CN106597266B - 一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法，测量有载分接开关本体的多路振动信号、驱动电机电流信号，通过端点识别算法与混合信号分离算法对多路振动信号进行有效信号提取，通过相空间重构法以及几何分布特征提取对有载分接开关的多个运行状态进行特征提取，并建立相应的特征库；基于特征库根据有载分接开关的振动信息判断有载分接开关的运行状态，识别故障种类；并采用希尔伯特变换根据有载分接开关驱动电机电流信号的电流包络线判断驱动电机故障；本发明提供的这种有载分接开关故障监测方法，建立了多种主流有载分接开关的振动信号库，具有简单且故障识别率高的特点。

Description

一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，更具体地，涉及一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法。

背景技术

有载调压变压器在电力系统中发挥了联络电网、调节有功与无功潮流以及稳定负荷中心电压的重要作用,在电网中具有广泛的应用,通常在高压输电变压器上和重要负载的配电变压器上施行有载调压。有载分接开关是有载调压变压器的部件之一。依靠有载分接开关准确及时的动作,不仅可减少和避免电压的大幅度波动,而且可以强制分配负荷潮流,挖掘设备无功和有功出力,保证电力系统安全可靠运行,增加电网调度的灵活性。有载分接开关的制造质量和运行、检修技术水平直接关系到有载调压变压器的运行安全。因此研究有效的有载分接开关故障监测技术有着十分重要的意义。

中国专利CN201210525518.8中公布了一种有载分接开关运行状态的监测方法，对有载分接开关振动信号进行分析，利用相空间重构技术，计算其相空间点的密度分布曲线，实现对有载分接开关故障情况进行判断；中国专利CN20130346646.0公布了一种有载分接开关机械状态的监测方法，该方法测量有载分接开关的振动信号，并对振动信号进行相空间重构，利用聚类分析的方法对有载分接开关的故障情况进行判断；上述有载分接开关的监测方法多是利用振动信号的非线性对其进行相空间重构，在相空间重构的基础上对其振动情况进行分析；并利用电流信号、驱动电机旋转角度等信号进行辅助判断，对有载分接开关的运行状态进行监测；其主要的问题在于：都是直接对有载分接开关混合振动信号进行分析，现场应用识别率较低。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法，其目的在于通过建立有载分接开关故障特征信息库，由此提高故障识别的准确度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法，包括如下步骤：

(1)从有载分接开关采集振动信号，并对采集到的振动信号进行分离，获得有载分接开关的振动信号、变压器振动信号、铁芯振动信号三个独立的振动信号；

(2)通过相空间重构获取有载分接开关的振动信号的几何分布特征参数：

(3)模拟有载分接开关正常运行与故障运行，采用步骤(1)～(2)的方法获各种运行状态下的振动信号的几何分布特性参数；根据该几何分布特性参数建立有载分接开关的特征参数库，并建立每种运行状态的正态隶属度函数；

(4)根据上述正太隶属度函数建立振动信号与运行状态的对应关系；根据对应关系建立有载分接开关故障信息特征库。

优选地，上述基于多参量的有载分接开关故障监测方法，还包括如下步骤：

(5)根据采集到的电流信号判定有载分接开关是否发生故障；根据振动信号与故障信息特征库确定故障类型。

优选地，上述基于多参量的有载分接开关故障监测方法，其步骤(5)包括如下子步骤：

(5.1)采集有载分接开关正常运行以及故障运行情况下的电流信号；利用希尔伯特变换求取各运行状态下的电流信号的包络线；

(5.2)将有载分接开关正常状态下的包络线与故障状态下的包络线进行比较，根据比较结果设定有载分接开关电流信号的故障阈值；

(5.3)在故障判定中，根据采集到的电流信号判定有载分接开关是否发生故障；并根据振动信号与故障信息特征库确定故障类型。

优选地，上述基于多参量的有载分接开关故障监测方法，其步骤(1)包括如下子步骤：

(1.1)利用三路振动传感器分别从有载分接开关采集振动信号；

(1.2)对采集到的三路振动信号进行混合信号分离，获得有载分接开关的振动信号、变压器振动、铁芯振动三个独立的振动信号；

由于利用传感器采集到的振动信号混含有变压器本体与铁心振动，对采集到的振动信号使用混合信号分离算法，将杂糅在其中的各种振动信号区分出来，以提取有载分接开关本身的振动信号；可采用盲源分离算法作为混合信号分离算法；盲源分离算法是基于原始信号统计独立性，在原始信号未知的情况下从混合信号中分离出原始信号的一种算法。

