CN109613423B

CN109613423B - 基于振动信号的高压断路器在线监测和故障分析系统

Info

Publication number: CN109613423B
Application number: CN201811556750.1A
Authority: CN
Inventors: 秦国锋; 胡岳
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: CN109613423A

Abstract

本发明涉及一种基于振动信号的高压断路器移动式监测和故障分析系统，包括移动终端和用于实时采集高压断路器振动信号的振动变送器，该振动变送器安装于高压断路器的外侧，并与移动终端通过无线方式传输采集的振动信号，移动终端包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由处理器执行的程序，处理器执行程序时实现对采集的三轴时域振动信号进行FFT变换，处理得到振动信号时域图谱和振动信号频域图谱，并基于振动信号时域图谱和振动信号频域图谱进行故障诊断，输出诊断结果。与现有技术相比，本发明不仅可以随身方便携带和操作简单，而且可以实时与服务器进行交互，将重要的数据信息上传至服务器，也保证了系统的安全。

Description

基于振动信号的高压断路器在线监测和故障分析系统

技术领域

本发明涉及高压断路器维护领域，尤其是涉及一种基于振动信号的高压断路器在线监测和故障分析系统。

背景技术

高压断路器作为一种绝缘装置，它在电网的发电、输电以及配电环节中起着非常重要的作用：控制和保护电网中的其他设备。一旦高压断路器发生故障，则会影响整个电力系统的正常运转，造成巨大损失。

在国家电网公司提出高压断路器的检修方式应该有定期检修转变成状态检修，并可以实现在线监测和简单的故障判别要求后，目前已经有很多基于振动信号的高压断路器的在线监测和故障判别方法研究了，其中的一些研究利用一些市场上或者自主设计的振动信号采集设备在现场采集信号并保存在存储卡中，然后将采集的振动信号数据带回实验室，利用信号处理技术对其进行处理，提取特征信息，然后用人工智能类算法建立故障判别模型，将这些特征信息输入获取故障类型；还有一些开发了用于高压断路器在线监测和故障判别的windows应用程序，每次检测时，通过USB连接的方式将振动信号采集设备与笔记本电脑连接起来，然后打开笔记本上的客户端程序即可进行操作，能够在现场实时的进行故障检测。

然而不管是需要带回的采集设备还是现场操作的笔记本电脑都是比较大体积的，并不是很方便进行随身携带，而且对于临时接受的检修任务，检修人员还需要去公司收拾携带设备才可前去现场。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于振动信号的高压断路器在线监测和故障分析系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于振动信号的高压断路器移动式监测和故障分析系统，包括移动终端和用于实时采集高压断路器振动信号的振动变送器，该振动变送器安装于高压断路器的外侧，并与移动终端通过无线方式传输采集的振动信号，所述移动终端包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤S1：当需要进行数据采集时，向振动变送器发送巡检命令数据帧，并监听由振动变送器返回的用于保证命令是否成功执行的巡检命令回传数据；

