CN102692887A - 基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力设备监控技术领域，即基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置。当地监听设备由多个麦克、音频采集设备和高性能工控机组成，远程监听程序运行于高性能的服务器系统，通过光纤通信系统采集各间隔/子站的声音信息及报警，并与自动化系统接口。采用音频信号作为监视信息，能将整个电力变压器运行信息进行自动记录，配合专家系统，能够实现在线状态监视、异常情况报警、专家系统训练等功能。通过声音采集系统实时监听电力变压器运行时的声音，并通过信号处理手段提取声音信号特征，采用专家系统判断设备运行状态，可以识别设备过负荷、绝缘破损、内部放电、绝缘油缺失、导线接触不良、内部短路等多种情况。

Description

基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置

技术领域

本发明涉及电力设备监控技术领域，即基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置。

背景技术

在现有技术中，电力主设备在运行过程中，常会由于负载的变化而导致设备内部电压的剧烈波动，同时由于设备内部的缺陷也会引起绝缘体产生电离而发生放电，在此过程中，总是伴随着高频电流脉冲、电磁辐射及声、光、热和化学过程等现象。根据这些不同现象，分别采用相应的方法来测量，各自测得的量值都可用来反映设备内部缺陷和故障存在的程度和状况。电力变压器在运行过程中，常会由于负载的变化而导致设备内部电压的剧烈波动，同时由于设备内部的缺陷也会引起绝缘体产生电离而发生放电，在此过程中，总是伴随着高频电流脉冲、电磁辐射及声、光、热和化学过程等现象。根据这些不同现象，分别采用相应的方法来测量，各自测得的量值都可用来反映变压器内部缺陷和故障存在的程度和状况。电力变压器在运行时，本体(铁心、绕组)及冷却装置的振动都会发出声音。磁滞伸缩和绕组匝间电动力所引起的振动是电力变压器本体振动最主要的来源，本体振动通过铁心垫脚和绝缘油两条路径传递给油箱壁，使油箱壁产生振动，进而产生本体噪声，并以声波的形式向四周发射。冷却装置自身产生振动与噪声，并通过接头等将振动传递到油箱壁。通过监测电力变压器在正常运行或出现故障时发出的不同声音，能够更好地了解变压器的运行状况，有经验的人员可以通过辨别变压器发出的声音判断变压器当前状态，例如：“嗡嗡”声是正常运行的声响；高且沉重的“嗡嗡”声是变压器经受个别大功率电气设备的起动电流冲击或者变压器过负荷严重时的声响；“噼啪”的清脆击铁声是高压瓷套管引线通过空气对变压器外壳的放电声，是变压器油箱上部缺油所致；沉闷的“噼啪”声是高压引线通过变压器油对外壳的放电声，是变压器绝缘油的绝缘强度降低、油质急剧恶化的表现。采用技术手段对这些声音加以监测和识别，进而判断电力变压器运行状态，同时辅以变压器的历史运行情况、检修情况等实现电力变压器的状态监测，将是在变压器局部放电监测、油中溶解气体分析等方法之外的另一有效方法，同时也是已有方法的有益补充。然而，现有监测方法多采用超声波监测法，所需设备昂贵复杂且较难实现在线实时或连续检测。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足而提供一种采用音频信号作为监视信息，辅以相应的处理手段，具有设备简单，实现实时或连续检测的基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置。

本发明的技术解决方案是：基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置包括当地监听设备和远程监听程序两部分；当地监听设备由多个麦克、音频采集设备和高性能工控机组成，完成声音的当地采集、处理、存储以及上报功能。远程监听程序运行于高性能的服务器系统，通过光纤通信系统采集各间隔/子站的声音信息及报警，并与自动化系统接口。