优选地，上述基于多参量的有载分接开关故障监测方法，其步骤(2)包括如下子步骤：

(2.1)利用互信息法与虚假临近点法对有载分接开关的振动信号进行相空间重构，获得振动信号的相空间重构图谱；

其中，互信息法用于度量多变量概率密度函数中各分量相互独立的程度；常用KL(Kullback-Leibler)熵的值作为多变量独立程度度量的判断依据；

虚假邻点法是相空间重构技术中求取嵌入维数的方法，相空间重构图形会随着嵌入维数的增加而逐渐展开，计算随着嵌入维数的增加点与点之间的距离的变化，由此甄别出非临近点；

(2.2)根据相空间重构维数以及振动信号的幅值大小，采用与重构维数相同的超球体作为相空间重构图谱的参考区域；

其中，超球体的球心坐标为振动信号的均值、球体半径为振动信号的标准差；

(2.3)在参考区域内均匀选取N个点，计算相空间重构图谱中每个点到这N个点距离之和，并将这些距离之和累加求平均，获得振动信号的几何分布特征参数；其中，N为正整数。

优选地，上述基于多参量的有载分接开关故障监测方法，其步骤(3)包括如下子步骤：

(3.1)模拟有载分接开关正常运行与各类故障运行，采用步骤(1)～(2)的方法获各种运行状态下的振动信号的几何分布特性参数；

(3.2)计算同一振动模式下几何分布特征参数值的均值与标准差；

(3.3)根据振动信号的几何分布特征参数、同一振动模式下几何分布特征参数值的均值与标准差建立有载分接开关的特征参数库；并以均值和标准差作为参数建立各运行状态的正态隶属度函数。

优选地，上述基于多参量的有载分接开关故障监测方法，其步骤(4)包括如下子步骤：

(4.1)将有载分接开关的振动信号的几何分布特征参数代入正态隶属度函数，计算振动信号对应每种运行状态的隶属度值；

(4.2)将所述隶属度值中的最大值所对应的运行状态为振动信号所对应的运行状态，获得振动信号与运行状态的对应关系；

(4.3)根据有载分接开关各种运行状态下的所述对应关系建立有载分接开关故障信息特征库。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的基于多参量的有载分接开关故障监测方法，与现有技术通过对振动信号直接分析来进行故障判断的方法不同，是利用混合信号分离的手段先将振动信号进行预处理，将不能反应有载分接开关的运行状态的其他振动信号剔除后再进行几何分布特征参数提取，通过几何分布特征参数与特征库参数进行匹配识别故障类型；由此大大提高了故障识别的准确度；

(2)本发明提供的基于多参量的有载分接开关故障监测方法，针对各类有载分接开关建立有载分接开关故障特征库；将采集到的振动信号进行相空间重构，提取几何分布特征参数，与特征库参数进行匹配，来识别出故障类型；利用本方法不仅能识别出故障，还能能够有效识别出故障类型，包括触头松动，触头掉落，触头磨损、弹簧储能不足等多种有载分接开关典型故障；

(3)本发明提供的基于多参量的有载分接开关故障监测方法，利用相空间重构图谱的几何特性，能够识别有载分接开关的多种故障；与现有的监测方法相比具有抗干扰能力强，识别率高，故障识别种类多的优点；

(4)本发明提供的基于多参量的有载分接开关故障监测方法，将振动信号故障识别与电流信号故障识别两种手段相结合：当振动信号无法有效的对故障进行判断时，通过对比实际电流信号包络线幅值与故障阈值来辅助判断有载分接开关的故障，具有可靠性高的特点。

