CN107727344A

CN107727344A - 一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法

Info

Publication number: CN107727344A
Application number: CN201710817073.3A
Authority: CN
Inventors: 冯军基; 王伟; 张鑫; 王楠; 魏菊芳
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd; Electric Power Research Institute of State Grid Tianjin Electric Power Co Ltd
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2018-02-23
Anticipated expiration: 2037-09-12
Also published as: CN107727344B

Abstract

本发明涉及一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，其技术特点是：设定冲撞记录仪采样频率并记录不同时间点上的三维空间方向的加速度数据；将三维空间方向的加速度数据导出，计算合成加速度序列并获取可能发生严重冲撞的时间段；利用db4小波对合成加速度进行多级小波分解，得到逼近信号和细节信号；根据各级信号能量占比与最大加速度进行综合判断，确定变压器是否收到严重冲击。本发明实现大型电力变压器运输过程中冲击、振动信号的分析功能，排除了运输途中高频信号的干扰，能够有效评估运输途中颠簸、冲撞等因素对设备造成的影响，提高冲撞记录仪数据分析的有效性，有效辅助运输人员提高冲撞记录数据分析的准确性。

Description

一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法

技术领域

本发明属于变压器评估技术领域，尤其是一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法。

背景技术

大型电力变压器制造完成后，从厂内到安装现场，中间要经过长途的运输。为了监测电力变压器在运输过程中是否遭受到大的冲击和振动，采用在电力变压器身上安装三维冲撞记录仪的方法。设备运输到现场后，根据记录仪所记录的数据，分析设备在运输过程中的是否受到大的冲击。如果未受到大的冲击，可以继续进行现场安装工作；若受到大的冲击，则要对变压器进行进一步的检查和测试。

三维冲撞记录仪内置三轴加速度传感器，能够记录随时间变化的加速度值，存储于SD卡中供运输后分析。由于运输途中路况及环境复杂，记录数据中混杂高频的振动信号、干扰信号，如果直接根据上述数据判断的话，可能对评估的准确性造成一定的影响，因此迫切需要采用可靠的数据分析方法过滤出对设备产生损害的有效信号并评估相应信号对所运输设备造成的影响。

发明内容

本发明的目地在于克服现有技术的不足，提出一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，解决记录数据中混杂高频的振动信号、干扰信号对评估准确性造成的影响。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，包括以下步骤：

步骤1、在变压器运输过程中，设定冲撞记录仪采样频率并记录不同时间点上的三维空间方向的加速度数据；

步骤2、将三维空间方向的加速度数据导出，计算合成加速度序列并获取可能发生严重冲撞的时间段；

步骤3、利用db4小波对合成加速度进行多级小波分解，得到逼近信号和细节信号；

步骤4、根据各级信号能量占比与最大加速度进行综合判断，确定变压器是否收到严重冲击。

所述步骤1冲撞记录仪的采样频率f_c设定为：320Hz≤f_c≤1280Hz。

所述三维空间方向的加速度数据包括：三维坐标x、y、z方向上的加速度序列分别为其中，N为各坐标方向上记录的总点数，a_x(k),a_y(k),a_z(k)分别为时间点k对应的x、y、z方向上的加速度。

所述步骤2的确定方法为：根据三维空间方向的加速度数据计算合成加速度序列在计算机中以时间为横轴，加速度值为纵轴绘制合成加速度a随时间t的变化波形，加速度值以g＝9.8m/s²为单位；将时间序列中满足加速度||a||＞2.5g的区间，记为在这M个时间区间内有较大概率发生危及变压器安全的冲撞事件。

所述步骤3的具体实现方法为：对M个可能发生严重冲撞的时间区间取并集得到L个不重叠区间，在时间区间Ti(i＝1,2,…,L)上采用db4小波对信号进行分解，得到在每段时间区间Ti上的逼近信号a_J和细节信号d_J,d_J-1,...,d₁；小波分解的级数J根据采样频率fc并由下式确定：