音频采集设备是：SONY高保真拾音器SA01，DAR2000音频采集卡。

高性能工控机是：研华工控机SYS-4U4000-4A03。

高性能服务器系统是：研华工业服务器HPC-2820-ISSE。上述设备市面有售。

音频数据采集主要采用1024点DFT算法，提取各频段数据，并利用神经网络算法和专家系统对3-7天的训练数据进行分析，找出音频数据基准特征量作为判断依据。通过高音质麦克、高速音频采集卡、工控机等建立一套完整的电力变压器音频在线监测装置，利用频谱分析手段对电力变压器运行中的声音信息进行采集处理，监测音频特征量，并利用专家系统、人工神经网络等建立相应的识别机制，从而做出变压器运行状况监视和报警。同时完成声音的当地采集、处理、存储以及上报功能。音频信息识别法是一种动态无损检侧方法，可以对变压器进行在线实时或连续检测，可以检测变压器负荷情况、内部异物、绝缘破损、内部放电、绝缘油缺失、绝缘油绝缘强度降低、绝缘油油品恶化、高压套管污损、导线接触不良、断线、内部短路等多种情况。电力变压器由于其不同的类型(如电容型或电感型)、不同的制造材质、不同的体系结构、不同的制造工艺、不同的容量以及所处的不同自然环境、不同负载情况、不同的历史运行情况等，其所体现出的音频特性及发出的声音都有所不同。针对不同的电力变压器，考虑不同的影响因素，建立其音频模型，并获得合适的音频特征信息量作为本项目状态评估的基础。目前采集和处理音频信号的方法可分为两大类：(a)采集分析音频波形，对波形进行频谱分析；(b)提取/分析声音特征参数：如幅度、能量、持续时间、振铃计数等，然后对这些波形特征参数进行分析和处理。针对稳定信号的波形频谱分析常采用傅立叶变换方法。由于电力变压器所处的自然环境、设备的运行状态以及历史检修情况的不同，因此本项目对电力变压器的检修评估体系主要采用特征量判别结合人工智能的方法。目前，这方面的研究主要沿着三个方向展开：第一是建立各类专家系统。人们对基于知识的状态诊断系统已经进行了大量的研究，然而，随着研究的深入，人们发现目前专家系统仍面临许多困难，其中较为严重的问题是缺乏有效的诊断知识表达、不确定性的知识推理以及诊断知识获取困难等。第二是建立人工神经网络(ANN)。ANN基本理论是近年来重新兴起的一种人工智能方法，它为克服专家系统的缺陷开辟了一条崭新的途径。它的自学习功能、并行处理能力倍受青睐。它的分布式存储能力在状态诊断中用作知识的分布式存储，可能解决知识组合爆炸问题；其大规模并行处理能力可用于提高推理的速度，因而更适合于结构复杂、机理不十分明显的复杂设备的诊断，但其需要较强的计算能力。第三是引用模糊数学推理的理论进行状态诊断。变压器中常有一种故障存在多种表现或多种故障具有同一表现的现象，这样易引起误诊断的问题。模糊数学作为一种处理不精确信息的工具，在设备的诊断中可发挥重要作用。引用模糊数学的理论，将它应用于变压器状态诊断的研究是一种较好的尝试，但是如何确定符合国内设备状况和特点的隶属函数仍是一个需要解决的问题。本项目根据实际项目情况，综合考虑各种人工智能方法，协调评估的精确性、快速性和可行性以及性价比等多种因素，建立了一套合适的评估体系。开发应用了在线状态监测系统软件。

本发明的优点是：采用音频信号作为监视信息，能将整个电力变压器运行信息进行自动记录，配合专家系统，能够实现在线状态监视、异常情况报警、专家系统训练等功能。通过声音采集系统实时监听电力变压器运行时的声音，并通过信号处理手段提取声音信号特征，采用专家系统判断设备运行状态，可以识别设备过负荷、绝缘破损、内部放电、绝缘油缺失、导线接触不良、内部短路等多种情况。本装置提供各种报警及实时声音监听，采用的音频信息识别法目前在国内和国际的应用研究均较少，其类似的方法多采用超声波监测法，所需设备昂贵复杂且较难实现在线实时或连续检测，本装置采用常规音频采集设备辅以相应的处理手段，设备简单、易于实现且投资少，性价比高。

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是在线状态监测系统软件当地监听主界面。

图3是数据处理框图。

具体实施方式

参见图1，基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置包括服务器1，应用在线状态监测软件，实现多路/多间隔同时监听，专家系统动态监听，实时报警，报警录音及播放，大容量历史存储功能。在被监听的变压器2周围放有麦克3。