步骤S2：当收到的巡检命令回传数据表示命令成功执行时，持续接收由振动变送器发送的含有振动信号的数据帧，并解析得到三轴时域振动信号；

步骤S3：对三轴时域振动信号进行FFT变换，处理得到振动信号时域图谱和振动信号频域图谱；

步骤S4：基于振动信号时域图谱和振动信号频域图谱进行故障诊断，并输出诊断结果。

所述步骤S3具体包括：

步骤S31：基于三轴时域振动信号获得时间-振动信号数值数组；

步骤S32：基于时间-振动信号数值数组获得频率-振动信号数值数组；

步骤S33：基于时间-振动信号数值数组生成振动信号时域图谱；

步骤S34：基于频率-振动信号数值数组生成振动信号频域图谱。

所述步骤S31具体包括：

步骤S311：基于三轴时域振动信号得到各振动信号数值对应的时间点；

步骤S312：若存在时间点上行缺失的振动信号数值，在数组该序号元素处以前一序号的振动信号数值填充得到时间-振动信号数值数组。

所述步骤S32具体包括：

步骤S321：判断一次振动检测的按时间排序的所有振动信号数值是否为2的整数次方，若为否，则增大至2的整数次方数，并对补充的振动信号填补为0；

步骤S322：将填补好的排好序的振动信号数值输入到基2的DIT-FFT算法模型中，获得经过变换而来的复数结果，包含实数部分和复数部分；

步骤S323：再将该输出结果输入到求模函数中，就可以得到一个实数数组，再根据采样率和数值总数求出每个值对应的频率值，从而得到频率-振动信号数值数组。

所述巡检命令数据帧包括：

帧头，长度为1个字节；

帧长度，长度为2个字节，用于表示帧类型、数据类型和采集时长的长度；

帧类型，长度为1个字节；

数据类型，长度为1个字节；

采集时长，长度为2个字节；

CRC校验信息，长度为2个字节。

所述巡检命令回传数据包括：

帧头，长度为1个字节；

帧长度，长度为2个字节，用于表示帧类型和状态信息的长度；

帧类型，长度为1个字节；

状态信息，长度为1个字节，用于表征命令成功或失败；

CRC校验信息，长度为2个字节。

所述无线方式为蓝牙连接的方式。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)不仅可以随身方便携带和操作简单，而且其安装的SIM卡可以为其支持4G网络，从而我们可以实时与服务器进行交互，将重要的数据信息上传至服务器，也保证了系统的安全。

2)该款APP在采集信号时，使用手机自带的蓝牙方式与振动变送器进行数据通讯，方便快捷的完成信号采集工作。

3)实现振动检测结果的可视化呈现，清晰明了的把握该次振动检测结果。

附图说明

图1为本发明实施例中系统整体功能框架图；

图2为本申请实施例中用户注册流程示意图；

图3为本申请实施例中用户登陆流程示意图；

图4为本申请实施例中振动检测流程示意图；

图5为振动信号时域图谱示意图；

图6为振动信号频域图谱示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本申请核心是在于基于一个基于手机端APP的断路器振动信号采集与分析系统。该APP功能系统主要包含用户注册登录、设备信息管理、数据中心管理、振动检测和检测记录管理五个模块，其中最为主要的模块是振动检测模块，该模块的功能是完成高压断路器振动信号的实时采集与分析工作，这个工作由一系列的步骤组成：建立连接、采集信号、解析数据包、进行FFT变换、保存检测记录文件、展示时域和频域图谱。该系统的整个功能框架如下图1所示。

一种基于振动信号的高压断路器移动式监测和故障分析系统，包括移动终端和用于实时采集高压断路器振动信号的振动变送器，该振动变送器安装于高压断路器的外侧，并与移动终端通过无线方式传输采集的振动信号，移动终端包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由处理器执行的程序，如图4所示，处理器执行程序时实现以下步骤：

首先，需要建立连接，采用振动变送器安装于高压断路器外面用于实时采集其振动信号，振动变送器与手机端APP通过蓝牙连接的方式建立连接，以自定义的通讯协议进行数据传送。

其次，进行参数设置：在手机端APP与振动变送器建立连接后，两者可以通过自定义的通讯协议进行通讯，设置相应的参数。手机端APP可以根据通讯协议向振动变送器发送获取传感器采集参数命令数据帧获取振动变送器采集参数，振动变送器在接收到该命令数据帧后向手机端APP发送传感器参数返回数据帧，告知手机端APP当前采集参数，两者的数据帧格式分别如表1和表2所示。

表1

表2

在获取得到振动变送器的采集参数后，用户需要对其设置新的参数，则可以通过手机端APP的参数设置界面输入新的参数值，然后点击设置参数按钮，这样手机端APP会根据通讯协议向振动变送器发送设置传感器采集参数命令数据帧，振动变送器在接收到该命令数据帧后向手机端APP发送传感器参数设置返回数据帧，以通知手机端APP设置新的采集参数是否成功，两者的数据帧格式分别如表3和表4所示。

表3

表4

在参数设置或者采集信号过程中，若想要振动变送器恢复初始状态，则可以在手机端APP中点击复位按钮，这样手机端APP会向振动变送器发送复位命令数据帧，振动变送器在接收到该命令数据帧后进行复位工作，然后向手机端APP发送复位命令返回数据帧，以通知手机端APP是否成功复位，两者的数据帧格式分别如表5和表6所示。

