CN111025139B - 一种基于信息融合的有载分接开关状态监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信息融合的有载分接开关状态监测方法及系统，属于电力技术领域，包括：获取待测运行状态下的有载分接开关的有效振动信号；采用相空间重构技术获取有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹及矢量化相点分布系数；利用矢量化相点分布系数及多维高斯型隶属函数，求取待测运行状态与各模糊集对应的隶属度；选取最大隶属度对应的运行状态为待测运行状态；本发明通过各运行状态下的矢量化相点分布系数作为各运行状态的特征信息库，建立可同时对多路通道的特征值进行处理的三维高斯型模糊集隶属函数，能够有效识别出正常状态和多种故障状态，与基于单通道的现有监测方法相比，信息利用率高，抗干扰能力强，特别是识别率大幅提升。

Description

一种基于信息融合的有载分接开关状态监测方法及系统

技术领域

本发明属于电力技术领域，更具体地，涉及一种基于信息融合的有载分接开关状态监测方法及系统。

背景技术

随着电力工业的快速发展，对重要电力设备开展状态监测和智能化管理成为必然趋势。有载分接开关是有载调压变压器的关键部件，它通过切换动作调节线圈匝数改变变压器变比，从而避免系统电压水平的大幅度波动，保证系统安全可靠运行。有载分接开关的关键作用使得有载调压变压器成为电力系统中用以稳定负荷中心电压、调节有功和无功潮流、增强电网灵活性的重要输配电设备。因此，采用必要手段对有载分接开关运行状态进行监测并及时检修，可极力避免有载分接开关故障对电网安全、经济运行的负面影响，具有十分重要的现实意义。

中国专利CN201611014853.6中公开了一种基于多参量的有载分接开关故障监测方法，该方法对有载分接开关振动信号进行分析，利用相空间重构技术，计算相点平均几何距离求取分布系数，并通过单通道下的模糊集隶属函数，实现有载分接开关故障种类的识别；中国专利CN201210525518.8公布了一种变压器有载分接开关运行状态的在线监测方法，该方法采集有载分接开关的振动信号，并对振动信号进行相空间重构，通过计算其相空间内相点的密度分布曲线，判断有载分接开关状态是否异常；上述有载分接开关的监测方法多是利用振动信号的混沌特性，对单路通道的振动信号进行相空间重构处理，没有考虑多路信号的信息互补性；在求取重构相空间内相点分布系数时，未考虑相点分布的矢量特性，但往往不同振动信号的相点在不同方向上的分布具有较大差异。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于信息融合的有载分接开关状态监测方法及系统，旨在解决现有的有载分接开关状态监测方法因采用单一通道分析，导致获取开关设备信息不完整，使得有载分接开关状态识别性较差的问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供了一种基于信息融合的有载分接开关状态监测方法，包括：

(1)将待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号进行有效提取，获取待测运行状态下的有载分接开关的有效振动信号；

(2)采用相空间重构技术获取有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹；

(3)利用相点分布轨迹，获取待测运行状态下的矢量化相点分布系数；

(4)利用矢量化相点分布系数以及多维高斯型隶属函数，求取待测运行状态与各模糊集对应的隶属度；

(5)选取最大隶属度对应的运行状态为待测运行状态。

优选地，多维高斯型隶属函数为三维高斯型隶属函数；

优选地，隶属度表的获取方法为：

(a)采用相空间重构技术获取训练集中各运行状态下有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹；

(b)根据相点分布轨迹，求取训练集中各运行状态下的矢量化相点分布系数作为各运行状态的特征信息库；

(c)基于模糊理论，利用各个状态的特征信息库，建立各个状态对应的模糊集；

(d)基于信息融合技术和各个状态对应的模糊集，建立各模糊集的三维高斯型隶属函数；

(e)利用三维高斯型隶属函数计算各运行状态与各模糊集对应的隶属度表；

优选地，步骤(2)具体包括：

(2.1)采用互信息法确定延迟时间，且采用Cao法获取嵌入维度；

(2.2)基于延迟时间和嵌入维度，利用相空间重构技术将待测运行状态下的一维时间序列重构至高维空间的时间序列，且保持待测运行状态下的一维时间序列的几何不变性；

其中，高维空间的维度为嵌入维度；高维空间的时间序列为有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹。

优选地，步骤(3)具体为：

(3.1)在重构后的高维空间内，选择具有嵌入维度的超球体；

(3.2)在超球体的半径方向以及角坐标方向上均按恒定步长变化进行选点，获取L个均匀分布点的球面坐标，并将其坐标转换成直角坐标；

(3.3)计算重构后高维空间内N个相点到L个均匀分布点的矢量位移的均值的和，并对其求均值作为平均矢量距离；

(3.4)将平均矢量距离与超球体半径做比值，获取矢量化相点分布系数。

优选地，运行状态包括：正常状态，紧固件松动，触头磨损，弹簧动能不足；

优选地，高维时间序列为：

X_m(i)＝[x(i),x(i+τ),...,x(i+(m-1)τ)]

