CN108181579B - 一种换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种换流变分接开关振动‑电磁波联合在线监测方法。采集分接开关顶部的振动信号，采集开断电弧激发的电磁波信号；对采集到的振动信号和电磁波信号进行去噪处理；利用正常分接开关动作时的电磁波信号确定电磁信号分析时小波系数的阈值；利用正常分接开关动作时的振动信号确定振动信号分析时小波系数的阈值；利用待检测分接开关动作时的电磁波信号确定分接开关触头动作时间和小波系数；利用待检测分接开关动作时的振动信号确定分接开关各阶段的动作时间和小波系数；根据触头动作时间和小波系数对待检测分接开关的运行状态进行分析。本发明可以有效解决单纯使用振动信号难以准确关联换流变分接开关动作事件的问题，准确监测换流变分接开关的运行状态，保证直流输电系统的稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于电气设备在线监测技术领域，尤其涉及一种换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法。
背景技术
换流变压器是直流输电工程中换流和逆变两端接口的核心设备，它的运行状态直接关系到整个电网的安全可靠运行。分接开关是在换流变压器运行过程中，通过改变绕组的匝数比，维持阀侧直流电压恒定不变，补偿电压波动的设备，它的安全运行是换流变压器可靠运行的关键。与交流变压器分接开关相比，换流变分接开关的调压范围更大，档距更小，切换电流陡度和恢复电压都比同等电流和级电压参数的交流变压器大。因此，换流变压器分接开关的技术难度和可靠性要求都大于交流变压器分接开关。实现换流变分接开关运行状态的准确检测对于保障直流输电系统的安全运行具有重要意义。
目前，换流变分接开关的在线监测技术主要是通过监测换流变分接开关的振动信号，当分接开关存在故障隐患时，由于分接开关动作而引起的振动信号与正常状态时相比会有所不同，测录分接开关的振动信号，并对其进行分析就可以初步反映换流变分接开关的运行状态。
然而，由于分接开关操作产生的振动信号并不总是表现出一致的波形，单独使用振动信号难以准确定位分接开关触头动作时间，难以完全并准确解释分接开关操作中的每个动作事件(一种常见的动作事件顺序为：驱动电机动作，传动轴动作，弹簧储能释放，主通断触头开断，选择器动触头离开定触头，选择器动触头合上相邻触头，主通断触头闭合)，同时，由于不同类型的分接开关的结构不同，因此几乎不可能发展出一般化的振动信号解释方案。
分接开关触头开断时会产生电弧并激发出电磁波信号，通过电磁波天线可以实现电弧发生时间的准确检测，从而在时域准确定位分接开关触头动作事件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，旨在解决单纯使用振动信号难以准确关联换流变分接开关动作事件的问题。
本发明采用以下技术方案以实现上述发明目的。
一种换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
通过对换流变分接开关振动信号和电磁波信号的采集，判断分接开关是否正常工作，并给出分析结果。
一种换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于，所述在线监测方法包括如下步骤：
(1)在换流变分接开关换挡过程中，通过振动信号采集装置采集分接开关顶部的振动信号，通过电磁波天线采集开断电弧激发的电磁波信号；
(2)对采集到的振动信号和电磁波信号进行去噪处理；
(3)基于正常运行的换流变分接开关电磁波信号，确定主通断触头动作时的小波系数阈值；
(4)基于正常运行的换流变分接开关的振动信号，确定换流变分接开关各动作阶段动作开始时的小波系数阈值；其中，所述换流变分接开关各动作阶段包括以下7个动作阶段：驱动电机动作，传动轴动作，弹簧储能释放，主通断触头开断，选择器动触头离开定触头，选择器动触头合上相邻触头，主通断触头闭合；
(5)利用电磁波信号和步骤(3)中确定的阈值，提取分接开关主通断触头动作时间以及该时间点的电磁波信号幅值；
(6)基于主通断触头的动作时间对振动信号进行解释，利用振动信号和步骤(4)中确定的阈值，提取分接开关各个动作阶段的时间和振动信号幅值；
