CN108535638A - 基于多层滤波器的有载分接开关机械状态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多层滤波器的有载分接开关机械状态监测方法及系统。本发明包括：获取有载分接开关切换过程中的振动信号；对振动信号进行归一化处理；对归一化后的振动信号进行离散傅里叶变换，得到振动信号的频谱分布；根据频谱分布确定品质因子，设计多层滤波器；将频谱分布输入至多层滤波器，得到多个子带信号，形成子带信号矩阵；按列计算子带信号矩阵的协方差矩阵和协方差矩阵的模极大值；计算模极大值的统计量及统计量的控制限；根据统计量对分接开关的机械状态进行判别。本发明能对变压器分接开关的机械工作状态进行诊断，有效地、准确地检测出变压器分接开关的机械状态是否发生变化，从而可对分接开关及时采取有效措施。

Description

基于多层滤波器的有载分接开关机械状态监测方法及系统

技术领域

本发明涉及分接开关机械状态监测领域，尤其是一种基于多层滤波器的变压器有载分接开关机械状态监测方法及系统。

背景技术

变压器是电力系统中最为重要的设备之一，其运行稳定性对电力系统的安全影响极大。有载分接开关是变压器的唯一可动部件，可在带负载条件下改变电压变比，实现在不断电情况下对系统电压的调节，实现补偿电压波动、调节功率、提高系统性能及改善电能质量等的重要功能。但是，随着分接开关调压次数的增多，其故障率也随之增加。有载分接开关的故障主要包括电气故障和机械故障，其中机械故障为主要故障类型，约占有载分接开关总故障的90％以上。此外，部分电气故障也是由机械故障引起的。因此，及时有效地监测和分析有载分接开关机械状态的变化，尤其是对早期机械故障隐患进行准确识别，进而采取有效的运维措施就显得十分重要，是保障有载分接开关及变压器安全运行的重要手段。

有载分接开关主要由选择开关、切换开关、电动机构和快速机构等部分组成。由分接开关的工作原理易知，在分接开关的切换过程中，动、静触头等机构部件之间的碰撞或摩擦会引起机械振动，这些机械振动经分接开关绝缘油或结构件传递至变压器油箱壁，形成振动信号。显然，该振动信号中包含了分接开关大量的机械状态信息，因此，基于振动分析法的有载分接开关机械状态监测方法引起了国内外研究人员的日益关注。该方法的最大优点是可以通过放置在变压器油箱上的振动传感器来获取分接开关切换过程中的振动信号，只要分接开关切换过程中的机械特性发生变化，都可以从振动信号中得到反映，从而大大提高了分接开关机械状态检测的灵敏度。此外，将振动传感器置于变压器箱壁上的振动检测手段安全便捷，便于实现在线监测，提高变压器有载分接开关的运行可靠性。

然而，考虑到变压器分接开关机械结构的复杂性及现场运行环境中不可避免的干扰信号的存在，如何从分接开关切换过程中的振动信号中提取出合理有效的特征指标，进而实现分接开关机械状态的准确监测一直是研究难点。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多层滤波器的变压器有载分接开关机械状态监测方法，该方法对有载分接开关切换过程中的振动信号进行实时监测，设计基于振动信号特征的多层滤波器，构建特征量矩阵，以实现有载分接开关机械状态的高效准确判断。