根据逼近信号和细节信号计算各级信号的小波能量，逼近信号的能量为E_a，细节信号的能量分别为E_J,E_J-1,...,E₁，计算低频信号能量占比对于所有的时间区间Ti，如果存在加速度||a||＞5g且该时间区间内低频信号能量占比p_i＞0.7，则判断变压器在该时间区间受到严重冲击。

本发明的优点和积极效果是：

本发明采用通过db4小波对可能发生严重冲撞的时间段的合成加速度进行多级小波分解，通过各级信号能量占比与最大加速度进行综合判断，从而实现大型电力变压器运输过程中冲击、振动信号的分析，解决了变压器运输过程中冲击、振动信号的分析问题，排除了运输途中高频信号的干扰，能够有效评估运输途中颠簸、冲撞等因素对设备造成的影响，提高冲撞记录仪数据分析的有效性，有效辅助运输人员提高冲撞记录数据分析的准确性。

附图说明

图1是本发明的分析过程流程图；

图2是本发明的加速度曲线中可能发生严重冲击的区间选取示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。

一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，其设计原理为：

在冲击过程中，变压器加速度近似按照正弦半波规律变化，当最大加速度达到2.5g～5g(g＝9.8m/s²)时，就可能导致变压器等大型设备内部元件产生损伤，引起损伤的信号频率约在2～40Hz。陆运中产生的加速度信号频率约在2～350Hz之间，海运中加速度信号频率约在2～33Hz之间。为保证信号采样的质量，考虑记录仪的一般技术参数，变压器运输前将冲撞记录仪的采样频率设定为f_c(320Hz≤f_c≤1280Hz)，可记录的信号频率范围为0～f_c/2。在运输过程中开启冲撞记录仪，记录不同时间点上三维空间方向的加速度值，到达设备安装现场后，三维坐标x、y、z方向上的加速度序列分别为其中，N为各坐标方向上记录的总点数，a_x(k),a_y(k),a_z(k)分别为时间点k对应的x、y、z方向上的加速度。

将冲撞记录仪通过数据线与电脑连接，导出时间与x、y、z方向加速度的数据。计算合成加速度序列在计算机中以时间为横轴，加速度值为纵轴绘制合成加速度a随时间t的变化波形，加速度值以g＝9.8m/s²为单位。取时间序列中满足加速度||a||＞2.5g的区间，记为(t以秒为单位)，在这M个时间区间内有较大概率发生危及变压器安全的冲撞事件，区间选取方法如图2所示。

为使小波分析区间能够容纳2Hz的正弦半波，对加速度||a||＞2.5g的每个区间向两侧各扩展125ms，并计算扩展后各区间的并集，记时间区间的并集(为L个不重叠区间)。在时间区间Ti(i＝1,2,…,L)上采用Daubechies4小波(又称db4小波)对信号A进行分解。小波分解的级数J(即分解尺度)根据采样频率fc由下式确定：

在每段时间区间Ti上对合成加速度进行J级小波信号分解后得到逼近信号a_J和细节信号d_J,d_J-1,...,d₁等J+1个信号波形，计算各级信号的小波能量。各级信号的频率范围如下：

d₁:f_c/4～f_c/2；d₂:f_c/8～f_c/4；d₃:f_c/16～f_c/8；d₄:f_c/32～f_c/16，当J＝3时，a₃:0～f_c/16，320Hz≤f_c＜640Hz；当J＝4时，a₃:0～f_c/32，640Hz≤f_c≤1280Hz，可以看出，逼近信号包含了0～20Hz范围内信号的全部能量。计算逼近信号的能量为E_a，细节信号的能量分别为E_J,E_J-1,...,E₁。最后计算低频信号能量占比

对于所有的时间区间Ti(i＝1,2,…,L)，低频信号能量占比越高，信号所含能量转化为设备损伤的能力越强。如果存在加速度||a||＞5g且对应的低频信号能量占比p_i＞0.7，则判断变压器在该时间区间受到严重冲击，需要进行详细检查。

基于上述设计原理，基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、运输过程信号采集：在变压器运输过程中，设定冲撞记录仪采样频率并记录不同时间点上的三维空间方向的加速度数据。