(7)结合步骤(5)、(6)获得的分接开关主通断触头动作时间以及对应的电磁波信号幅值，和分接开关各个动作阶段的时间以及对应的振动信号幅值，与正常状态下的振动信号进行对比，判断分接开关是否正常工作，并给出分析结果。
本发明进一步包括以下优选方案：
在步骤(1)中，所述振动信号采集装置为加速度传感器，将加速度传感器安装在换流变顶盖上；将电磁波天线安装在靠近切换触头的换流变侧壁上。
在步骤(2)中，采用滤波的方式对振动信号和电磁波信号进行去噪处理。
在步骤(2)中，对于采集到的电磁波信号，采用巴特沃斯数字滤波器将300MHz以下的电磁波、870-900MHz的电磁波滤除。
在步骤(2)中，针对机械振动信号x(t)的滤波处理，通过找出其局部最大值点和局部最小值点，再利用三次样条函数分别对这些局部最大值点和局部最小值点进行插值得到x(t)的上包络u(t)和下包络l(t)；令m1(t)＝[u(t)+l(t)]/2，则m1(t)为上下包络的均值；再令h1(t)＝x(t)-m1(t)从而完成一次迭代，检查h1(t)是否为单分量信号，若h1(t)是单分量信号，则分解结束，如h1(t)不是单分量信号，则继续上述迭代过程，直到hk(t)满足单分量信号条件，令hk(t)＝c1(t),c1(t)即是第一个单分量成分，令x2(t)＝x(t)-c1(t)重复上述过程直至得到所有的单分量信号c1(t),…,ck(t)；由于c1(t)和c2(t)中含有白噪声75％的分量，在分解完成后，舍弃c1(t)和c2(t)实现机械振动信号的滤波；
在步骤(3)中，针对电磁波信号，采用小波分析提取触头动作时间点：
给定一个基本函数φ(t)令
式中，a,b均为常数，a>0确定了小波函数的时域宽度，b确定了小波函数在时域的位置，即信号分析时的时间中心,设获得的电磁波信号为y(t),则y(t)的小波变换为
上式中WTy即为小波系数，φ(t)为母小波，φ*(t)是对φ(t)取复数共轭，针对电磁波信号选用db12小波作为提取触头动作时间的母小波；当电磁波信号发生突变时，小波分解系数将随之变化；获得主通断触头在正常状态下的动作时间和小波系数WTer，设置主通断触头动作时的小波系数阈值，当小波分解系数大于阈值时判断主通断触头动作，其中，主通断触头动作时的小波系数阈值设置为WTe＝0.8×WTer。
在步骤(4)中，针对振动信号，利用小波分析提取分接开关正常动作时各阶段的动作时间，选用db8小波作为基函数，获得分接开关正常动作时各动作阶段的动作时间和小波系数WTmr(i),i＝1,…,7；将换流变分接开关各动作阶段动作开始时的小波系数阈值设置为WTm(i)＝0.8×WTmr(i),i＝1,…,7；其中，1-7依次表示驱动电机动作、传动轴动作、弹簧储能释放、主通断触头开断、选择器动触头离开定触头、选择器动触头合上相邻触头、主通断触头闭合7个换流变分接开关动作阶段。
在步骤(5)中，针对待检测分接开关的电磁波信号，利用小波分析(小波基函数为db12)，结合步骤(3)中获得的主通断触头动作时的小波系数阈值WTe，提取主通断触头的动作时间和电磁波信号的小波系数。
在步骤(6)中，针对待检测分接开关的振动信号，利用小波分析(小波基函数为db8),结合步骤(4)中获得的换流变分接开关各动作阶段动作开始时的小波系数阈值WTm(i),i＝1,…,7，提取分接开关各个动作阶段的动作时间和振动信号小波系数；
在步骤(7)中，结合步骤(5)(6)获得的分接开关主通断触头动作时间、分接开关各个动作阶段的时间以及对应的电磁波信号幅值、振动信号幅值，与正常状态下的振动信号进行对比，判断的依据如下：
1)传动轴动作时间延后：存在传动轴卡滞故障，或存在驱动电机卡滞故障；
2)弹簧储能释放阶段小波系数变小：存在弹簧疲劳故障，或存在弹簧断裂故障；
3)主通断触头闭合时间延后：分接开关内部机械结构存在卡滞故障；
4)分接开关主通断主通断触头动作时电磁波信号的小波系数的波动大于30％WTer：主通端触头出现较严重的老化磨损；
5)电磁波信号与振动信号确定的主通断触头动作时间错位：分接开关内部机构出现严重的松动和卡滞故障，或振动监测系统出现故障，或电磁波监测系统出现故障。
