CN102519581A - 一种电力变压器振动信号的分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力变压器振动信号的分离方法，包括：(1)同步采样负载和空载下的电压信号和振动信号；(2)通过电压对准后对负载和空载下的振动信号进行分帧；(3)对负载振动与空载振动进行频域分离，得到绕组振动信号。本发明通过采用电压对准与分帧方法在分离前对振动信号进行预处理，进而利用平均谱减法在负载状态下将绕组振动信号有效地提取出来，实现了绕组振动与铁芯振动的分离，进而大大提升了振动分析的灵敏性和有效性。

Description

一种电力变压器振动信号的分离方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种电力变压器振动信号的分离方法。

背景技术

电力变压器是电力系统中的重要设备，其正常运行是保证电力系统安全、可靠运行的前提。振动分析法对可能引发变压器重大事故的机械结构缺陷的检测具有很好灵敏性和有效性，是一种新颖的电力变压器在线状态监测和故障诊断方法，具有很好的应用于发展前景。

绕组和铁芯是变压器的主要部件，同时也是变压器的主要故障部件，绕组和铁芯还是产生变压器振动的主要源部件。变压器在运行时，硅钢片的磁致伸缩产生铁芯的振动，而负载电流的电磁力则使绕组发生振动。绕组和铁芯的振动通过变压器内部连接固件和绝缘油传递到变压器油箱表面，在油箱表面产生振动。因此，通过对变压器油箱表面的振动测量和分析处理可以监测变压器绕组和铁芯的机械结构状态。由于负载时油箱表面振动信号是绕组振动和铁芯振动的合成，而当电力变压器在空载时，绕组中的电流很小，绕组产生的振动可以忽略，变压器的振动主要由铁芯产生，此时变压器油箱表面所测到的振动可以认为是铁芯振动信号。绕组振动和铁芯振动的原理和状态特征表现各不相同，为了能够有效监测绕组和铁芯的状态及故障，有必要将绕组振动信号和铁芯振动信号从油箱表面振动信号中分离开来。

而目前国内外还没有相关对绕组振动和铁芯振动进行分离的方法，而目前的振动分析法都是直接根据油箱表面振动信号来进行分析的；若将绕组振动和铁芯振动进行分离后进行振动分析，则振动分析技术的检测灵敏性和有效性仍有很大的提升改善空间。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种电力变压器振动信号的分离方法，能够将绕组振动与铁芯振动有效地分离开来，进而提升振动分析的灵敏性和有效性。

一种电力变压器振动信号的分离方法，包括如下步骤：

(1)在负载运行状态下通过同步采样获得电力变压器的负载电压信号和电力变压器油箱表面的负载振动信号；在空载运行状态下通过同步采样获得电力变压器的空载电压信号和电力变压器油箱表面的空载振动信号；

所述的空载振动信号即为电力变压器的铁芯振动信号；

(2)根据相关系数法从负载电压信号和空载电压信号中分别提取出m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点；根据m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点分别从负载振动信号和空载振动信号中对应截取得到m帧负载振动样本和n×m帧空载振动样本；

(3)根据平均谱减法将所述的负载振动样本与空载振动样本进行频域分离，得到电力变压器的绕组振动信号的频谱，将绕组振动信号的频谱经傅里叶反变换后得到电力变压器的绕组振动信号。

所述的步骤(2)中，根据相关系数法从负载电压信号和空载电压信号中分别提取出m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点的过程如下：

1)对负载电压信号进行逐点检索，连续提取出m个正向过零点分别作为负载电压信号的m个负载电压基准点；

2)使m个负载电压基准点分别作为起始点，从负载电压信号中对应截取m帧负载电压样本；所述的负载电压样本由k个连续的负载电压采样点组成；

3)对空载电压信号进行逐点检索，当找到一个正向过零点，就使该正向过零点及其相邻的两个空载电压采样点分别作为起始点，从空载电压信号中对应截取三帧空载电压样本；所述的空载电压样本由k个连续的空载电压采样点组成；

4)根据以下公式使第i负载电压样本分别与所述的三帧空载电压样本进行相关系数计算；判断计算得到的三个相关系数是否均小于相关阈值：若是，则返回步骤3)寻找下一个正向过零点；若否，则使计算得到的三个相关系数的最大值对应的空载电压样本的起始点为空载电压信号中与第i负载电压基准点对应的空载电压基准点，并返回步骤3)寻找下一个正向过零点；