为实现上述发明目的，本发明采用如下的技术方案：基于多层滤波器的有载分接开关机械状态监测方法，其包括：

步骤1)，采集变压器有载分接开关切换过程中的振动信号；

步骤2)，对有载分接开关切换过程中的振动信号进行归一化处理；

步骤3)，对归一化后的振动信号进行离散傅里叶变换，得到振动信号的频谱分布；

步骤4)，根据频谱分布确定品质因子，设计多层滤波器；

步骤5)，将频谱分布输入至多层滤波器，得到多个子带信号，形成子带信号矩阵；

步骤6)，按列计算子带信号矩阵的协方差矩阵和协方差矩阵的模极大值向量；

步骤7)，计算模极大值向量的统计量及统计量的控制限；

步骤8)，根据模极大值向量的统计量对有载分接开关的机械状态进行判别。

本发明对变压器有载开关的振动信号进行基于多层滤波器的频谱分解，计算振动信号子带信号矩阵模极大值向量的统计量T，从而对有载分接开关的机械状态进行监测。

本发明的步骤2)中，对测量到的有载分接开关振动信号进行了归一化处理，实现了振动信号的无量纲化，极大简便了计算过程。

本发明的步骤4)中，考虑分接开关振动信号的非平稳特性及干扰信号的存在，根据振动信号的频谱特性，设计了多层滤波器，得到了振动信号频谱特性的多层分解结果，提高了分接开关振动信号分解的准确性。

本发明的步骤6)中，对分接开关振动信号经多层滤波器分解后得到的子带信号矩阵进行了降维处理，从而在提高计算效率的同时改善了计算精度，进而有效提高了分接开关机械状态监测的准确性。

本发明的步骤7)中，基于振动信号的统计量给出了变压器有载开关机械状态监测的定量评判标准，为变压器有载开关的检修维护提供了重要依据。

进一步地，步骤2)中，对振动信号x(k)进行归一化处理，得到归一化后的振动信号y(k)，所述的振动信号归一化计算公式为：

式中，N₀为振动信号x(k)的长度。

进一步地，步骤3)中，对振动信号y(k)进行N点离散傅里叶变换，得到振动信号y(k)的频谱分布Y(f)，所述的离散傅里叶变换公式为：

式中，N为振动信号频谱分布Y(f)的长度，且满足N＞N₀。

进一步地，步骤4)中，每层滤波器包括高通滤波器和低通滤波器，层数为J，具体过程如下：

4a.找寻振动信号频谱分布Y(f)中的所有极大值Y₁(M)，此处，M为振动信号频谱分布Y(f)中所有极大值的个数；所述极大值的确认方法如下：对振动信号频谱分布Y(f)求导数，得到序列Y_d(f)，然后计算序列Y_d(f)相邻两点的乘积pY_di(f)＝Y_di(f)×Y_d(i-1)(f)，i＝1,2,…,N-1，根据乘积pY_di(f)和序列 Y_d(f)的正负，依次寻找频谱分布Y(f)的所有极大值；

4b.计算所有极大值Y₁(M)的品质因子Q，所述品质因子Q的计算公式为

Q_i＝f_i/BW_i，i＝1,2,…,M；

式中，f_i为第i个极大值对应的频率；BW_i为第i个极大值的3dB带宽，即该极大值对应频谱中波峰第一次下降到极大值一半时对应的两个频率之差；

4c.选取所有品质因子的平均数作为初始品质因子Q₀，计算尺度变换系数α和β，其计算公式为：

4d.根据尺度变换因子α和β计算滤波器的分解层数J，确定滤波器第j层的通频段P(j)、截止频段S(j)和过渡频段T(j)，其中，j＝1,2,…,J，计算公式为：

式中，round(·)为向下取整函数；N为振动信号频谱分布Y(f)的长度；

4e.根据第j层滤波器的通频段P(j)、截止频段S(j)和过渡频段T(j)，构建第j层高通滤波器H_0,j(k)与低通滤波器H_1,j(k)，组成第j层滤波器，所述高通滤波器H_0,j(k)与低通滤波器H_1,j(k)的计算公式为：

式中，θ为滤波器的过渡频段函数，round(·)为向下取整函数。

更进一步地，步骤4a中，寻找频谱分布Y(f)的极大值的具体方法为：

(1)pY_di(f)＜0时，若pY_di(f)＜0且Y_d(i-1)(f)＞0，则Y_i-1(f)为极大值；

(2)pY_di(f)＞0时，Y_i-1(f)为非极值；

(3)pY_di(f)＝0时，若Y_i-1(f)＝0，计算两点Y_i(f)和Y_i-2(f)＝0的乘积，令pY_di(f)'＝Y_i(f)×Y_i-2(f)，若pY_di(f)'＜0且Y_i-2(f)＞0，则Y_i-1(f)为极大值。

