CN105681095A - 一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法，包括以下步骤：利用双声道音频信号采集设备采集变电站室内声音；根据左右声道信号，计算音频信号的角度信息，构建信号时序图和角度图；根据信号时序图和角度图判断信号的平稳特性，根据平稳特性进行设备故障诊断；本发明计算过程简单，不需要对声音信号进行分帧处理即能够进行设备运行状态的识别，而且在远程监视的同时增添了声音采集的功能，并使声音信号达到了可视化程度。

Description

一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法

技术领域

本发明涉及一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法。

背景技术

作为电力系统电压转换以及电能分配的电力设施，变电站一般通过变压器将各级电压的电网联系起来。为了保证电网的安全和稳定运作，需要实时对变电站进行巡检以避免安全隐患的发生。巡检的主要对象为变电站的各个设备，变电站的主要设备是一、二次设备，一般分为户外和室内。户外的设备是一次设备，像断路器、刀闸、主变、架空线等，都是带电的设备。室内的设备主要是一些保护屏，监控屏、通讯屏、电池柜以及后台机等^[1]。

随着网络以及通信技术的发展，目前变电站的发展越来越趋于智能化和自动化。而且大多数变电站采用无人值守的方式来代替人工巡检，通过集中监控或者远程多媒体监视实现对变电站内的设备状况进行直观分析和判断。虽然这种巡检方式较人工巡检改进了很多，但是也只是对现场一些信息的采集，并不进行分析和处理。鉴于此，智能巡检机器人进行变电站设备检测越来越普及，通过机器人自身携带的采集装置来对现场的一些设备进行实时监控，并通过无线网络将采集到的信息(图像、信号)传输到控制台进行分析并处理。

对于室内变电站来说，大部分都为屏体设备，可通过图像采集的方式进行状态分析和监控。但是对于电池柜，由于涉及到其它设备的供电，对于整个变电站室内设备的安全至关重要。如果只使用图像采集的方式进行分析并无法判断电池的状态，因此选择其它的方式进行辅助判断很有必要。在正常工作状态中，电池柜中并没有异常声音产生，但是如果有故障发生，则会产生异常声音，例如由于放电导致的“噼噼啪啪”等异常声音。因此可以通过声音采集设备来辅助判断变电站室内设备的状态，从而实现了远程检测。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法，本方法通过对双声道音频信号采集设备采集的音频信息进行分析，基于信号角度特征判断变电站室内设备状态，不需要对声音信号进行分帧处理即能够进行设备运行状态的识别，而且在远程监视的同时增添了声音采集的功能，并使声音信号达到了可视化程度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法，包括以下步骤：

(1)利用双声道音频信号采集设备采集变电站室内声音；

(2)根据左右声道信号，计算音频信号的角度信息，构建信号时序图和角度图；

(3)根据信号时序图和角度图判断信号的平稳特性，根据平稳特性进行设备故障诊断。

所述步骤(2)中，音频信号的角度信息大小通过对两个声道信号的比值进行反正切计算得到。

所述步骤(2)中，根据两个声道信号，画出信号时序图，根据音频信号的角度信息，构建角度特征图。

所述步骤(3)中，如果信号角度图在短时间内并没有稳定在某个幅值处，幅值随机变化不稳定，震荡幅度超过0.15弧度，而且所得到的角度幅值正负性随机变化，判断为该信号角度特征表现出剧烈的震荡性，则变电站内设备有故障。

所述步骤(3)中，通过得到的震荡角度图，采用盲源分离方法来提取出故障信号的特征，并判断故障的发生位置。

一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断系统，包括采集模块、角度特征提取模块、故障诊断模块和建图模块，其中：

