CN101825489A - 电力变压器有载分接开关振动信号分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力变压器有载分接开关振动信号分离方法。本发明利用观察信号的统计独立特性，利用用盲信号分离算法来进行信号处理，并在运用ICA经典算法的基础上，进一步提出了结合端点检测法以及相位自动对准法来实现有载分接开关振动信号的自适应分离。本发明充分利用信号统计独立性，能够在变压器的各种运行状态下将有载分接开关振动信号准确、有效地提取出来。

Description

电力变压器有载分接开关振动信号分离方法

技术领域

本发明涉及一种自适应信号分离方法，特别涉及到电力变压器有载分接开关振动信号与变压器油箱表面振动信号的自适应分离方法。

背景技术

有载调压分接开关(On-Load Tap Changer，OLTC)是变压器完成调压的核心部件，不仅能稳定负载中心电压，而且也是联络电网、调整负载潮流、改善无功分配等不可缺少的重要设备，它的性能状况直接关系到有载调压变压器的安全运行。发达国家对容量在10MVA及以上的变压器大都安装了有载分接开关，我国也愈来愈多地采用了有载调压变压器。有载分接开关由选择器、切换开关和电动机构组成，机械故障是其主要故障类型，包括选择开关触头接触不良、操作机构失灵、限位开关失灵、切换开关拒切、中止或动作滞后、内部紧固件松动和脱落等。这些故障可以通过对有载分接开关振动信号的分析进行有效的检测和判断。由于电力变压器在运行时，铁心硅钢片的磁致伸缩引起铁心振动，绕组在负载电流电场力作用下产生绕组振动，这些振动都将传递到变压器的油箱表面，形成变压器的主要振动。在变压器油箱表面获得的振动信号除了有载分接开关振动以外，还包括铁心和绕组的振动。因此要对有载分接开关振动信号进行分析和处理，首先需要对油箱表面振动信号进行信号分离，从中分离出有载分接开关振动信号成分。

有载分接开关动作振动波形主要是由动静触头的接触摩擦引起的冲击信号，而铁心和绕组的振动信号主要为周期信号，同时有载分接开关在一次动作过程中，多个触点将发生接触与分离，产生的振动波形将存在多个冲击段。

发明内容

本发明提供了一种电力变压器有载分接开关振动信号分离方法，该方法利用观察信号的统计独立特性，用盲信号分离算法来进行信号分离，并在运用ICA经典算法的基础上，结合端点检测法以及相位自动对准法来实现对有载分接开关振动信号的自适应分离。

一种电力变压器有载分接开关振动信号分离方法，包括以下步骤：

(1)在变压器油箱表面获得的振动信号，该振动信号包括有载分接开关振动信号和油箱振动信号的混合信号；

根据有载分接开关和油箱振动信号的统计特性，设定混合信号过零率的一个差值阈值和一个能量阈值。所述的过零率是指在统计的短时段内，信号波形穿越零电平的次数。

对混合信号进行加窗分帧，得到加窗分帧后的混合信号。

逐次将加窗分帧后的混合信号相邻的前后两帧过零率的差值与差值阈值进行比较，选择初步的起始点和结束点；

对选择的初步的起始点和结束点进行能量阈值的比较，确定最终的起始点和结束点；

由最终的起始点和结束点定位出混合信号的若干冲击段，选取冲击段信号和冲击段信号之前相同长度的一段信号得到两路混合信号。

(2)对两路混合信号求互相关函数，然后在时延值为零的附近寻找互相关最大值，根据最大值对应的时延对其中一路信号进行移位，便可实现相位的对准。

(3)依次对每一个冲击段运用SOBI算法进行信号分离，将分离出来的每一段有载分接开关振动信号拼接起来，构成在一次完整的动作过程中有载分接开关的振动信号。

所述的步骤(1)中确定最终起始点的方法为：

将加窗分帧后的混合信号的每一帧的长度N取为1000点，点为信号采集的采样点，从第二帧开始，逐次与前一帧比较，当该帧的过零率是前一帧过零率的4倍时，便将后一帧的第一个点作为冲击段的起始点，同时继续向后比较，直到整个振动信号比较结束；所有满足上述条件的点被初步确定为若干个冲击段的初步的起始点，采样信号x(n)过零率的计算采用公式(1)：

$\mathrm{ZCR}=\underset{n=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{sign}\right[x\left(n\right)]-\mathrm{sign}[x(n-1)\left]\right|\mathrm{\ω}(m_0-n)---\left(1\right)$

其中ZCR为振动信号的过零率，sign[x(n)]＝1(x(n)≥0)或sign[x(n)]＝-1(x(n)＜0)，ω(n)＝1/2N(0≤n≤N-1)或ω(n)＝0，n＜0或n＞N-1，N为每一帧的长度，取正数，m₀为常数，n为采样点数的时间变量；