表5

表6

然后就开始采集信号，具体如下：

具体的，完成振动变送器采集参数设置后，点击开始采集按钮，手机端APP会向振动变送器发送巡检命令数据帧告知振动变送器该次检测需要采集的数据类型和时长，振动变送器接收到该数据帧后，会发送巡检命令回传数据帧告知手机端APP该次检测是否成功进行，如若成功，振动变送器便会开始按照设定的采集参数进行采集，在这个过程中，每采集一组数据便会以数据主动上传数据帧的形式发送给手机端APP，直至采集结束停止数据帧发送。这三个数据帧的格式如表7、表8和表9所示。

表7

表8

表9

即：在用户点击了采集按钮后，手机端APP跳转到振动信号采集页面，同时打开对蓝牙连接端口的输入监听，并一直保持监听等待数据包到达。由于一次振动检测获取的振动信号会由多个数据包组成，所以需要将获取的多个数据包先完成拼接再进行解析。

当手机端APP监听到第一个数据包到达时，通过获取其中的数据包总数字段值得知该次检测所有振动信号分拆的数据包数目，以保证接收到所有的数据包并在最早的时间点关闭输入监听进行后续工作；再者根据数据包序号字段值和帧长度字段值获取携带的数据点，按照顺序依次加入List中。对于后续到达的数据包，先获取数据包总数字段与之前获取的该字段值进行比较，若不一致则取出现次数最高的那个数据包总数值，再根据数据包序号和帧长度字段值获取携带的数据点，按照顺序依次加入到List中，对于中间存在缺失的数据点，用获取的前一个数据点数值进行填充，保证整体的准确性以及错误点的显示。在获取完最后一个数据包后，关闭蓝牙连接端口的输入监听，对拼接而来的List进行解析，按顺序分别获取X轴、Y轴和Z轴方向振动信号，将其依次保存。

步骤S3：对三轴时域振动信号进行FFT变换，处理得到振动信号时域图谱和振动信号频域图谱，FFT变换是一种信号处理技术，它能够将信号从时域转换到频域，从而表现出信号自身的重要特征，具体包括：

步骤S31：基于三轴时域振动信号获得时间-振动信号数值数组，具体包括：

步骤S32：基于时间-振动信号数值数组获得频率-振动信号数值数组，具体包括：

对于每次检测，都需要生成其检测记录文件，以备用户后续时间的查看。然而并不是所有的检测记录文件都是需要保存在服务器中的，因此，程序会在本地生成一个专属文件夹存放每次检测生成的检测记录文件。

检测记录文件是这个系统相当重要的产出，其中会包含诸多重要信息，然而存放在本地提供给了用户可以近距离接触的机会，为了保证信息的安全，以二进制格式存储自定义的检测记录内容。自定义的检测记录内容包含文件识别名、文件名、记录号、版本号、设备信息、检测时间、手机ID、手机型号、振动变送器ID、采集时长、采样率以及数据点集等信息。

最后，进行图谱展示，对于用户来说，振动检测结果的可视化呈现是尤为重要的，这能够简洁方便、清晰明了的把握该次振动检测结果。展示的时域图谱如图5所示，频域图谱如图6所示。

除了上述核心功能之外，还具有的其他功能如下：

1、用户注册登录

如图2所示，用户的注册与登陆是为了保证系统的安全访问以及用户个人信息的不被侵入与彼此独立。实现用户的注册与登录功能需要数据库作以辅助，建立一个用于保存该系统重要数据信息的数据库文件，在其中创建一张存储用户个人注册信息的表，该表包含三个属性：序号、用户名和密码。本系统采用的是SQL数据库存储用户信息。

2、设备信息管理

如图3所示，本系统针对的就是高压断路器的在线监测与故障分析问题，系统会接触到许多不同型号不同品牌的高压断路器设备，因此，需要对断路器设备有一个统一的管理，以方便后续工作的进行。与用户注册登录模块一样，对于断路器设备的管理也需要创建一张表用来存储断路器设备信息，该表包含十二个属性：序号、资产编号、序列号、设备类型、生产厂家、出厂日期、二维码、描述信息、部署位置、报警门槛、所属电站以及设备照片。本系统采用的是SQL数据库存储设备信息。