其中，X_m(i)为高维时间序列；x(i)为待测运行状态下的一维时间序列；τ为延迟时间；m为嵌入维度；i＝1,2,...,M；M为一维时间序列的离散时间点的个数；

优选地，超球体的球心坐标为

超球体的半径为：

其中，

为各维度下对应有载分接开关的有效振动信号的均值；N为重构后高维空间内随机的相点个数；x(i)为待测运行状态下的一维时间序列；i＝1,2,...,N；

优选地，平均矢量距离为：

其中，L为均匀分布点点数；

为第k维空间第n个时间序列的相点坐标；

为第k维空间第l个均匀分布点坐标；N为重构后高维空间内随机的相点个数；N＝M；

优选地，三维高斯型隶属函数为：

其中，x＝[x₁,x₂,x₃]^T为三路振动信号特征值；μ_x＝[μ₁,μ₂,μ₃]^T表示三路通道特征值的均值；x-μ_x＝[x₁-μ₁,x₂-μ₂,x₃-μ₃]^T；

为三路通道特征值的方差；

另一方面，本发明提供了一种基于信息融合的有效分接开关状态监测系统，包括顺次连接的振动加速度传感器、有效提取单元、相点分布计算单元、高斯型隶属模型、隶属度计算单元和信息处理单元；

振动加速器用于获取待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号；有效提取单元将待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号进行有效提取；相点分布计算单元采用相空间重构技术获取待测运行状态下的矢量化相点分布系数；高斯型隶属模型用于提供多维高斯型隶属函数；隶属度计算单元利用矢量化相点分布系数以及多维高斯型隶属函数，求取待测运行状态与各模糊集对应的隶属度；信息处理单元利用隶属度表，确定最大隶属度对应的运行状态。

优选地，多维高斯型隶属函数为三维高斯型隶属函数。

优选地，三维高斯型隶属函数为：

其中，x＝[x₁,x₂,x₃]^T为三路振动信号特征值；μ_x＝[μ₁,μ₂,μ₃]^T表示三路通道特征值的均值；x-μ_x＝[x₁-μ₁,x₂-μ₂,x₃-μ₃]^T；

为三路通道特征值的方差。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提供的基于信息融合的有载分接开关状态监测方法，通过各运行状态下的矢量化相点分布系数作为各运行状态的特征信息库，建立可同时对多路通道的特征值进行处理的三维高斯型模糊集隶属函数，能够有效识别出正常状态和多种故障状态，包括紧固件松动、触头磨损、弹簧动能不足等多种故障，应用于实际的待测运行状态，可利用矢量化相点分布系数以及三维高斯型隶属函数，求取待测运行状态与各模糊集对应的隶属度，进而获取待测运行状态；与基于单通道的现有监测方法相比，信息利用率高，抗干扰能力强，特别是识别率大幅提升。

(2)本发明对待测运行状态下的有载分接开关的有效振动信号进行相空间重构，并考虑相点分布的方向差异，对相点分布系数的计算方法进行改进，计算重构后高维空间内一定数量的相点到超球体上L个均匀分布点的平均矢量距离，求取矢量化的相点分布系数；矢量化相点分布系数由于考虑相点的矢量特性，不同状态的特征值之间差异度更大，易于区分。

(3)本发明提供的基于信息融合的有载分接开关状态监测方法，考虑到一次测量的待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号数据量过大，提取多路振动信号中的部分有效信号，强化了不同运行状态之间特征参量的差异度。

附图说明

图1是本发明提供的基于信息融合的有载分接开关状态监测方法流程图；

图2是本发明提供的振动加速度传感器在有载分接开关顶部的安装位置图；图中CH0、CH1、CH2分别表示三路传感器；

图3(a)是本发明提供的有载分接开关的多路振动信号；

图3(b)是本发明提供的有载分接开关的有效振动信号；

图4是本发明提供的正常状态下某路通道的有效振动信号的相空间轨迹图。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。

本发明提供了一种基于信息融合的有载分接开关状态监测方法，通过振动信号分析提取矢量化相点分布系数，建立各种运行状态的特征信息库，并利用信息融合的方法实现多通道耦合分析，以取得较好的状态识别和故障诊断效果。

一方面，本发明提供了一种基于信息融合的有载分接开关状态监测方法，包括：

(1)将待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号进行有效提取，获取待测运行状态下的有载分接开关的有效振动信号；