计算检测到的初步的起始点之后的10000点之内的总能量，保留总能量大于100的所有点，即为最终的起始点。

所述的步骤(1)中确定最终结束点的方法为：

将加窗分帧后的混合信号从最后一个冲击段的起始点开始往前的3000个点的过零率与往后的3000个点的过零率进行比较，当前者的过零率比后者的过零率多8，则前的3000个点的第一点即为初步的结束点；若不满足，则此役类推，每次前移3000点，再进行比较；

对第一次检测出来的初步的结束点进行第二次的检测，当该结束点前1000点的过零率比后1000点的过零率多4，则该初步的结束点即为最终的结束点；若不满足再依次往前移1000点进行比较，最终检测出的冲击信号的结束点位置。

所述的步骤(2)中求两路混合信号的互相关函数方法为：

通过以下公式求互相关函数：

$r_{\mathrm{xy}}\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1-m}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)y(n+m)---\left(2\right)$

其中m＝-(N-1)，…，(N-1)，x代表冲击段信号，y代表冲击段信号之前与冲击段信号长度相同的一段信号；r_xy(m)为两路混合信号的互相关度，m为时延值。

所述的步骤(3)中实现信号分离的方法为：

A、令球化矩阵为W，对振动信号x(n)作球化，得到的球化信号：

z(n)＝Wx(n)，(3)

n为采样点数的时间变量；

B、求出球化信号的协方差矩阵：

R_z(τ_i)＝E{z(n)z(n+τ_i)^T}    (4)

C、寻求矩阵V按公式(5)对协方差矩阵R_z(τ_i)进行联合对角化逼近：

R_s(τ_i)＝V^TR_z(τ_i)V，i＝1～p  (5)

其中，取τ_i为时延的一组不同取值τ₁，τ₂，…，τ_p，P为常数，

D、得到V阵，则解混矩阵B＝V^TW，得到分离信号s＝Bx。

有益效果：本发明的算法充分利用了信号统计独立性，即不管油箱表面振动信号包含哪些成分，只要它和有载分接开关振动信号独立，通过本发明算法就能将有载分接开关振动信号提取出来。

对变压器的理论与实验分析表明，油箱的所有可能振动源(包括绕组、铁心、油泵、风扇等)振动信号特性都与有载分接开关振动信号相互独立，在本质上存在较大差异。这使得本发明的方法能够在变压器的各种运行状态下将有载分接开关振动信号准确、有效地提取出来，同时该发明实现自适应分离有助于将信号分离算法嵌入到有载分接开关在线故障诊断系统中。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为对振动信号进行端点检测判断出每个冲击段的最终起始点和结束点的方法流程图；

图3是对振动信号进行端点检测判断出每个冲击段的最终起始点和结束点的结果图；

图4是传感器输出振动信号的其中一个冲击段信号；

图5是对图4所示信号进行分离后得到的有载分接开关振动信号；

图6是传感器输出的整个过程的振动信号；

图7是从图6所示的整个过程振动信号中分离出的有载分接开关振动信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的阐述。

在本实施例中，本发明的方法如图1所示，包括：

步骤(1)：在变压器油箱表面获得的振动信号，该振动信号除了包括有载分接开关振动信号和油箱振动信号的混合信号外，还还包括铁心和绕组的振动信号，根据有载分接开关和油箱振动信号的统计特性，设定过振动信号零率的一个阈值和一个能量阈值。

对有载分接开关的整个振动信号进行加窗分帧，得到加窗分帧后的振动信号，

如图2所示的方法流程图，逐次将加窗分帧后的振动信号前后两帧进行比较，满足过零率超过阈值的帧选为起始点和结束点，

再进一步对起始点和结束点进行能量阈值的比较，超过能量阈值的点被确定为最终的起始点和结束点，如图3所示为判断出每个冲击段的起始点和结束点的结果图。

判断的具体过程为：将振动信号的每一帧的长度取为1000点，约为铁心和绕组周期振动的一个周期长度，保证了定位的误差在一个周期以内。

图4是传感器输出振动信号的其中一个冲击段信号。

对该信号从第二帧开始，逐次与前一帧比较，当该帧的过零率是前一帧过零率的4倍时，便将后一帧的第一个点(帧)作为冲击段的起始点，同时继续向后比较，直到整个振动信号比较结束，满足面前过零率阈值的点被初步确定为几个冲击段的起始点，由于有载分接开关动作振动主要是由动静触头的接触摩擦引起的，故该触点轻微的摩擦引起的冲击能量很小，对故障诊断基本没有贡献，因此进行第二次的筛选将小冲击起始点去掉。根据能量的差别，将检测到的起始点之后的10000点之内的总能量算出来，大于100的保留，即为冲击信号，小于100的即为周期信号。在此处采用的过零率是指在统计的短时段内，信号波形穿越零电平的次数。初始起始点检测出的六个冲击段的能量为：