变压器运输前将冲撞记录仪的采样频率设定为f_c(320Hz≤f_c≤1280Hz)，在运输过程中开启冲撞记录仪，记录不同时间点上三维空间方向的加速度值，到达设备安装现场后，三维坐标x、y、z方向上的加速度序列分别为其中，N为各坐标方向上记录的总点数，a_x(k),a_y(k),a_z(k)分别为时间点k对应的x、y、z方向上的加速度。

步骤2、确定可能发生严重冲撞的时间段：将三维空间方向的加速度数据导出，计算合成加速度序列并获取可能发生严重冲撞的时间段。

将冲撞记录仪通过数据线与电脑连接，导出时间与x、y、z方向加速度的数据。计算合成加速度序列在计算机中以时间为横轴，加速度值为纵轴绘制合成加速度a随时间t的变化波形，加速度值以g＝9.8m/s²为单位。取时间序列中满足加速度||a||＞2.5g的区间，记为(t以秒为单位)，在这M个时间区间内有较大概率发生危及变压器安全的冲撞事件。

步骤3、加速度信号的小波分解：利用db4小波对合成加速度进行多级小波分解，得到逼近信号和细节信号。

对M个可能发生严重冲撞的时间区间取并集得到L个不重叠区间，在时间区间Ti(i＝1,2,…,L)上采用Daubechies4小波(又称db4小波)对信号A进行分解。小波分解的级数J(即分解尺度)根据采样频率fc由下式确定：

步骤4、结合冲撞能量分析进行判断：根据各级信号能量占比与最大加速度进行综合判断，确定变压器是否收到严重冲击。

在每段时间区间Ti上对合成加速度进行J级小波信号分解后得到逼近信号a_J和细节信号d_J,d_J-1,...,d₁等J+1个信号波形，计算各级信号的小波能量。逼近信号的能量为E_a，细节信号的能量分别为E_J,E_J-1,...,E₁。最后计算低频信号能量占比对于所有的时间区间Ti，如果存在加速度||a||＞5g且对应的低频信号能量占比p_i＞0.7，则判断变压器在该时间区间受到严重冲击，需要进行详细检查。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤4、根据各级信号能量占比与最大加速度进行综合判断，确定变压器是否受到严重冲击。

2.根据权利要求1所述的一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，其特征在于：所述步骤1冲撞记录仪的采样频率f_c设定为：320Hz≤f_c≤1280Hz。

3.根据权利要求1所述的一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，其特征在于：所述三维空间方向的加速度数据包括：三维坐标x、y、z方向上的加速度序列分别为其中，N为各坐标方向上记录的总点数，a_x(k),a_y(k),a_z(k)分别为时间点k对应的x、y、z方向上的加速度。

4.根据权利要求1所述的一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，其特征在于：所述步骤2的确定方法为：根据三维空间方向的加速度数据计算合成加速度序列在计算机中以时间为横轴，加速度值为纵轴绘制合成加速度a随时间t的变化波形，加速度值以g＝9.8m/s²为单位；将时间序列中满足加速度||a||＞2.5g的区间，记为在这M个时间区间内有较大概率发生危及变压器安全的冲撞事件。

5.根据权利要求1所述的一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，其特征在于：所述步骤3的具体实现方法为：对M个可能发生严重冲撞的时间区间取并集得到L个不重叠区间，在时间区间Ti(i＝1,2,…,L)上采用db4小波对信号进行分解，得到在每段时间区间Ti上的逼近信号a_J和细节信号d_J,d_J-1,...,d₁；小波分解的级数J根据采样频率fc并由下式确定：

6.根据权利要求1所述的一种基于小波能量法的变压器冲撞记录数据分析方法，其特征在于：根据逼近信号和细节信号计算各级信号的小波能量，逼近信号的能量为E_a，细节信号的能量分别为E_J,E_J-1,...,E₁，计算低频信号能量占比对于所有的时间区间Ti，如果存在加速度||a||＞5g且该区间内低频信号能量占比p_i＞0.7，则判断变压器在该时间区间受到严重冲击。