本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法将电磁波监测技术用于分接开关触头动作时间的确定，可以有效解决单纯使用振动信号难以准确关联换流变分接开关动作事件的问题。利用振动加速度传感器和电磁波天线，非介入的获得分接开关机械振动和电弧特征，实现换流变分接开关运行状态的准确在线监测，保障直流输电系统的安全可靠运行。
附图说明
图1是本发明换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法流程示意图。
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，以下结合实施例，对本发明进行进一步的详细说明。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。
如附图1所示为本发明换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法流程示意图，所述换流变分接开关振动-电磁波联合在线状态监测方法包括以下步骤：
步骤1：换流变分接开关换挡过程中，通过振动信号采集装置采集分接开关顶部的振动信号，通过电磁波天线采集开断电弧激发的电磁波信号。其中，监测换流变分接开关振动信号的加速度传感器安装在分接开关顶盖。由于顶盖的振动信号是从振源经机械结构传播，故在顶盖可以获得包含丰富状态信息的振动信号。传感器的检测频带为1Hz-20kHz，测量范围±80g。监测电弧信号的电磁波天线安装在切换触头旁侧，与通过电流信号监测触头动作时间相比，本方法不用对换流变压器的接地引线进行改装。传感器的监测频带为300MHz-1.5GHz，在通带的驻波比小于3。在本实施例中采用力科公司生产的640Zi示波器进行信号的采集，该示波器的采样率为40GS/s，带宽为4GHz，能够满足电磁波信号采集的要求。完成数据采集后将数据输入计算机进行信号处理。
步骤2：对采集到的振动信号和电磁波信号进行去噪处理
本发明实施例首先采用以下技术手段对获得的振动信号和电磁波信号进行滤波处理：
针对电磁波信号，考虑到现场存在的电磁干扰，本方法对300MHz以下的电磁波(主要是现场的电晕)、870-900MHz的电磁波(主要是手机信号)选用巴特沃斯数字滤波器进行滤波处理。
针对机械振动信号x(t)的滤波处理，通过找出其局部最大值点和局部最小值点，再利用三次样条函数分别对这些局部最大值点和局部最小值点进行插值得到x(t)的上包络u(t)和下包络l(t)；令m1(t)＝[u(t)+l(t)]/2，则m1(t)为上下包络的均值；再令h1(t)＝x(t)-m1(t)从而完成一次迭代，检查h1(t)是否为单分量信号，若h1(t)是单分量信号，则分解结束，如h1(t)不是单分量信号，则继续上述迭代过程，直到hk(t)满足单分量信号条件，令hk(t)＝c1(t),c1(t)即是第一个单分量成分，令x2(t)＝x(t)-c1(t)重复上述过程直至得到所有的单分量信号c1(t),…,ck(t)；由于c1(t)和c2(t)中含有白噪声75％的分量，在分解完成后，舍弃c1(t)和c2(t)实现机械振动信号的滤波；其中，单分量信号用以下两个条件进行判定：即(1)在其时间区间里，其极值点数目和过零点数目应该相等，或最多相差一个；(2)在其时间区间内的任一点，分别由信号的局部最大和局部最小定义的上、下包络的均值为零。
步骤3：基于正常运行的换流变分接开关电磁波信号，确定主通断触头动作时的小波系数阈值
给定一个基本函数φ(t)令
式中，a,b均为常数，a>0确定了小波函数的时域宽度，b确定了小波函数在时域的位置，即信号分析时的时间中心,设获得的电磁波信号为y(t),则y(t)的小波变换为
上式中WTy即为小波系数，φ(t)为母小波，φ*(t)是对φ(t)取复数共轭，针对电磁波信号选用db12小波作为提取触头动作时间的母小波；当电磁波信号发生突变时，小波分解系数将随之变化；获得主通断触头在正常状态下的动作时间和小波系数WTer，设置主通断触头动作时的小波系数阈值为WTe＝0.8×WTer。
步骤4：基于正常运行的换流变分接开关的振动信号，确定换流变分接开关各动作阶段动作开始时的小波系数阈值；其中，所述换流变分接开关各动作阶段包括以下7个动作阶段：驱动电机动作，传动轴动作，弹簧储能释放，主通断触头开断，选择器动触头离开定触头，选择器动触头合上相邻触头，主通断触头闭合；