323.23    71.9    439.1    84.3    452.7    2969.5

                                                    

振动信号过零率由公式(1)计算：

$\mathrm{ZCR}=\underset{m=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\left|\mathrm{sign}\right[x\left(m\right)]-\mathrm{sign}[x(m-1)\left]\right|\mathrm{\ω}(n-m)---\left(1\right)$

其中ZCR为振动信号的过零率。

sign[x(n)]＝1(x(n)≥0)或sign[x(n)]＝-1(x(n)＜0)，

ω(n)＝1/2N(0≤n≤N-1)或ω(n)＝0，n＜0或n＞N-1，

N为每一帧的长度，m₀为常数，n为采样点数的时间变量；

对第M个冲击段的结束点进行定位的方法：从第M+1个冲击段的起始点开始往前的3000个点的过零率与往后的3000个点的过零率进行比较，当前者比后者多8，该点即为结束点，若不满足，则逐次往前移3000点，再进行比较。阈值8是根据对信号的统计特性进行考察而得。同样，为了避免小能量冲击对结果的影响，对第一次检测出来的结束点进行第二次的重定位，当该结束点前1000点比后1000点的过零率多4，则该结束点即为正确的结束点。若不满足再依次往前移1000点，再进行比较，最终检测出的冲击信号起始点和结束点位置如图2所示，其中实线为传感器输出的振动信号，虚线为步骤(1)检测出的起始点和结束点位置；

步骤(2)：对每一段的两路混合信号求互相关函数，然后在时延值为零的附近寻找互相关最大值，根据最大值对应的时延对其中一路信号进行移位，便可实现相位的对准。

具体过程为：为了解决当两路混合信号存在相位差导致SOBI算法失效的情况，在分离之前需要进行相位对准，由于两路混合信号都包含着相同频率成分，因此当两路信号相位对准时，互相关性达到最大。根据这个原理，采用互相关函数最大化来实现相位的自动对准。

互相关函数是描述随机信号在任意两个不同时刻t₁，t₂的取值之间的相关程度：

$r_{\mathrm{xy}}\left(m\right)=\frac{1}{N}\underset{n=0}{\overset{N-1-m}{\mathrm{\Σ}}}x\left(n\right)y(n+m),$ m＝-(N-1)，…，(N-1)    (2)

其中m＝-(N-1)，…，(N-1)，x代表冲击段信号，y代表冲击段信号之前与冲击段信号长度相同的一段信号；r_xy(m)为两路混合信号的互相关度，m为时延值。

在m＝0附近寻找互相关最大值，其对应的时延即为两路信号的相位差。将油箱振动信号进行相应的相移，便可以实现两路信号的相位自动对准。

步骤(3)：依次对每一个冲击段运用SOBI算法进行信号分离，如图5所示是对图4所示信号进行分离后得到的有载分接开关振动信号；

再将分离出来的每一段有载分接开关振动信号拼接起来，构成在一次完整的动作过程中有载分接开关的振动信号。

具体实现信号分离的方法为：令球化矩阵为W，对振动信号x(n)作球化，得到的球化信号：

z(n)＝Wx(n)，(3)

求出球化信号的协方差矩阵：

R_z(τ_i)＝E{z(n)z(n+τ_i)^T}    (4)

寻求矩阵V按公式(5)对协方差矩阵R_z(τ_i)进行联合对角化逼近：

R_s(τ_i)＝V^TR_z(τ_i)V，i＝1～p    (5)

其中，取τ_i为时延的一组不同取值τ₁，τ₂，…，τ_p，P为常数，

得到V阵，则解混矩阵，B＝V^TW，得到分离信号s＝Bx。

如图6所示，传感器输出的整个过程的振动信号包含多个冲击段，将SOBI算法分别应用到每个冲击段后，最后将各个冲击段分离出的结果进行拼接。

本发明的结果为相关性为0.9611的混合信号被分离成相关性为0的两个信号，表示分离出来的有载分接开关振动信号中不掺有其他信号。

如图7所示，得到构成不包含其他信号的有载分接开关在一次动作过程中的振动信号。

本发明所述的振动信号可以是加速度传感器输出的信号，采样频率大于10kHz。

Claims (7)

