autor(es): Fernando Thomé de Azevedo Silva
Primeiro Orientador: Hilton de Oliveira Mota
Primeiro membro da banca : Adriano Vilela Barbosa
Segundo membro da banca: Flavio Henrique Vasconcelos
Resumo: O fenômeno de descargas parciais (DPs) em materiais dielétricos pode causar a sua degradação. Por isso, a medição de DPs é amplamente utilizada para diagnosticar as condições do isolamento de equipamentos elétricos, tais como transformadores, cabos e motores. Contudo, a medição de DPs em campo é limitada devido às características inerentes desse tipo de sinal, como baixa amplitude (na ordem de milivolts) e amplo espectro de frequências. Além disso, frequentemente a medição é inviabilizada devido às interferências causadas por ruídos presentes no ambiente, onde também estão presentes tensões de grande amplitude (da ordem de quilovolts), que dificultam o diagnóstico in loco. A utilização de filtros digitais lineares para atenuação de ruídos em descargas parciais é limitada, uma vez que sinais de DPs e os ruídos geralmente ocupam faixas de frequências não facilmente separáveis. Portanto, a filtragem de DPs demanda a utilização de técnicas de processamento de sinais mais avançadas, principalmente com o objetivo de atenuar ruídos específicos deste tipo de sinal. Técnicas de processamento de sinais baseadas em dicionários analíticos compõem-se, de maneira geral, da busca pela melhor combinação de um conjunto de sinais elementares (átomos do dicionário) para realizar a representação do sinal. Citam-se, como exemplo, as decomposições por Fourier ou Wavelets. Entretanto, a utilização de dicionários sobre completos, compostos, por exemplo, da junção de diferentes famílias Wavelets, permite obter representações mais próximas das características do sinal em questão. No entanto, ao utilizar dicionários sobre completos, obtém-se um sistema de equações indeterminadas (sistema mal condicionado), que permite infinitas soluções. Para se chegar a uma solução particular, é preciso inserir restrições ao problema (regularização) e utilizar uma abordagem iterativa que minimize o erro de representação. Esta abordagem pode ser modelada como um típico problema de otimização, e uma de suas soluções consiste em buscar por representações esparsas por meio da minimização da norma L1, conhecida como Método de Busca da Base. Este trabalho apresenta um método de filtragem de sinais de DPs baseado em um algoritmo iterativo que utiliza dicionários de wavelets sobre completos e, a partir de representações esparsas, busca obter uma reconstrução livre de ruídos (Método de Busca da Base para Filtragem). O algoritmo utilizado é o SALSA (Split Variable Augmented Lagrangian Shrinkage Algorithm), que baseia-se na abordagem do Lagrangiano aumentado, associados à técnica de separação de variáveis. O procedimento de otimização é detalhado no documento, bem como suas características, limitações e as metodologias utilizadas para configuração, ajuste de parâmetros e composição do dicionário sobrecompleto. A eficiência da filtragem foi avaliada considerando uma base de sinais de DPs composta por casos reais (medidos em laboratório) e sintéticos (gerados por modelos numéricos). A abordagem proposta obteve resultados significativos na filtragem de ruídos tipo AM e Gaussianos, obtendo também expressivo resultados na filtragem de ruídos de natureza impulsiva, embora com algumas limitações neste caso. O desempenho foi avaliado a partir de comparações entre os sinais originais e filtrados, considerando análises visuais e numéricas obtidas por métricas de desempenho comumente utilizadas
Abstract: The partial discharge (PD) phenomenon may cause the degradation of dielectric materials. Therefore, PD measurement is an important tool to diagnose the insulation conditions of electric equipment such as transformers, cables, and motors. However, on site PD measurement is usually limited due to the inherent characteristics of this type of signal, such as the low amplitude (millivolts) and broad frequency spectrum. Moreover, often the measurement becomes impossible due to interferences caused by the ambient noises, related to the high voltage amplitudes (kilovolts). The application of LTI filters for noise attenuation is limited since PD signals and noise typically occupy frequency bands not easily resoluble. Therefore, PD filtering requires the use of advanced signal processing techniques, especially those adapted to this specific type of signal. Generally, the signal processing techniques based on analytic dictionaries consist of searching for the best combination of a set of elementary signals (dictionary atoms) to compose a signal representation. As an example, the decompositions by Fourier or Wavelets may be cited. However, the use of overcomplete dictionaries composed by, for example, a blend of different wavelet families, allows closer representations of the signal properties in question. However, when using overcomplete dictionaries, an indeterminate system of equations is obtained (ill-posed system), which leads to infinite solutions. To find a particular solution, it is required to set restrictions to the problem (regularization) and to use an iterative approach that minimizes the representation error. This approach can be modeled as a typical optimization problem and one of its solutions consists of a search for sparse representations by minimizing the L1 norm, which is known as Basis Pursuit. This text presents a PD denoising method based on an iterative algorithm that uses wavelets overcomplete dictionaries and, from sparse representations, aims to obtain a noise-free reconstruction (Basis Pursuit Denoising). The optimization algorithm used in this method is named SALSA (Split Variable Augmented Lagrangian Shrinkage Algorithm) and is based on the Augmented Lagrangian approach associated with techniques for variable separation. The procedure is further detailed in the text along with its characteristics, limitations and methods for parameters setting, configure the algoritm and compose the overcomplete dictionary. The denoising performance was evaluated considering a PD signal database composed by real (measured in the laboratory) and synthetic (generated by numerical models) cases. It is shown that the proposed approach obtained signficant results in filtering AM and Gaussian noise types, with significant success, and obtaining also expressive results in the filtering of impulsive noise, although with some limitations in this case. The performance was evaluated by comparing the original and filtered signals, considering visual and numerical analysis obtained by commonly used denoising performance metrics
Assunto: Engenharia elétrica
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Idioma: Português
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Instituição: UFMG
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/RAOA-BBTQHC
Data do documento: 27-Jul-2017
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