所述采集模块，用于利用双声道音频信号采集设备采集变电站室内声音；

所述角度特征提取模块，用于根据左右声道信号，计算音频信号的角度信息；

所述建图模块，用于根据左右声道信号和角度信息，构建信号时序图和角度图；

所述故障诊断模块，用于根据信号时序图和角度图判断信号的平稳特性，进行设备故障诊断。

所述故障诊断模块，通过得到的震荡角度图，采用盲源分离方法来提取出故障信号的特征，并判断故障的发生位置。

所述角度特征提取模块，通过对两个声道信号的比值进行反正切计算得到音频信号的角度信息大小。

本发明的有益效果为：

(1)室内机器人通过自身携带的双声道声音采集设备对设备发出的声音进行采集并传输至后方操作台，利用信号处理的方法得到信号的角度信息，从而直观判断出信号的运行状态；

(2)计算过程简单，不需要对声音信号进行分帧处理即能够进行设备运行状态的识别，而且在远程监视的同时增添了声音采集的功能，并使声音信号达到了可视化程度；

(3)操作方便和可实现性强，而且处理方法简单，按照现有的信号处理方法，在进行音频特征提取时需要对信号进行短时傅立叶变换、进行训练集采集等一系列处理方法，而本发明只需要一个双声道信号采集器和简单的信号运算过程就可以得到角度特征，工程应用中操作起来简易可行，在保证正确巡检结果的前提下提高效率。

附图说明

图1为本发明的采集到的双声道信号时序图；

图2为本发明的采集信号的角度图；

图3为本发明的异常双声道信号时序图；

图4为本发明的异常信号的角度图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

对于室内变电站来说，大部分都为屏体设备，可通过图像采集的方式进行状态分析和监控。但是对于电池柜，由于涉及到其它设备的供电，对于整个变电站室内设备的安全至关重要。如果只使用图像采集的方式进行分析并无法判断电池的状态，因此选择其它的方式进行辅助判断很有必要。在正常工作状态中，电池柜中并没有异常声音产生，但是如果有故障发生，则会产生异常声音，例如由于放电导致的“噼噼啪啪”等异常声音。因此可以通过声音采集设备来辅助判断变电站室内设备的状态，从而实现了远程检测。

通过对变电站室内工作环境以及电力巡检机器人的结构进行综合分析，鲁能智能公司采用携带双声道音频信号采集设备的室内机器人进行日常设备巡检。机器人通过自带的采集器将设备的声音进行采集处理，并将信号传输到后台操控室，然后经过一系列信号处理与分析，进而判断设备的工作状态。

变电站室内设备中，电池柜作为存储电池的主要保护装置，可以通过电池连接线在必要的时候对设备进行充电。电池柜中的电池在工作过程中由于电流的运动会产生一定的声音，可以采用人工智能的方式通过对该声音进行采集从而对设备状态进行监测。正常工作状态下，电池进行充放电所发出的声音很小，甚至人耳无法感知到。但是一旦发生状态故障，则会产生异常信号。因此可以通过对采集到的音频信号进行分析来判断电池柜中的电池的工作状态。

在室内变电站，机器人沿着轨道对电池柜所发出的声音进行采集并传输到后台，通过运用信号处理的方法进行分析并判断，从而获取该设备的工作状态。以正常工作中的电池柜为例，机器人采集到的音频设备的双声道信号时序图如图1所示。

从图1中的时序图中可以看出，采集到的左右两个声道的声音信号没有比较明显的特征。但是根据信号的产生以及采集原理，通过双声道设备进行某种声音信号的采集，则所得到的角度比较稳定，一般情况下不会发生比较明显的变化。如果有异常状况发生，导致信号中有异常噪声的混合，则相应的信号角度不会表现出平稳特性。依据此原理，我们可以将角度特征作为判断设备运行状态的一个指标。

对于采集到的双声道音频信号x(t)，左声道信号和右声道信号分别表示为x_L(t)和x_R(t),则音频信号的角度信息可由下式得到：

${\mathrm{ang}}_x=atan\left(\frac{x_L\left(t\right)}{x_R\left(t\right)}\right)---\left(1\right)$