进一步地，步骤5)中，令振动信号频谱分布Y(f)为多层滤波器的初始输入V₀(0)，即有V₀(0)＝Y(f)，依次计算多层滤波器输出的子带信号，记第j 层高通滤波器输出的高通子带信号为V₀(j)，第j层低通滤波器输出的低通子带信号为V₁(j)，其中，j＝1,2,…,J，所述的第j层高通子带信号和第j层低通子带信号计算公式为：

V₀(j)＝V₀(j-1)·H_0,j，

V₁(j)＝V₁(j-1)·H_1,j，

将第j层低通子带信号表示成矩阵的形式，为子带信号矩阵W，其中，矩阵W的行数为J+1，列数为N，矩阵W的第j列向量表示为：

进一步地，步骤6)中，计算子带信号矩阵W的协方差矩阵S和协方差矩阵S的模极大值向量u_m，具体过程如下：

6a.按列计算子带信号矩阵W的协方差矩阵S，计算公式为

式中，w_j为矩阵W的第j列向量；T为转置。

6b.取协方差矩阵S的第一列向量为模极大值向量的初始值u₀，按照以下公式进行迭代计算，得到模极大值向量u_m，所述的迭代计算公式为：

u_k+1＝Su_k/max(|u_k|)，k＝1,2,…,N

u₀＝w₁

当满足|u_k+1-u_k|＜ε时，迭代停止，其中，ε为一给定值，取对应的u_k+1为模极大值向量u_m。

进一步地，步骤7)中，所述统计量T和控制限τ的计算公式为：

τ＝t_α(J)

式中，t_α(J)为自由度为α的t分布。

进一步地，步骤8)中，根据模极大值向量的统计量T对有载分接开关的机械状态进行判别，当T高于其控制限τ时，判定有载分接开关的机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理，以避免形成重大故障。

本发明还提供一种基于多层滤波器的有载分接开关机械状态监测系统，其包括：

采集单元：采集变压器有载分接开关切换过程中的振动信号；

归一化处理单元：对有载分接开关切换过程中的振动信号进行归一化处理；

傅里叶变换单元：对归一化后的振动信号进行离散傅里叶变换，得到振动信号的频谱分布；

多层滤波器设计单元：根据频谱分布确定品质因子，设计多层滤波器；

子带信号矩阵形成单元：将频谱分布输入至多层滤波器，得到多个子带信号，形成子带信号矩阵；

模极大值向量计算单元：按列计算子带信号矩阵的协方差矩阵和协方差矩阵的模极大值向量；

统计量及其控制限计算单元：计算模极大值向量的统计量及统计量的控制限；

机械状态判别单元：根据模极大值向量的统计量对有载分接开关的机械状态进行判别。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明可以通过有载分接开关的振动信号实现其机械状态的准确监测，从而可以对有载分接开关初期故障隐患进行有效识别，进而采取有效运维策略，避免形成重大故障。

附图说明

以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明实施例1中所述监测方法的流程示意图；

图2为本发明实施例1中用来进行分接开关机械状态监测的振动信号图；

图3为本发明实施例1中多层滤波器对分接开关振动信号进行分解后得到的子带信号图；

图3a采用1-10层滤波器，图3b采用11-20层滤波器，图3c采用21-30 层滤波器。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种基于多层滤波器的有载分接开关机械状态监测方法，以某35kV变压器有载分接开关分为测试对象，对其切换过程中的振动信号进行测试，据此说明分接开关的机械状态监测方法。图1为本发明所述方法的流程示意图。