1.一种电力变压器有载分接开关振动信号分离方法，包括以下步骤：

(1)对有载分接开关和油箱振动信号的混合信号进行加窗分帧，确定某一时间段的混合信号的每个冲击段最终的起始点和结束点；

由最终的起始点和结束点定位出混合信号的若干冲击段，选取冲击段信号和冲击段信号之前相同长度的一段信号得到两路混合信号；

(2)对两路混合信号求互相关函数，实现两路混合信号相位的对准：

(3)依次将对准后的每一个冲击段的两路混合信号运用SOBI算法进行信号分离，分离出每一段两路信号混合中的有载分接开关振动信号，并将有载分接开关振动信号拼接起来，构成在一次完整的动作过程中的有载分接开关的振动信号。

2.如权利要求1所述的电力变压器有载分接开关振动信号分离方法，其特征在于：所述的步骤(1)中确定某一时间段的混合信号的每个冲击段的最终起始点和结束点的方法为：

A、设定有载分接开关和油箱振动信号的混合信号过零率的一个差值阈值和一个能量阈值，所述的过零率为在统计的短时段内，信号波形穿越零电平的次数；

B、对混合信号进行加窗分帧，得到加窗分帧后的混合信号；

C、逐次将加窗分帧后的混合信号相邻的前后两帧过零率的差值与差值阈值进行比较，选择初步的起始点和结束点；

D、对选择的初步的起始点和结束点进行能量阈值的比较，确定最终的起始点和结束点。

3.如权利要求2所述的电力变压器有载分接开关振动信号分离方法，其特征在于：所述的确定最终的起始点的方法为：

A、将加窗分帧后的混合信号每一帧的长度N取为1000点，点为信号采集的采样点，从第二帧开始，逐次与前一帧比较，当该帧的过零率是前一帧过零率的4倍时，便将后一帧的第一个点作为冲击段的起始点，同时继续向后比较，直到整个振动信号比较结束；

所有满足上述条件的点被初步确定为若干个冲击段初步的起始点，采样信号x(n)过零率的计算采用公式(1)：

其中ZCR为振动信号的过零率，

sign[x(n)]＝1(x(n)≥0)或sign[x(n)]＝-1(x(n)＜0)，

ω(n)＝1/2N(0≤n≤N-1)或ω(n)＝0，n＜0或n＞N-1，

N为每一帧的长度，取正数，m₀为常数，n为采样点数的时间变量；

B、计算检测到的初步的起始点之后的10000点之内的总能量，保留总能量大于100的点，即为最终的起始点。

4.如权利要求2所述的电力变压器有载分接开关振动信号分离方法，其特征在于：所述的确定最终的结束点的方法为：

A、将加窗分帧后的混合信号，从最后一个冲击段的起始点开始往前的3000个点的过零率与往后的3000个点的过零率进行比较，当前者的过零率比后者的过零率多8，则前的3000个点的第一点即为初步的结束点；若不满足，则此役类推，每次前移3000点，再进行比较，直到整个振动信号比较结束；

B、对第一次检测出来的初步的结束点进行第二次的检测，当该初步的结束点前1000点的过零率比后1000点的过零率多4，则该初步的结束点即为最终的结束点；若不满足再依次往前移1000点进行比较，最终检测出冲击信号的结束点位置。

5.如权利要求1所述的电力变压器有载分接开关振动信号分离方法，其特征在于：所述的步骤(2)的实现每一段两路混合信号相位对准的方法为：

A、对步骤(1)得到的每一段两路混合信号求互相关函数；

B、在互相关函数横坐标为零附近寻找互相关函数的最大值；

C、根据最大值对应的时延对其中一路信号进行移位，实现相位的对准。

6.如权利要求4所述的电力变压器有载分接开关振动信号分离方法，其特征在于：所述的求两路混合信号的互相关函数方法为：

对每一段两路混合信号求互相关函数：

其中，m＝-(N-1)，Λ，(N-1)，x代表冲击段信号，y代表冲击段信号之前与冲击段信号长度相同的一段信号；r_xy(m)为两路混合信号的互相关度，m为时延值。

7.如权利要求1所述的电力变压器有载分接开关振动信号分离方法，其特征在于：所述的步骤(3)中实现信号分离的方法为：

A、令球化矩阵为W，对振动信号x(n)作球化，得到的球化信号：

z(n)＝Wx(n)，(3)

n为采样点数的时间变量；

B、求出球化信号的协方差矩阵：

R_z(τ_i)＝E{z(n)z(n+τ_i)^T}：(4)

C、寻求矩阵V按公式(5)对协方差矩阵R_z(τⁱ)进行联合对角化逼近：

R_s(τ_i)＝V^TR_z(τ_i)V，i＝1～p    (5)

其中，取τ_i为时延的一组不同取值τ₁，τ₂，Λ，τ_p，P为常数，

D、得到V阵，则解混矩阵，B＝V^TW，得到分离信号s＝Bx。

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