对图1中的信号按照公式(1)进行计算并仿真，可得到角度图如图2所示。

音频信号的角度信息大小可通过对两个声道信号的比值进行反正切计算得到。对于任何音频信号来讲，尽管信号的幅度大小是随着时间而变化的，但是其在短时间内仍然具有比较平稳的特征，这个时间段约为这个时间段约5ms-50ms。在本发明中以设备信号的角度作为特征来判断该设备的工作状态。在变电站室内设备正常运行时，一般产生的音频信号是比较微弱的，而且通常为机械振动产生的，因此角度特征具有短时平稳性。具体表现为计算得到的信号角度在短时间内稳定在一个值上，或者变化幅度比较小。但是对于发生故障的室内设备来讲，一般设备产生故障会产生电磁电容泄漏引起的放电现象，而且放电的部位和频次是无法预知的，这种现象所产生的声音与设备正常工作的声音信号相比虽然不同，但是在时序图上并没有明显差别。在经过角度特征计算后，正常信号的角度信息和导致设备异常的故障信号混合在一起，则无法得到比较平稳的角度特征图。具体表现在通过计算得到的角度值在短时间内震荡幅度过大，而且角度值有正有负。如果信号角度图表现出剧烈的震荡性，则变电站内设备有故障。此外，还可以通过得到的震荡角度图，采用盲源分离等信号处理的方法来提取出故障信号的特征，并判断故障的发生位置，以此来监测设备的运行状态。

从图2中可以看出，尽管所采集到的信号在其它值处会有稍微的震荡，但是基本稳定在0.7854处，这正好与声音信号的短时平稳性相吻合。也就是说在10-30ms内声音信号特性基本上是不变的，或者变化很缓慢。但是如果在正常声音信号中混入了异常声音，则采集到的信号时序图以及角度图分别如图3和图4所示。

从图3以及图1中可以看出，异常信号与正常信号的时序图没有明显区别，无法以此判断设备的运行状态。但是从图4中可以看出，异常信号的角度图并没有比较明显的短时平稳特征，而是表现出剧烈的震荡性，因此可利用采集信号的角度信息进行设备状态的判断。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)利用双声道音频信号采集设备采集变电站室内声音；

(2)根据左右声道信号，计算音频信号的角度信息，构建信号时序图和角度图；

(3)根据信号时序图和角度图判断信号的平稳特性，根据平稳特性进行设备故障诊断。

2.如权利要求1所述的一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法，其特征是：所述步骤(2)中，音频信号的角度信息大小通过对两个声道信号的比值进行反正切计算得到。

3.如权利要求1所述的一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法，其特征是：所述步骤(2)中，根据两个声道信号，画出信号时序图，根据音频信号的角度信息，构建角度特征图。

4.如权利要求1所述的一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法，其特征是：所述步骤(3)中，如果信号角度图在短时间内并没有稳定在某个幅值处，幅值随机变化不稳定，震荡幅度超过0.15弧度，而且所得到的角度幅值正负性随机变化，判断为该信号角度特征表现出剧烈的震荡性，则变电站内设备有故障。

5.如权利要求1所述的一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断方法，其特征是：所述步骤(3)中，通过得到的震荡角度图，采用盲源分离方法来提取出故障信号的特征，并判断故障的发生位置。

6.一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断系统，其特征是：包括采集模块、角度特征提取模块、故障诊断模块和建图模块，其中：

所述采集模块，用于利用双声道音频信号采集设备采集变电站室内声音；

所述角度特征提取模块，用于根据左右声道信号，计算音频信号的角度信息；

所述建图模块，用于根据左右声道信号和角度信息，构建信号时序图和角度图；

所述故障诊断模块，用于根据信号时序图和角度图判断信号的平稳特性，进行设备故障诊断。

7.如权利要求6所述的一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断系统，其特征是：所述故障诊断模块，通过得到的震荡角度图，采用盲源分离方法来提取出故障信号的特征，并判断故障的发生位置。

8.如权利要求6所述的一种基于音频特征提取的室内变电站设备故障判断系统，其特征是：所述角度特征提取模块，通过对两个声道信号的比值进行反正切计算得到音频信号的角度信息大小。