CN110658445B

CN110658445B - 一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法

Info

Publication number: CN110658445B
Application number: CN201910823825.6A
Authority: CN
Inventors: 毛恒; 邓敏; 方瑞明; 艾春; 彭长青
Original assignee: Red Phase Inc
Current assignee: Red Phase Inc
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2039-09-02
Also published as: CN110658445A

Abstract

本发明公开了一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法,具体指：获取有载分接开关的振动信号和驱动电机的电流信号；对电流信号进行拆分计算；参考电流分段点对振动信号进行拆分计算；根据分段参数进行初诊；若初诊发现确定故障，诊断结束；若初诊发现不确定故障，或是初诊不能确诊状态正常，则对振动信号分段进行EMD分解并进行精诊。本发明结合两种信号，将有载分接开关切换过程中的振动信号分为储能段和切换段，降低分析难度，提高诊断算法的实时性。本发明中，初诊对一般性故障做出诊断，可降低诊断过程中的计算开销，提高诊断算法的实时性；若初诊失败，再结合EMD等非线性信号分析方法提取故障特征，进行精诊，提高诊断算法的准确性。

Description

一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法

技术领域

本发明涉及电力设备监测技术领域，更具体地说是指一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法。

背景技术

有载分接开关（On-load Tap Changer, 本申请以下简称为OLTC）是有载调压变压器的关键组成部分，在电力系统中发挥着稳定电网电压、调节无功潮流、增加电网灵活度等重要作用。然而，OLTC故障的发生较为频繁。根据中国电力科学院统计，1990 年至 1994 年5月，全国因有载分接开关故障引发的变压器事故占变压器总事故数量的 18.5%。而根据国际变压器故障统计，有载分接开关引发的故障占总故障数量的 20%以上，且故障率呈上升趋势。因此，鉴于有载分接开关具有高故障率、动作频繁和影响范围较广的特点，OLTC 的测量和诊断系统需要进一步实现在线化和实时化，才能适应现代社会发展对电力高质量、高可靠性的要求。

近年来，振动信号分析法在线检测OLTC被认为是诊断OLTC的一种有效方法。它可以同时检查出机械故障和电故障。由于OLTC动作过程较为复杂，所产生的的机械振动信号具有非线性非平稳的特点，因此利用小波变换或快速傅里叶变换所提取的时域或频率特征不是一个稳定有效的指标，无法准确反映出振动信号的内在特征。已有的振动信号分析方法有小波奇异性检测、自组织映射法、经验模态分解和小波包等。这些方法大多是将非平稳信号分解为若干个简单的平稳信号之和,然后对每个分量进行处理,提取时频特征。然而,研究表明,OLTC切换过程中的振动信号表现出明显的非线性行为,采用时频分析的方法,将信号分解为平稳信号,难免有一定的局限性。经验模态分解法（EMD）等算法虽适应非线性非稳态信号的分析,但它本身也存在很多缺点,且分解过程中计算量较大，影响着诊断的实时性。因此,本发明提出一种基于振动信号和电流信号的OLTC故障分析诊断方法。

发明内容

本发明提供的一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法，其目的在于解决现有技术中存在的上述问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法，包括以下步骤：（1）获取有载分接开关的振动信号和驱动电机的电流信号；（2）对电流信号的曲线进行分段，计算电流分段参数；（3）参考电流分段点对振动信号的曲线进行分段，计算振动分段参数；（4）对电流分段参数和振动分段参数进行初诊；（5）若初诊发现确定故障，诊断结束；若初诊发现不确定故障，或是初诊不能确诊状态正常，则进一步对分段的振动信号进行EMD或WPD分解，再进行SVM精诊。

进一步，上述步骤(2)具体包括：（2.1）将电流信号采集率压缩到10k/s；（2.2）求取Hilbert包络线；（2.3）查找包络线的电流起点，并后延包络线，计算驱动电机电流储能段对应起点，然后再反向查找操动机构辅助开关开始开断所对应的电流时刻和完全断开所对应的电流时刻；（2.4）利用求得的各电流分段点将Hilbert包络线切成电流启动段、电流储能段和电流切换段；（2.5）分段计算电流信号的曲线参数。

进一步，上述步骤(3)具体包括：（3.1）参考电流分段点对振动信号的曲线进行初步分段；（3.2）将初步分段后得到的三个振动有效区间切分成若干小段；（3.3）计算各小段的参数，从中查找切换动作振动峰小段并左右截断，得到各峰值块；（3.4）组合间隔100ms内的峰值块，找出能量最大的峰值块并将其作为切换段；（3.5）以类比的方式判定计算是否存在其他切换段；（3.6）分段计算振动信号的曲线参数。