参见图3，是数据处理框图，声音源→声电转换→信号放大→信号处理→记录和显示，完成声音的当地采集、处理、存储以及上报功能。

参见图2，主要包括菜单4“监听通道标签5，其中各监听通道标签对话框中包含监听通道波形6面板和各操作按钮。

“系统”菜单4包含系统功能，其中“系统设置”菜单项功能为显示系统设置对话框，对系统进行设置。

监听通道标签5对话框中左侧“监听通道波形6”用于显示监听通道的数据波形，其波形为频域信息波形，蓝色曲线(左边上面曲线)为进行报警判别时的基准信息，绿色曲线(左边下面曲线)为当前波形信息，当两者的差的绝对值大于通道限值设定值时，产生报警，同时绿色曲线显示为红色曲线。监听通道标签5对话框中右侧为该通道对应的功能区，主要有“显示实时数据”、“报警有效”、报警内容区、“设定通道限值”、“开始正常训练”、“开始快速训练”、“开始本地监听”、“开始本地录音”、“生成专家数据”、“开始声音训练”和“查看录波文件”。“显示实时数据”选择框选中时，在“监听通道波形”图形部分显示实时采集的波形频域信息，不选中时，显示每一次进行报警判断时的波形频域信息。“报警有效”选择框选中时，进行报警判断，否则不进行报警判断。报警内容区为报警时的内容显示区，显示报警时间等，单击该区域则表示已处理本次报警。“设定通道限值”按钮，对各通道的限制进行设定。各频段限值通过限值对应的滚动条设定，频段范围为0～15kHz。“检测灵敏度”用于设定检测时的灵敏度，其对应为检测所用的时间长度，灵敏度最高时对应时间为1秒，灵敏度最低时对应时间为100秒。“限值方案”下拉框用于读取预先保存好的限值方案文件为本通道使用，可通过“保存限值方案”和“另存限值方案”将本通道当前的限值设定保存成文件。可通过“统一限值”将限值设定为一个统一值，然后对部分限值进行微调。通过“复制限制”、“粘贴限值”将本限值内容复制到粘贴板或从粘贴板粘贴。“开始正常训练”按钮用于开始新的专家系统训练，其训练周期由系统设置中的“训练周期”决定。“开始快速训练”用于开始新的快速训练，其训练周期为1小时。“开始本地监听”用于将本通道的监听声音通过音箱外放。“开始本地录音”用于手动开始或停止对通道声音的录音。“生成专家数据”用于将当前训练结果生成专家系统所需数据，这个工作一般是程序自动完成，只有在特殊情况下才需要使用“生成专家数据”功能。“开始声音训练”用于使用硬盘中的声音文件对系统进行训练。“查看录波文件”调出录波记录对话框可以对本通道或所有通道的录波文件进行播放、删除等操作。

当地监听部分软件功能：

实时多路监听：可在间隔/子站内或监听设备附近放置多个声音采集设备，或利用多个声音采集设备监听多个设备状态。

声音信号特征提取：利用信号处理算法对监听的多个声音信号特征进行分析和提取。

专家系统动态监听：利用专家系统通过历史数据训练获得设备正常工作声音基准，并作为监听依据。

实时监听：对各路声音信号实时监听并与专家系统确定的监听依据进行比较，从而获得报警信息。

历史数据保存：将实时监听的声音信号保存在本地硬盘，并可根据硬盘容量设定保存期限。

多种报警方式：单路监听报警、多路监听报警、组合报警等。

报警信息上传：将监听获得的报警信息通过通信系统上传至远程监听系统。

报警信息保存：将报警信息保存在当地硬盘，不受历史数据保存期限限制。

声音回放：回放保存期限内任意时段的声音。

灵活配置：可在当地对多路监听配置、专家系统训练时段、监听信号时窗大小、报警用信号特征、报警限值、报警产生方式、历史数据保存期限、报警信息上传方式等进行配置。

远程配置：通过通信系统接收远程监听系统对以上各配置信息的更改。

远程监听部分软件功能：

多间隔/子站状态监视：通过通信系统接收多个当地监听系统上传的信息。间隔/子站(设备)运行状态管理：实时显示各当地监听系统判别状态。

报警信息显示：实时接收并显示各当地监听系统的报警信息，并可输出给其他系统使用。

报警信息保存：对各当地监听系统的历史报警信息进行保存，并可进行查询、统计等功能。

远程配置：通过通信系统对各当地监听系统的多路监听配置、专家系统训练时段、监听信号时窗大小、报警用信号特征、报警限值、报警产生方式、历史数据保存期限、报警信息上传方式等进行配置。

自动化系统功能：报警信息、设备状态信息等可输出给其他自动化系统使用。

以下功能为高级功能(视系统情况及通信系统性能而定)：

远程声音调阅：可通过通信系统对各当地监听系统保存期限内的声音以及报警时声音进行调阅，并可保存在远程监听系统中。

实时声音调阅：可通过通信系统对各当地监听系统实时监听的声音进行调阅(本地播放)。

Claims (4)

1.一种基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置，其特征在于包括当地监听设备和远程监听程序两部分；当地监听设备由多个麦克、音频采集设备和高性能工控机组成；远程监听程序运行于高性能服务器系统。

2.按照权利要求1所述的基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置，其特征在于音频采集设备是SONY高保真拾音器和DAR2000音频采集卡。

3.按照权利要求1所述的基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置，其特征在于高性能工控机是研华工控机SYS-4U4000-4A03。

4.按照权利要求1所述的基于音频识别技术的电力变压器在线状态监测装置，其特征在于高性能服务器系统是HPC-2820-ISSE。

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