针对振动信号，利用小波分析提取分接开关正常动作时各阶段的动作时间，选用db8小波作为基函数，获得振动阶段的动作时间和小波系数WTmr(i),i＝1,…,7，将阈值设置为WTm(i)＝0.8×WTmr(i),i＝1,…,7。
步骤5：利用电磁波信号和步骤3中确定的阈值，提取分接开关主通断触头动作时间以及该时间点的电磁波信号幅值：
针对待检测分接开关的电磁波信号，利用小波分析(小波基函数为db12)，结合阈值WTe，提取主通断触头的动作时间和小波系数。
步骤6：基于主通断触头的动作时间对振动信号进行解释，利用振动信号和步骤4中确定的阈值，提取分接开关各个动作阶段的时间和振动信号幅值
针对待检测分接开关的振动信号，利用小波分析(小波基函数为db8),结合上述步骤中获得的阈值WTm(i),i＝1,…,7，提取分接开关各个动作阶段的动作时间和小波系数。
步骤7：利用分析得到的开关触头动作时间以及对应的电磁波信号幅值、振动信号幅值，与正常状态下的振动信号进行对比，判断的依据如下：
1)传动轴动作时间延后：存在传动轴卡滞故障，或存在驱动电机卡滞故障；
2)弹簧动作阶段幅值变小：存在弹簧疲劳故障，或存在弹簧断裂故障；
3)主通断阶段时间延后：分接开关内部机械结构存在卡滞故障；
4)主通断阶段电磁波信号的小波系数的波动大于30％WTer：主通端触头出现较严重的老化磨损；
5)电磁波信号与振动信号确定的主通断触头动作时间错位：分接开关内部机构出现严重的松动和卡滞故障，或振动监测系统出现故障，或电磁波监测系统出现故障。
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 (11)
1.一种换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于，所述在线监测方法包括如下步骤：
(1)在换流变分接开关换挡过程中，通过振动信号采集装置采集分接开关顶部的振动信号，通过电磁波天线采集开断电弧激发的电磁波信号；
(2)对采集到的振动信号和电磁波信号进行去噪处理；
(3)基于正常运行的换流变分接开关电磁波信号，确定主通断触头动作时的小波系数阈值；
(4)基于正常运行的换流变分接开关的振动信号，确定换流变分接开关各动作阶段动作开始时的小波系数阈值；其中，所述换流变分接开关各动作阶段包括以下7个动作阶段：驱动电机动作，传动轴动作，弹簧储能释放，主通断触头开断，选择器动触头离开定触头，选择器动触头合上相邻触头，主通断触头闭合；
(5)利用电磁波信号和步骤(3)中确定的阈值，提取分接开关主通断触头动作时间以及该时间点的电磁波信号幅值；
(6)基于主通断触头的动作时间对振动信号进行解释，利用振动信号和步骤(4)中确定的阈值，提取分接开关各个动作阶段的时间和振动信号幅值；
(7)结合步骤(5)、(6)获得的分接开关主通断触头动作时间以及对应的电磁波信号幅值，和分接开关各个动作阶段的时间以及对应的振动信号幅值，与正常状态下的振动信号进行对比，判断分接开关是否正常工作，并给出分析结果。
2.根据权利要求1所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(1)中，所述振动信号采集装置为加速度传感器，将加速度传感器安装在换流变顶盖上；将电磁波天线安装在靠近切换触头的换流变侧壁上。
3.根据权利要求1所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(2)中，对于采集到的电磁波信号，采用巴特沃斯数字滤波器将300MHz以下的电磁波、870-900MHz的电磁波滤除。