附图说明

图1是本发明提供的基于多参量的有载分接开关故障监测方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法，基于振动信号与电流信号特征提取的多参量综合诊断有载分接开关故障，并建立了有载分接开关的故障信息特征库；利用有载分接开关在正常运行的情况下电流信号的幅值稳定在一定范围内的特点，当电流在某段时间内出现大幅度波动则判定有载分接开关发生故障。对于振动信号而言，虽然有载分接开关的振动属于非线性运动，难以用数学函数进行精确的表达，但是对于正常情况以及各个故障情况而言，它的振动模式是相对稳定的，利用相空间重构并对其重构图谱的几何分布特征参数进行求解将这种相对稳定的振动模式通过定量的方式进行表达，并通过对电流信号以及振动信号的分析获得有载分接开关的运行状况以及故障信息，并建立与各有载分接开关对应的故障信息特征库。

图1所示，是本发明实施例提供的基于多参量的有载分接开关故障监测方法的流程图，以下结合图1与具体实施例进行具体阐述；实施例提供的这种状态监测方法，包括如下步骤：

(1)电流信号分析：

利用传感器采集有载分接开关正常运行以及故障运行情况下的电流信号，利用希尔伯特变换对有载分接开关调压换挡过程中的电流信号求取包络线；并将有载分接开关正常运行下的包络线与故障运行下的包络线进行比较，根据比较结果设定有载分接开关正常运行的电流信号包络线范围及故障阈值。

(2)利用混合信号分离提取振动信号：

在实际运行过程中，振动传感器所采集得到的信号不仅包含有载分接开关本体的振动信号，还包括变压器本体及铁芯的振动；根据混合信号分离原理，采集信号的数量应当至少与独立信号源一致；利用三路振动传感器分别从有载分接开关采集振动信号，并对采集到的振动信号进行混合信号分离，获得有载分接开关的振动信号、变压器振动、铁芯振动三个独立的振动信号。

(3)获取振动信号的几何分布特征参数：

利用互信息法与虚假临近点法对有载分接开关的振动信号进行相空间重构，获得振动信号的相空间重构图谱；对于重构图谱，根据相空间重构维数以及振动信号的幅值大小、指定与重构维数相同的超球体作为参考区域；

其中，超球体的球心坐标为振动信号的均值、球体半径为振动信号的标准差；

在参考区域内均匀选取N个点，计算振动信号重构图谱中每个点到这N个点距离之和，并将这些距离之和累加求平均，获得振动信号的几何分布特征参数。

(4)建立有载分接开关的振动信号特征参数库：

分别模拟有载分接开关正常运行与在各故障情况，采用步骤(2)～(3)的方法获得振动信号的几何分布特性参数；

针对正常运行以及每种故障情况，计算每一次振动信号的几何分布特征参数值，并计算同一振动模式下几何分布特征参数值的均值与标准差；

根据几何分布特征参数值、同一振动模式下几何分布特征参数值的均值与标准差建立有载分接开关的特征参数库；并以均值和标准差作为参数建立每种运行状态的正态函数，即正态隶属度函数。

(5)根据电流信号判定有载分接开关故障，并建立振动信号与运行状态的对应关系：

采集有载分接开关的振动信号与电流信号；提取电流信号的包络线；通过将包络线与故障阈值进行比较来判定有载分接开关故障情况；

计算有载分接开关的振动信号的几何分布特征参数，将几何分布特征参数代入正态隶属度函数，计算振动信号对于每一种运行状态的隶属度值，并对所得到的隶属度值进行排序，其中隶属度值最大的对应的运行状态即为振动信号所对应的运行状态。

(6)建立有载分接开关故障特征库：

实施例中，采用华明和MR的有载分接开关进行模拟测试，采集正常运行及故障运行下的有载分接开关的振动信号及电流信号；结合振动信号与电流信号，根据步骤(5)的方法建立有载分接开关故障信息特征库；