$R_{\mathrm{load},\mathrm{unload}}=\frac{1}{k}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k{V}_{\mathrm{load}}\left(j\right)V_{\mathrm{unload}}\left(j\right)---\left(1\right)$

其中：R_{load，unload}为负载电压样本与空载电压样本的相关系数，V_load(j)为负载电压样本中第j负载电压采样点归一化后的电压值，V_unload(j)为空载电压样本中第j空载电压采样点归一化后的电压值；

5)根据步骤3)和4)，从空载电压信号中提取出n个与第i负载电压基准点对应的空载电压基准点；

6)根据步骤3)、4)和5)，遍历所有的负载电压基准点，从空载电压信号中提取出n×m个空载电压基准点。

所述的步骤(2)中，根据m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点分别从负载振动信号和空载振动信号中对应截取得到m帧负载振动样本和n×m帧空载振动样本的过程如下：

1)根据m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点通过时域映射分别从负载振动信号和空载振动信号中对应提取出m个负载振动基准点和n×m个空载振动基准点；

2)使m个负载振动基准点分别作为起始点，从负载振动信号中对应截取m帧负载振动样本，所述的负载振动样本由k个连续的负载振动采样点组成；使n×m个空载振动基准点分别作为起始点，从空载振动信号中对应截取n×m帧空载振动样本，所述的空载振动样本由k个连续的空载振动采样点组成。

所述的步骤(3)中，根据平均谱减法将负载振动样本与空载振动样本进行频域分离的过程如下：

1)将负载振动样本和空载振动样本进行傅里叶变换，得到负载振动样本的频谱和空载振动样本的频谱；

2)根据以下公式使第i负载振动样本的频谱与所有空载振动样本的频谱进行频谱相减，得到第i负载振动样本的谱减信息；

$P_{\mathrm{winding}}\left(i\right)=\frac{1}{n\×m}{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{n\×m}[P_{\mathrm{load}}\left(i\right)-P_{\mathrm{unload}}\left(t\right)]---\left(2\right)$

其中：P_winding(i)为第i负载振动样本的谱减信息，P_load(i)为第i负载振动样本的频谱，P_unload(t)为第t空载振动样本的频谱；

3)根据步骤2)，遍历求得所有负载振动样本的谱减信息，进而通过以下公式求得电力变压器的绕组振动信号的频谱；

$P=\frac{1}{m}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{P}_{\mathrm{winding}}\left(i\right)---\left(3\right)$

其中：P为电力变压器的绕组振动信号的频谱。

本发明通过采用电压对准与分帧方法在分离前对振动信号进行预处理，进而利用平均谱减法在负载状态下将绕组振动信号有效地提取出来，实现了绕组振动与铁芯振动的分离，进而大大提升了振动分析的灵敏性和有效性。

附图说明

图1为本发明的步骤流程示意图。

图2为负载电压基准提取的流程示意图。

图3为空载电压基准提取的流程示意图。

图4(a)为负载电压信号波形示意图。

图4(b)为空载电压信号波形示意图。

图5(a)为负载振动信号波形示意图。

图5(b)为空载振动信号波形示意图。

图6为负载振动样本的谱减信息示意图。

图7为电力变压器绕组振动信号的频谱图。

图8(a)为电力变压器绕组振动信号的波形示意图。

图8(b)为空载振动样本的波形示意图。

图8(c)为图8(a)波形与图8(b)波形叠加后的信号波形示意图。

图8(d)为与图8(b)对应的负载振动样本的波形示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的分离方法进行详细说明。

如图1所示，一种电力变压器振动信号的分离方法，包括如下步骤：

(1)同步采样负载和空载下的电压信号和振动信号。

在负载运行状态下通过同步采样获得电力变压器的负载电压信号和电力变压器油箱表面的负载振动信号；在空载运行状态下通过同步采样获得电力变压器的空载电压信号和电力变压器油箱表面的空载振动信号；其中，空载振动信号即为电力变压器的铁芯振动信号。

(2)通过电压对准后对负载和空载下的振动信号进行分帧；如图2和3所示。

1)对负载电压信号进行逐点检索，连续提取出m个正向过零点分别作为负载电压信号的m个负载电压基准点。

2)使m个负载电压基准点分别作为起始点，从负载电压信号中对应截取m帧负载电压样本；负载电压样本由k个连续的负载电压采样点组成；其中，记第i负载电压基准点为y(i)，则以y(i)为起始点从负载电压信号中对应截取的由k个连续的负载电压采样点组成的第i负载电压样本记为Y(i)。