本发明所述的方法包括如下步骤：

(1)在变电站现场，在变压器有载分接开关顶部放置振动传感器，连接至振动信号采集系统，采集得到有载开关进行切换时的振动信号x(k)，其长度为N。如图2所示。

(2)对振动信号x(k)进行归一化处理，得到归一化后的振动信号y(k)，所述的振动信号归一化计算公式为：

式中，N₀为振动信号x(k)的长度。

(3)对振动信号y(k)进行N点离散傅里叶变换，得到振动信号y(k)的频谱分布Y(f)，所述的离散傅里叶变换公式为：

式中，N为振动信号频谱分布Y(f)的长度，且满足N＞N₀。

(4)根据振动信号的频谱分布Y(f)确定品质因子，设计多层滤波器，其中，每层滤波器包括高通滤波器和低通滤波器，层数为J。具体过程如下：

4a.找寻振动信号频谱分布Y(f)中的所有极大值Y₁(M)，此处，M为振动信号频谱分布Y(f)中所有极大值的个数，所述的极大值点的确认方法如下：对振动信号频谱分布Y(f)求导数，得到序列Y_d(f)，然后计算序列Y_d(f)相邻两点的乘积pY_di(f)＝Y_di(f)×Y_d(i-1)(f)，i＝1,2,…,N-1，根据乘积pY_di(f)和序列Y_d(f)的正负，依次寻找频谱分布Y(f)的所有极大值点，具体方法为

(1)pY_di(f)＜0时，若pY_di(f)＜0且Y_d(i-1)(f)＞0，则Y_i-1(f)为极大值点；

(2)pY_di(f)＞0时，Y_i-1(f)为非极值点；

(3)pY_di(f)＝0时，若Y_i-1(f)＝0，计算两点Y_i(f)和Y_i-2(f)＝0的乘积，令pY_di(f)'＝Y_i(f)×Y_i-2(f)，若pY_di(f)'＜0且Y_i-2(f)＞0，则Y_i-1(f)为极大值点。

4b.计算所有极大值Y₁(M)的品质因子Q，所述的品质因子Q的计算公式为：

Q_i＝f_i/BW_i，i＝1,2,…,M；

式中，f_i为第i个极大值对应的频率；BW_i为第i个极大值的3dB带宽，即该极大值对应频谱中波峰第一次下降到极大值一半时对应的两个频率之差。

4c.选取所有品质因子的平均数作为初始品质因子Q₀，计算尺度变换系数α和β，其计算公式为

此处，α＝0.87；β＝0.37。

4d.根据尺度变换因子α和β计算滤波器的分解层数J，确定滤波器第j层的通频段P(j)、截止频段S(j)和过渡频段T(j)，其中，j＝1,2,…,J，此处， J＝30。计算公式为

式中，round(·)为向下取整函数，N为振动信号频谱分布Y(f)的长度。

4e.根据第j层滤波器的通频段P(j)、截止频段S(j)和过渡频段T(j)，构建第j层高通滤波器H_0,j(k)与低通滤波器H_1,j(k)，组成第j层滤波器。所述的高通滤波器H_0,j(k)与低通滤波器H_1,j(k)的计算公式为

式中，θ为滤波器的过渡频段函数，round(·)为向下取整函数。

(5)令振动信号频谱分布Y(f)为多层滤波器的初始输入V₀(0)，即有 V₀(0)＝Y(f)，依次计算多层滤波器输出的子带信号，记第j层高通滤波器输出的高通子带信号为V₀(j)，第j层低通滤波器输出的低通子带信号为V₁(j)，其中，j＝1,2,…,J，所述的第j层高通子带信号和第j层低通子带信号计算公式为：

V₀(j)＝V₀(j-1)·H_0,j

V₁(j)＝V₁(j-1)·H_1,j

将第j层低通子带信号表示成矩阵的形式，为子带信号矩阵W，其中，矩阵W的行数为J+1，列数为N，矩阵W的第j列向量可表示为

(6)计算子带信号矩阵W的协方差矩阵S和协方差矩阵S的模极大值向量u_m，具体过程如下：

6a.按列计算子带信号矩阵W的协方差矩阵S，计算公式为

式中，w_j为矩阵W的第j列向量；T为转置。

6b.取协方差矩阵S的第一列向量为模极大值向量的初始值u₀，按照以下公式进行迭代计算，得到模极大值向量u_m，所述的迭代计算公式为

u_k+1＝Su_k/max(|u_k|)k＝1,2,…,N

u₀＝w₁

当满足|u_k+1-u_k|＜ε时，迭代停止，其中，ε为某一给定值，取对应的u_k+1为模极大值向量u_m。此处，ε＝0.01，共进行100次迭代。

(7)计算模极大值向量u_m的统计量T、及统计量T的控制限τ，所述的统计量T和控制限τ的计算公式为

τ＝t_α(J)