进一步，上述初诊的具体步骤：（a）从曲线的分段计算中，分析是否有多个切换动作；（b）在排除过渡档的情况下，若依旧存在多个切换动作，则进一步分析通电时长是否超出阈值，若通电时长未超过阈值则存在机构松动，若通电时长超过阈值，则确诊为滑档；（c）若不存在多个切换动作，则进一步分析通电时长是否超出阈值；（d）若步骤（c）中的通电时长超出阈值则进一步分析驱动电流是否超出阈值，若驱动电流超出阈值则存在严重卡滞，若驱动电流未超出阈值则存在卡涩；（e）若步骤（c）中的通电时长未超过阈值则进一步分析驱动电流是否超出阈值；（f）若步骤（e）中的驱动电流超出阈值则存在卡涩；若若步骤（e）中的驱动电流未超出阈值则进一步分析切换是否在后半段完成，（g）若切换在后半段完成则进一步分析切换时长是否小于阈值，若小于阈值则初诊正常，若大于阈值则存在切换超时；（h）若切换不是在后半段完成则存在切换提前。

进一步，上述精诊的具体步骤：按照二叉树配置，逐级调用各SVM模型进行分类预测，并按照预测结果转入相应分支节点，一直细分到末级，形成最终诊断结论。

由上述对本发明的描述可知，和现有的技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明结合电流信号和振动信号，将有载分接开关切换过程中的振动信号切分为具有非线性特征的储能段和切换段，降低了后期振动信号分析的难度，提高了诊断算法的实时性；

2.本发明将诊断过程分为初诊和精诊两种类型：在对电流信号和振动信号分段后，先结合电流信号和振动信号的时域信息进行初诊，对于有载分接开关装置的一般性故障做出诊断，可降低诊断过程中的计算开销，提高了诊断算法实时性；若初诊失败，再进一步结合EMD等非线性信号分析方法提取故障特征，进行精密诊断，提高诊断算法的准确性。

附图说明

图1为本发明的诊断流程框图。

图2为本发明中，电流信号的分段流程图。

图3为本发明中，振动信号的分段流程图。

图4为本发明的初诊流程图。

图5为EMD分解流程图。

图6为本发明的精诊流程图。

具体实施方式

下面参照附图说明本发明的具体实施方式。为了全面理解本发明，下面描述到许多细节，但对于本领域技术人员来说，无需这些细节也可实现本发明。

参照图1至图6，一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法，包括以下步骤：

（1）同步获取有载分接开关的振动信号和驱动电机的电流信号。

（2）首先对电流信号的曲线进行分段，计算电流分段参数。

参照图2，上述步骤（2）具体包括以下子步骤：

（2.1）将电流信号采集率压缩到10k/s；（2.2）再求取电流信号的Hilbert包络线。

（2.3）查找包络线的电流起点，再后延包络线，计算电流驱动起点；然后再反向查找电流开始开断点和电流完全截止点。后延包络线是为了避开驱动电机起动时的涌流干扰，一般大约为100ms。其中，电流驱动起点即为驱动电机电流储能段对应起点；电流开始开断点即为操动机构辅助开关开始开断所对应的电流时刻；电流完全截止点即为完全断开所对应的电流时刻。反向查找完全断开点更加可靠，如果直接查找开始断开点，由于开始断开点形式多样，精度难以保证。

（2.4）利用求得的各电流分段点将Hilbert包络线切成电流启动段、电流储能段和电流切换段。

其中，上述各电流分段点以及有效区间段在时间轴上的排序如下：电流驱动起点-（启动段）-电流起点-（储能段）-电流开始开断点-（切换段）电流完全截止点。

（2.5）分段计算电流信号的曲线参数。

（3）参考电流分段点对振动信号的曲线进行分段，计算振动分段参数。

参照图3，上述步骤（3）具体包括以下子步骤：

（3.1）以上述各电流分段点作为时间标签对振动信号的曲线进行初步分段。

（3.2）初步分段的振动信号本身还需要再分割成更小的分段，用于更精细的获得振动信号的分段，用于更精细的获得振动信号的分段。因此将初步分段后得到的三个振动有效区间切分成若干5ms的小段。

（3.3）计算各小段的参数，从中查找切换动作振动峰小段并左右截断，得到各峰值块。3.4）组合间隔100ms内的峰值块，找出能量最大的峰值块并将其作为切换段。

（3.5）以类比的方式判定计算是否存在其他切换段。

（3.6）分段计算振动信号的曲线参数。

（4）根据电流分段参数和振动分段参数进行初诊。

（5）若初诊发现确定故障，诊断结束；若初诊发现不确定故障，或是初诊不能确诊状态正常，则进一步对分段的振动信号进行EMD或WPD分解，再进行SVM精诊。

参照图4，上述步骤（5）中的初诊具体是：

（a）从曲线的分段计算中，分析是否有多个切换动作。

（b）在排除过渡档的情况下，若依旧存在多个切换动作则进一步分析通电时长是否超出阈值，若通电时长未超过阈值则存在机构松动，若通电时长超过阈值，则确诊为滑档。

有载分接开关在换挡的时候包括多个动作，即换一次档就包括了档位触头的分离、过渡、结合，不是简单的分合，因此如果曲线中发现不包含这些动作那么就存在问题。过渡档是一种特殊的换挡模式，属于正常情况，其换挡过程要更复杂，需要两次的切换过程，因此需要先排除过渡档，避免误判。