3)对空载电压信号进行逐点检索，当找到一个正向过零点x(0)，就使x(0)及其相邻的两个空载电压采样点x(-1)和x(+1)分别作为起始点，从空载电压信号中对应截取三帧由k个连续的空载电压采样点组成的空载电压样本X(0)、X(-1)和X(+1)。

4)根据以下公式使Y(i)分别与X(0)、X(-1)和X(+1)进行相关系数计算；判断计算得到的三个相关系数是否均小于0.9：若是，则返回步骤3)寻找下一个正向过零点；若否，则使计算得到的三个相关系数的最大值对应的空载电压样本的起始点为空载电压信号中与y(i)对应的空载电压基准点，并返回步骤3)寻找下一个正向过零点；

$R_{\mathrm{load},\mathrm{unload}}=\frac{1}{k}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k{V}_{\mathrm{load}}\left(j\right)V_{\mathrm{unload}}\left(j\right)---\left(1\right)$

其中：R_{load，unload}为负载电压样本与空载电压样本的相关系数，V_load(j)为负载电压样本中第j负载电压采样点归一化后的电压值，V_unload(j)为空载电压样本中第j空载电压采样点归一化后的电压值；本实施方式中，电压采样点归一化后的电压值为电压采样点的电压值除以电压信号中电压最大值后的结果值。

5)根据步骤3)和4)，从空载电压信号中提取出n个与y(i)对应的空载电压基准点。

6)根据步骤3)、4)和5)，遍历所有的负载电压基准点，从空载电压信号中提取出n×m个空载电压基准点。从图4中可见负载电压信号中一负载电压样本所对应空载电压信号中的部分空载电压样本，虚线为电压基准点所在位置。

7)根据m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点通过时域映射分别从负载振动信号和空载振动信号中对应提取出m个负载振动基准点和n×m个空载振动基准点。

8)使m个负载振动基准点分别作为起始点，从负载振动信号中对应截取m帧负载振动样本，负载振动样本由k个连续的负载振动采样点组成；使n×m个空载振动基准点分别作为起始点，从空载振动信号中对应截取n×m帧空载振动样本，空载振动样本由k个连续的空载振动采样点组成。从图5中可见负载振动信号中一负载振动样本所对应空载振动信号中的部分空载振动样本，虚线为振动基准点所在位置。

本实施方式中，m＝5，n＝10，k＝1000。

(3)对负载振动与空载振动进行频域分离，得到绕组振动信号。

1)将负载振动样本和空载振动样本进行傅里叶变换，得到负载振动样本的频谱和空载振动样本的频谱。

2)根据以下公式使第i负载振动样本的频谱与所有空载振动样本的频谱进行频谱相减，得到第i负载振动样本的谱减信息，如图6所示；

$P_{\mathrm{winding}}\left(i\right)=\frac{1}{n\×m}{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{n\×m}[P_{\mathrm{load}}\left(i\right)-P_{\mathrm{unload}}\left(t\right)]---\left(2\right)$

其中：P_winding(i)为第i负载振动样本的谱减信息，P_load(i)为第i负载振动样本的频谱，P_unload(t)为第t空载振动样本的频谱。

3)根据步骤2)，遍历求得所有负载振动样本的谱减信息，进而通过以下公式求得电力变压器的绕组振动信号的频谱，如图7所示；

$P=\frac{1}{m}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{P}_{\mathrm{winding}}\left(i\right)---\left(3\right)$

其中：P为电力变压器的绕组振动信号的频谱。

4)将绕组振动信号的频谱经傅里叶反变换后得到电力变压器的绕组振动信号。

如图8所示，将分离得到的绕组振动信号(a)与某一帧空载振动样本(b)叠加，得到振动信号(c)，将振动信号(c)与实际对应的一帧负载振动样本(d)进行比较，可见波形几乎完全一致。

Claims (4)

1.一种电力变压器振动信号的分离方法，包括如下步骤：

(1)在负载运行状态下通过同步采样获得电力变压器的负载电压信号和电力变压器油箱表面的负载振动信号；在空载运行状态下通过同步采样获得电力变压器的空载电压信号和电力变压器油箱表面的空载振动信号；