本实施例中所建立的特征信息库如表1所示；需要说明的是：本发明所建立的特征信息库包括但不限于表1所包括的有载分接开关；

表1实施例中有载分接开关型号及参数列表

将本发明提供的上述有载分接开关故障监测方法应用到实际监测时，采集有载分接开关工作状态下的电流信号以及振动信号，首先通过采集到的电流信号包络线与故障阈值来判断是否发生故障；然后根据振动信号的几何分布特征参数与有载分接开关故障信息特征库进行匹配，确定故障种类；有载分接开关振动特征参数库建立过程中，每种运行状况的样本数越多，故障识别率越高高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)从有载分接开关采集振动信号，并将采集到的振动信号中的变压器振动信号、铁芯振动信号分离出去，获得有载分接开关的振动信号；

(2)通过相空间重构获取有载分接开关的振动信号的几何分布特征参数：所述步骤(2)包括如下子步骤：

(2.1)利用互信息法与虚假临近点法对有载分接开关的振动信号进行相空间重构，获得振动信号的相空间重构图谱；

(2.2)根据相空间重构维数以及振动信号的幅值大小，采用与重构维数相同的超球体作为所述相空间重构图谱的参考区域；

其中，超球体的球心坐标为振动信号的均值、球体半径为振动信号的标准差；

(2.3)在所述参考区域内均匀选取N个点，计算相空间重构图谱中每个点到这N个点距离之和，并将这些距离之和累加求平均，获得振动信号的几何分布特征参数；其中，N为正整数；

(3)模拟有载分接开关正常状态与故障状态，采用步骤(1)～(2)的方法获各种运行状态下的振动信号的几何分布特性参数；根据所述几何分布特性参数建立有载分接开关的特征参数库，并建立每种运行状态的正态隶属度函数；

(4)根据所述正态 隶属度函数建立振动信号与运行状态的对应关系；根据所述对应关系建立有载分接开关故障信息特征库。

2.如权利要求1所述的有载分接开关故障监测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

(5)根据采集到的电流信号判定有载分接开关是否发生故障；根据振动信号与故障信息特征库确定故障类型。

3.如权利要求2所述的有载分接开关故障监测方法，其特征在于，所述步骤(5)包括如下子步骤：

(5.1)采集有载分接开关正常运行以及故障运行状态下的电流信号；利用希尔伯特变换求取各运行状态下的电流信号的包络线；

(5.2)将有载分接开关正常状态下的包络线与故障状态下的包络线进行比较，根据比较结果设定有载分接开关电流信号的故障阈值；

(5.3)采集有载分接开关运行时的振动信号与电流信号，根据采集到的电流信号的包络线集结合所述故障阈值判定有载分接开关是否发生故障；并通过将有载分接开关的振动信号与故障信息特征库进行匹配来确定故障类型。

4.如权利要求1或2所述的有载分接开关故障监测方法，其特征在于，所述步骤(1)包括如下子步骤：

(1.1)利用三路振动传感器分别从有载分接开关采集振动信号；

(1.2)对采集到的三路振动信号进行混合信号分离，剔除变压器振动信号、铁芯振动信号，获得有载分接开关的振动信号。

5.如权利要求1或2所述的有载分接开关故障监测方法，其特征在于，所述步骤(3)包括如下子步骤：

(3.1)模拟有载分接开关正常运行与各类故障运行，采用步骤(1)～(2)的方法获各种运行状态下的振动信号的几何分布特性参数；

(3.2)计算同一振动模式下几何分布特征参数值的均值与标准差；

(3.3)根据振动信号的几何分布特征参数、同一振动模式下几何分布特征参数值的均值与标准差建立有载分接开关的特征参数库；并以均值和标准差作为参数建立各运行状态的正态隶属度函数。

6.如权利要求1或2所述的有载分接开关故障监测方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下子步骤：

(4.1)将有载分接开关的振动信号的几何分布特征参数代入正态隶属度函数，计算振动信号对应每种运行状态的隶属度值；

(4.2)将所述隶属度值中的最大值所对应的运行状态为振动信号所对应的运行状态，获得振动信号与运行状态的对应关系；

(4.3)根据有载分接开关各种运行状态下的所述对应关系建立有载分接开关故障信息特征库。