式中，t_α(J)为自由度为α的t分布。此处，T＝1.46，α＝0.1，τ＝1.31。

(8)根据有载分接开关振动信号子带信号矩阵模极大值向量的统计量T 对分接开关的机械状态进行判别，当T高于其控制限τ时，判定有载分接开关的机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理，避免形成重大故障。此处，有载分接开关振动信号子带信号矩阵最大特征值向量的统计量T为1.46，高于统计量T的控制限1.31，说明分接开关的机械状态异常。现场检修发现，有载分接开关的静触头发生了松动，从而有效验证了本发明的有效性与准确性。

实施例2

本实施例提供一种基于多层滤波器的有载分接开关机械状态监测系统，其包括：

采集单元：采集变压器有载分接开关切换过程中的振动信号；

归一化处理单元：对有载分接开关切换过程中的振动信号进行归一化处理；

傅里叶变换单元：对归一化后的振动信号进行离散傅里叶变换，得到振动信号的频谱分布；

多层滤波器设计单元：根据频谱分布确定品质因子，设计多层滤波器；

子带信号矩阵形成单元：将频谱分布输入至多层滤波器，得到多个子带信号，形成子带信号矩阵；

模极大值向量计算单元：按列计算子带信号矩阵的协方差矩阵和协方差矩阵的模极大值向量；

统计量及其控制限计算单元：计算模极大值向量的统计量及统计量的控制限；

机械状态判别单元：根据模极大值向量的统计量对有载分接开关的机械状态进行判别。

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于多层滤波器的有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，包括：

步骤1)，采集变压器有载分接开关切换过程中的振动信号；

步骤2)，对有载分接开关切换过程中的振动信号进行归一化处理；

步骤3)，对归一化后的振动信号进行离散傅里叶变换，得到振动信号的频谱分布；

步骤4)，根据频谱分布确定品质因子，设计多层滤波器；

步骤5)，将频谱分布输入至多层滤波器，得到多个子带信号，形成子带信号矩阵；

步骤6)，按列计算子带信号矩阵的协方差矩阵和协方差矩阵的模极大值向量；

步骤7)，计算模极大值向量的统计量及统计量的控制限；

步骤8)，根据模极大值向量的统计量对有载分接开关的机械状态进行判别。

2.根据权利要求1所述的有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤2)中，对振动信号x(k)进行归一化处理，得到归一化后的振动信号y(k)，所述的振动信号归一化计算公式为：

式中，N₀为振动信号x(k)的长度。

3.根据权利要求2所述的有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤3)中，对振动信号y(k)进行N点离散傅里叶变换，得到振动信号y(k)的频谱分布Y(f)，所述的离散傅里叶变换公式为：

式中，N为振动信号频谱分布Y(f)的长度，且满足N＞N₀。

4.根据权利要求3所述的有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤4)中，每层滤波器包括高通滤波器和低通滤波器，层数为J，具体过程如下：

4a.找寻振动信号频谱分布Y(f)中的所有极大值Y₁(M)，此处，M为振动信号频谱分布Y(f)中所有极大值的个数，所述极大值的确认方法如下：对振动信号频谱分布Y(f)求导数，得到序列Y_d(f)，然后计算序列Y_d(f)相邻两点的乘积pY_di(f)＝Y_di(f)×Y_d(i-1)(f)，i＝1,2,…,N-1，根据乘积pY_di(f)和序列Y_d(f)的正负，依次寻找频谱分布Y(f)的所有极大值；