（c）若不存在多个切换动作，则进一步分析通电时长是否超出阈值。其中，通电时长是指电流驱动起点到电流完全截止点的时间长。

（d）若步骤（c）中的通电时长超出阈值则进一步分析驱动电流是否超出阈值，若驱动电流超出阈值则存在严重卡滞，若驱动电流未超出阈值则存在卡涩。

（e）若步骤（c）中的通电时长未超过阈值则进一步分析驱动电流是否超出阈值。

（f）若步骤（e）中的驱动电流超出阈值则存在卡涩；若步骤（e）中的驱动电流未超出阈值则进一步分析切换是否在后半段完成。

（g）若切换在后半段完成则进一步分析切换时长是否小于阈值，若小于阈值则初诊正常，若大于阈值则存在切换超时。

（h）若切换不是在后半段完成则存在切换提前。

参照图5，具体地，上述步骤（5）中，利用EMD函数，对蓄能段和切换段进行EMD分解计算。

参照图6，上述步骤（5）中的精诊具体是：按照二叉树配置，逐级调用各SVM模型进行分类预测，并按照预测结果转入相应分支节点，一直细分到末级，形成最终诊断结论。

综上可见，本发明结合电流信号和振动信号，将有载分接开关切换过程中的振动信号切分为具有非线性特征的储能段和切换段，降低了后期振动信号分析的难度，提高了诊断算法的实时性。此外，本发明将诊断过程分为初诊和精诊两种类型：在对电流信号和振动信号分段后，先结合电流信号和振动信号的时域信息进行初诊，对于有载分接开关装置的一般性故障做出诊断，可降低诊断过程中的计算开销，提高了诊断算法实时性；若初诊失败，再进一步结合EMD等非线性信号分析方法提取故障特征，进行精密诊断，提高诊断算法的准确性。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims

1.一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）获取有载分接开关的振动信号和驱动电机的电流信号；（2）对电流信号的曲线进行分段，计算电流分段参数；（3）参考电流分段点对振动信号的曲线进行分段，计算振动分段参数；（4）根据电流分段参数和振动分段参数进行初诊；（5）若初诊发现确定故障，诊断结束；若初诊发现不确定故障，或是初诊不能确诊状态正常，则进一步对分段的振动信号进行EMD或WPD分解，再进行SVM精诊；所述步骤（4）中进行初诊的具体步骤：（a）从曲线的分段计算中，分析是否有多个切换动作；（b）在排除过渡档的情况下，若依旧存在多个切换动作，则进一步分析通电时长是否超出阈值，若通电时长未超过阈值则存在机构松动，若通电时长超过阈值，则确诊为滑档；（c）若不存在多个切换动作，则进一步分析通电时长是否超出阈值；（d）若步骤（c）中的通电时长超出阈值则进一步分析驱动电流是否超出阈值，若驱动电流超出阈值则存在严重卡滞，若驱动电流未超出阈值则存在卡涩；（e）若步骤（c）中的通电时长未超过阈值则进一步分析驱动电流是否超出阈值；（f）若步骤（e）中的驱动电流超出阈值则存在卡涩；若步骤（e）中的驱动电流未超出阈值则进一步分析切换是否在后半段完成，（g）若切换在后半段完成则进一步分析切换时长是否小于阈值，若小于阈值则初诊正常，若大于阈值则存在切换超时；（h）若切换不是在后半段完成则存在切换提前。

2.如权利要求1所述的一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：（2.1）将电流信号采集率压缩到10k/s；（2.2）求取压缩后电流信号曲线的Hilbert包络线；（2.3）查找包络线的电流起点，并后延包络线，计算驱动电机电流储能段对应起点，然后再反向查找确定操动机构辅助开关开始开断对应的电流时刻和完全断开对应的时刻；（2.4）利用求得的各电流分段点将Hilbert包络线切成电流启动段、电流储能段和电流切换段；（2.5）分段计算电流信号的曲线参数。

3.如权利要求1所述的一种有载分接开关机械故障的分析诊断方法，其特征在于：所述精诊的具体步骤：按照二叉树配置，逐级调用各SVM模型进行分类预测，并按照预测结果转入相应分支节点，一直细分到末级，形成最终诊断结论。