(2)根据相关系数法从负载电压信号和空载电压信号中分别提取出m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点；根据m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点分别从负载振动信号和空载振动信号中对应截取得到m帧负载振动样本和n×m帧空载振动样本；

(3)根据平均谱减法将所述的负载振动样本与空载振动样本进行频域分离，得到电力变压器的绕组振动信号的频谱，将绕组振动信号的频谱经傅里叶反变换后得到电力变压器的绕组振动信号。

2.根据权利要求1所述的电力变压器振动信号的分离方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，根据相关系数法从负载电压信号和空载电压信号中分别提取出m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点的过程如下：

1)对负载电压信号进行逐点检索，连续提取出m个正向过零点分别作为负载电压信号的m个负载电压基准点；

2)使m个负载电压基准点分别作为起始点，从负载电压信号中对应截取m帧负载电压样本；所述的负载电压样本由k个连续的负载电压采样点组成；

3)对空载电压信号进行逐点检索，当找到一个正向过零点，就使该正向过零点及其相邻的两个空载电压采样点分别作为起始点，从空载电压信号中对应截取三帧空载电压样本；所述的空载电压样本由k个连续的空载电压采样点组成；

4)根据以下公式使第i负载电压样本分别与所述的三帧空载电压样本进行相关系数计算；判断计算得到的三个相关系数是否均小于相关阈值：若是，则返回步骤3)寻找下一个正向过零点；若否，则使计算得到的三个相关系数的最大值对应的空载电压样本的起始点为空载电压信号中与第i负载电压基准点对应的空载电压基准点，并返回步骤3)寻找下一个正向过零点；

$R_{\mathrm{load},\mathrm{unload}}=\frac{1}{k}{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^k{V}_{\mathrm{load}}\left(j\right)V_{\mathrm{unload}}\left(j\right)---\left(1\right)$

其中：R_{load，unload}为负载电压样本与空载电压样本的相关系数，V_load(j)为负载电压样本中第j负载电压采样点归一化后的电压值，V_unload(j)为空载电压样本中第j空载电压采样点归一化后的电压值；

5)根据步骤3)和4)，从空载电压信号中提取出n个与第i负载电压基准点对应的空载电压基准点；

6)根据步骤3)、4)和5)，遍历所有的负载电压基准点，从空载电压信号中提取出n×m个空载电压基准点。

3.根据权利要求1所述的电力变压器振动信号的分离方法，其特征在于：所述的步骤(2)中，根据m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点分别从负载振动信号和空载振动信号中对应截取得到m帧负载振动样本和n×m帧空载振动样本的过程如下：

1)根据m个负载电压基准点和n×m个空载电压基准点通过时域映射分别从负载振动信号和空载振动信号中对应提取出m个负载振动基准点和n×m个空载振动基准点；

2)使m个负载振动基准点分别作为起始点，从负载振动信号中对应截取m帧负载振动样本，所述的负载振动样本由k个连续的负载振动采样点组成；使n×m个空载振动基准点分别作为起始点，从空载振动信号中对应截取n×m帧空载振动样本，所述的空载振动样本由k个连续的空载振动采样点组成。

4.根据权利要求1所述的电力变压器振动信号的分离方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据平均谱减法将负载振动样本与空载振动样本进行频域分离的过程如下：

1)将负载振动样本和空载振动样本进行傅里叶变换，得到负载振动样本的频谱和空载振动样本的频谱；

2)根据以下公式使第i负载振动样本的频谱与所有空载振动样本的频谱进行频谱相减，得到第i负载振动样本的谱减信息；

$P_{\mathrm{winding}}\left(i\right)=\frac{1}{n\×m}{\mathrm{\Σ}}_{t=1}^{n\×m}[P_{\mathrm{load}}\left(i\right)-P_{\mathrm{unload}}\left(t\right)]---\left(2\right)$

其中：P_winding(i)为第i负载振动样本的谱减信息，P_load(i)为第i负载振动样本的频谱，P_unload(t)为第t空载振动样本的频谱；

3)根据步骤2)，遍历求得所有负载振动样本的谱减信息，进而通过以下公式求得电力变压器的绕组振动信号的频谱；

$P=\frac{1}{m}{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^m{P}_{\mathrm{winding}}\left(i\right)---\left(3\right)$

其中：P为电力变压器的绕组振动信号的频谱。

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