在设备信息管理模块，提供了断路器设备的新添、修改与删除三个功能，其中新添和修改功能中提供了数据输入界面，对于资产编号、序列号、生产厂家、出厂日期、描述信息、报警门槛这六项设备信息需要手动键盘输入，对于设备类型、部署位置、所属电站这三项设备信息为了保证不同用户输入的统一性提供备选列表让用户选择对应项，这三个备选列表由管理员视情况更新维护，对于二维码这项设备信息提供扫描二维码的组件完成扫描输入，对于设备照片这项设备信息通过调用安卓开发自带的系统相机的接口函数来实现设备实时拍照与显示在界面中。

3、数据中心管理

本系统支持多用户多地同时使用，因此用户信息和设备信息不可能保存在手机端，需要保存在服务器端，手机端APP与服务器端进行实时的数据交互。数据中心管理模块提供了服务器信息的添加与删除。

5、检测记录管理

检测记录文件是存放在本地的，方便用户对其进行操作。检测记录管理模块向用户以列表形式展示所有本地存放的检测记录文件，展示其文件名、被检测设备ID、被检测设备名称、报警状态以及是否已上传，提供用户浏览和删除功能，对于未上传的检测记录文件提供上传按钮。

检测记录文件的浏览功能对本地存放的二进制检测记录文件按照协定的文件内容格式进行解析，获取断路器编号、设备状态、振动变送器ID、采样率、检测时长、总点数以及数据点集这几项信息，以如展示时频图谱环节那样以时域图谱和频域图谱的形式展示出来，方便用户查看。

Claims

1.一种基于振动信号的高压断路器移动式监测和故障分析系统，其特征在于，包括移动终端和用于实时采集高压断路器振动信号的振动变送器，该振动变送器安装于高压断路器的外侧，并与移动终端通过无线方式传输采集的振动信号，所述移动终端包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤S1：当需要进行数据采集时，向振动变送器发送巡检命令数据帧，并监听由振动变送器返回的用于保证命令是否成功执行的巡检命令回传数据，

步骤S2：当收到的巡检命令回传数据表示命令成功执行时，持续接收由振动变送器发送的含有振动信号的数据帧，并解析得到三轴时域振动信号，

步骤S3：对三轴时域振动信号进行FFT变换，处理得到振动信号时域图谱和振动信号频域图谱，

步骤S4：基于振动信号时域图谱和振动信号频域图谱进行故障诊断，并输出诊断结果；

所述步骤S3具体包括：

步骤S31：基于三轴时域振动信号获得时间-振动信号数值数组，

步骤S32：基于时间-振动信号数值数组获得频率-振动信号数值数组，

步骤S33：基于时间-振动信号数值数组生成振动信号时域图谱，

步骤S34：基于频率-振动信号数值数组生成振动信号频域图谱；

所述步骤S31具体包括：

步骤S311：基于三轴时域振动信号得到各振动信号数值对应的时间点，

步骤S312：若存在时间点上行缺失的振动信号数值，在数组该行元素处以前一行振动信号数值填充得到时间-振动信号数值数组；

所述步骤S32具体包括：

步骤S323：再将该复数结果输入到求模函数中，就可以得到一个实数数组，再根据采样率和数值总数求出每个值对应的频率值，从而得到频率-振动信号数值数组；

所述巡检命令数据帧包括：

帧头，长度为1个字节，

帧长度，长度为2个字节，用于表示帧类型、数据类型和采集时长的长度，

帧类型，长度为1个字节，

数据类型，长度为1个字节，

采集时长，长度为2个字节，

CRC校验信息，长度为2个字节；

所述巡检命令回传数据包括：

帧头，长度为1个字节，

帧长度，长度为2个字节，用于表示帧类型和状态信息的长度，

帧类型，长度为1个字节，

状态信息，长度为1个字节，用于表征命令成功或失败，

CRC校验信息，长度为2个字节；

实现振动检测结果的可视化呈现，清晰明了的把握该次振动检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于振动信号的高压断路器移动式监测和故障分析系统，其特征在于，所述无线方式为蓝牙连接的方式。