4.根据权利要求1或3所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(2)中，所述振动信号，表示为x(t)，针对振动信号x(t)的滤波处理，通过找出其局部最大值点和局部最小值点，再利用三次样条函数分别对这些局部最大值点和局部最小值点进行插值得到x(t)的上包络u(t)和下包络l(t)；令m1(t)＝[u(t)+l(t)]/2，则m1(t)为上下包络的均值；再令h1(t)＝x(t)-m1(t)从而完成一次迭代，检查h1(t)是否为单分量信号，若h1(t)是单分量信号，则分解结束，如h1(t)不是单分量信号，则继续上述迭代过程，直到hk(t)满足单分量信号条件，令hk(t)＝c1(t),c1(t)即是第一个单分量成分，令x2(t)＝x(t)-c1(t)重复上述过程直至得到所有的单分量信号c1(t),…,ck(t)；由于c1(t)和c2(t)中含有白噪声75％的分量，在分解完成后，舍弃c1(t)和c2(t)实现振动信号的滤波。
5.根据权利要求1所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(3)中，针对电磁波信号，采用小波分析提取触头动作时间点：
给定一个基本函数φ(t)令
式中，a,b均为常数，且a>0,设获得的电磁波信号为y(t),则y(t)的小波变换为
上式中WTy即为小波系数，φ(t)为母小波，针对电磁波信号选用db12小波作为提取触头动作时间的母小波；当电磁波信号发生突变时，小波分解系数将随之变化；获得主通断触头在正常状态下的动作时间和小波系数WTer，设置主通断触头动作时的小波系数阈值，当小波分解系数大于阈值时判断主通断触头动作，其中，主通断触头动作时的小波系数阈值设置为WTe＝0.8×WTer。
6.根据权利要求1或5所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(4)中，针对振动信号，利用小波分析提取分接开关正常动作时各阶段的动作时间，选用db8小波作为基函数，获得分接开关正常动作时各动作阶段的动作时间和小波系数WTmr(i)，i＝1,…,7；将换流变分接开关各动作阶段动作开始时的小波系数阈值设置为WTm(i)＝0.8×WTmr(i),i＝1,…,7；其中，1-7依次表示驱动电机动作、传动轴动作、弹簧储能释放、主通断触头开断、选择器动触头离开定触头、选择器动触头合上相邻触头、主通断触头闭合7个换流变分接开关动作阶段。
7.根据权利要求5所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(5)中，针对待检测分接开关的电磁波信号，利用小波分析结合步骤(3)中获得的主通断触头动作时的小波系数阈值WTe，提取主通断触头的动作时间和电磁波信号的小波系数。
8.根据权利要求5或7所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(5)中，选择小波基函数为db12，结合步骤(3)中获得的主通断触头动作时的小波系数阈值WTe，提取主通断触头的动作时间和电磁波信号的小波系数。
9.根据权利要求6所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(6)中，针对待检测分接开关的振动信号，利用小波分析,结合步骤(4)中获得的换流变分接开关各动作阶段动作开始时的小波系数阈值WTm(i),i＝1,…,7，提取分接开关各个动作阶段的动作时间和振动信号小波系数。
10.根据权利要求9所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(6)中，在利用小波分析时，选择小波基函数db8。
11.根据权利要求1所述的换流变分接开关振动-电磁波联合在线监测方法，其特征在于：
在步骤(7)中，结合步骤(5)(6)获得的分接开关主通断触头动作时间、分接开关各个动作阶段的时间以及对应的电磁波信号幅值、振动信号幅值，与正常状态下的振动信号进行对比，判断的依据如下：
1)传动轴动作时间延后：存在传动轴卡滞故障，或存在驱动电机卡滞故障；
2)弹簧储能释放阶段小波系数变小：存在弹簧疲劳故障，或存在弹簧断裂故障；
3)主通断触头闭合时间延后：分接开关内部机械结构存在卡滞故障；
4)分接开关主通断触头动作时电磁波信号的小波系数波动大于正常值的30％：主通端触头出现较严重的老化磨损；
5)电磁波信号与振动信号确定的主通断触头动作时间错位：分接开关内部机构出现严重的松动和卡滞故障，或振动监测系统出现故障，或电磁波监测系统出现故障。
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