4b.计算所有极大值Y₁(M)的品质因子Q，所述品质因子Q的计算公式为Q_i＝f_i/BW_i，i＝1,2,…,M

式中，f_i为第i个极大值对应的频率；BW_i为第i个极大值的3dB带宽，即该极大值对应频谱中波峰第一次下降到极大值一半时对应的两个频率之差；

4c.选取所有品质因子的平均数作为初始品质因子Q₀，计算尺度变换系数α和β，其计算公式为：

4d.根据尺度变换因子α和β计算滤波器的分解层数J，确定滤波器第j层的通频段P(j)、截止频段S(j)和过渡频段T(j)，其中，j＝1,2,…,J，计算公式为：

式中，round(·)为向下取整函数；N为振动信号频谱分布Y(f)的长度。

4e.根据第j层滤波器的通频段P(j)、截止频段S(j)和过渡频段T(j)，构建第j层高通滤波器H_0,j(k)与低通滤波器H_1,j(k)，组成第j层滤波器，所述高通滤波器H_0,j(k)与低通滤波器H_1,j(k)的计算公式为：

式中，θ为滤波器的过渡频段函数，round(·)为向下取整函数。

5.根据权利要求4所述的有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤4a中，寻找频谱分布Y(f)的极大值的具体方法为：

(1)pY_di(f)＜0时，若pY_di(f)＜0且Y_d(i-1)(f)＞0，则Y_i-1(f)为极大值；

(2)pY_di(f)＞0时，Y_i-1(f)为非极值；

(3)pY_di(f)＝0时，若Y_i-1(f)＝0，计算两点Y_i(f)和Y_i-2(f)＝0的乘积，令pY_di(f)'＝Y_i(f)×Y_i-2(f)，若pY_di(f)'＜0且Y_i-2(f)＞0，则Y_i-1(f)为极大值。

6.根据权利要求4或5所述的有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤5)中，令振动信号频谱分布Y(f)为多层滤波器的初始输入V₀(0)，即有V₀(0)＝Y(f)，依次计算多层滤波器输出的子带信号，记第j层高通滤波器输出的高通子带信号为V₀(j)，第j层低通滤波器输出的低通子带信号为V₁(j)，其中，j＝1,2,…,J，所述的第j层高通子带信号和第j层低通子带信号计算公式为：

V₀(j)＝V₀(j-1)·H_0,j，

V₁(j)＝V₁(j-1)·H_1,j，

将第j层低通子带信号表示成矩阵的形式，为子带信号矩阵W，其中，矩阵W的行数为J+1，列数为N，矩阵W的第j列向量表示为：

7.根据权利要求6所述的有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤6)中，计算子带信号矩阵W的协方差矩阵S和协方差矩阵S的模极大值向量u_m，具体过程如下：

6a.按列计算子带信号矩阵W的协方差矩阵S，计算公式为

式中，w_j为矩阵W的第j列向量；T为转置；N为列数；

6b.取协方差矩阵S的第一列向量为模极大值向量的初始值u₀，按照以下公式进行迭代计算，得到模极大值向量u_m，所述的迭代计算公式为：

当满足|u_k+1-u_k|＜ε时，迭代停止，其中，ε为一给定值，取对应的u_k+1为模极大值向量u_m。

8.根据权利要求7所述的有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤7)中，所述统计量T和控制限τ的计算公式为：

式中，t_α(J)为自由度为α的t分布。

9.根据权利要求8所述的有载分接开关机械状态监测方法，其特征在于，步骤8)中，根据模极大值向量的统计量T对有载分接开关的机械状态进行判别，当T高于其控制限τ时，判定有载分接开关的机械状态发生变化，此时需要及时进行检修处理。

10.基于多层滤波器的有载分接开关机械状态监测系统，其特征在于，包括：

采集单元：采集变压器有载分接开关切换过程中的振动信号；

归一化处理单元：对有载分接开关切换过程中的振动信号进行归一化处理；

傅里叶变换单元：对归一化后的振动信号进行离散傅里叶变换，得到振动信号的频谱分布；

多层滤波器设计单元：根据频谱分布确定品质因子，设计多层滤波器；

子带信号矩阵形成单元：将频谱分布输入至多层滤波器，得到多个子带信号，形成子带信号矩阵；

模极大值向量计算单元：按列计算子带信号矩阵的协方差矩阵和协方差矩阵的模极大值向量；

统计量及其控制限计算单元：计算模极大值向量的统计量及统计量的控制限；

机械状态判别单元：根据模极大值向量的统计量对有载分接开关的机械状态进行判别。