(2)采用相空间重构技术获取有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹；

(3)利用相点分布轨迹，获取待测运行状态下的矢量化相点分布系数；

(4)利用矢量化相点分布系数以及多维高斯型隶属函数，求取待测运行状态与各模糊集对应的隶属度；

(5)选取最大隶属度对应的运行状态为待测运行状态。

优选地，多维高斯型隶属函数为三维高斯型隶属函数；

优选地，隶属度表的获取方法为：

(a)采用相空间重构技术获取训练集中各运行状态下有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹；

(b)根据相点分布轨迹，求取训练集中各运行状态下的矢量化相点分布系数作为各运行状态的特征信息库；

(c)基于模糊理论，利用各个状态的特征信息库，建立各个状态对应的模糊集；

(d)基于信息融合技术和各个状态对应的模糊集，建立各模糊集的三维高斯型隶属函数；

(e)利用三维高斯型隶属函数计算各运行状态与各模糊集对应的隶属度表；

优选地，步骤(2)具体包括：

(2.1)采用互信息法确定延迟时间，且采用Cao法获取嵌入维度；

(2.2)基于延迟时间和嵌入维度，利用相空间重构技术将待测运行状态下的一维时间序列重构至高维空间的时间序列，保持待测运行状态下的一维时间序列的几何不变性；

其中，高维空间的维度为嵌入维度；高维空间的时间序列为有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹。

优选地，步骤(3)具体为：

(3.1)在重构后的高维空间内，选择具有嵌入维度的超球体；

(3.2)在超球体的半径方向以及角坐标方向上均按恒定步长变化进行选点，获取L个均匀分布点的球面坐标，并将其坐标转换成直角坐标；

(3.3)计算重构后高维空间内N个相点到L个均匀分布点的矢量位移的均值的和，并对其求均值作为平均矢量距离；

(3.4)将平均矢量距离与超球体半径做比值，获取矢量化相点分布系数。

优选地，运行状态包括：正常状态，紧固件松动，触头磨损，弹簧动能不足；

优选地，高维时间序列为：

X_m(i)＝[x(i),x(i+τ),...,x(i+(m-1)τ)]

其中，X_m(i)为高维空间中的时间序列；x(i)为待测运行状态下的一维时间序列；τ为延迟时间；m为嵌入维度；i＝1,2,...,M；M为一维时间序列的离散时间点的个数；

优选地，超球体的球心坐标为

超球体的半径为：

其中，

为各维度下对应有载分接开关的有效振动信号的均值；N为重构后高维空间内随机的相点个数；x(i)为待测运行状态下的一维时间序列；i＝1,2,...,N；N为重构后高维空间内随机的相点个数；

优选地，平均矢量距离为：

其中，L为均匀分布点点数；

为第k维空间第n个时间序列的相点坐标；

为第k维空间第l个均匀分布点坐标；N为重构后高维空间内随机的相点个数；N＝M；

优选地，三维高斯型隶属函数为：

其中，x＝[x₁,x₂,x₃]^T为三路振动信号特征值；μ_x＝[μ₁,μ₂,μ₃]^T表示各路通道特征值的均值；x-μ_x＝[x₁-μ₁,x₂-μ₂,x₃-μ₃]^T；

为各路通道特征值的方差；

另一方面，本发明提供了一种基于信息融合的有效分接开关状态监测系统，包括顺次连接的振动加速度传感器、有效提取单元、相点分布计算单元、高斯型隶属模型、隶属度计算单元和信息处理单元；

振动加速器用于获取待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号；有效提取单元将待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号进行有效提取；相点分布计算单元采用相空间重构技术获取待测运行状态下的矢量化相点分布系数；高斯型隶属模型用于提供多维高斯型隶属函数；隶属度计算单元利用矢量化相点分布系数以及多维高斯型隶属函数，求取待测运行状态与各模糊集对应的隶属度；信息处理单元利用隶属度表，确定最大隶属度对应的运行状态。

优选地，多维高斯型隶属函数为三维高斯型隶属函数。

优选地，三维高斯型隶属函数为：

其中，x＝[x₁,x₂,x₃]^T为三路振动信号特征值；μ_x＝[μ₁,μ₂,μ₃]^T表示三路通道特征值的均值；x-μ_x＝[x₁-μ₁,x₂-μ₂,x₃-μ₃]^T；

为三路通道特征值的方差。

实施例

图1是实施例提供的有载分接开关状态监测方法的流程图，以某国产M型有载分接开关模拟平台为试验对象，具体实施过程包括如下步骤：

(1)有载分接开关的多路振动信号的采集和预处理：

采用胶粘式的安装方式，将三路振动加速传感器安装于有载分接开关顶部，安装位置如图2所示，其中，CH0、CH1、CH2分别表示三路传感器；利用状态监测装置对有载分接开关的三路振动信号进行数据采集；从采集到的原始振动信号中提取有载分接开关切换时的有效振动信号；图3(a)为正常状态下测得的某路通道的原始振动信号，图3(b)为经提取后有载分接开关切换时对应的有效振动信号；

(2)相空间重构

采用互信息法和Cao法分别确定延迟时间τ和嵌入维度m，并利用相空间重构技术将有效振动信号的一维时间序列重构到高维空间，并保持原序列的几何不变性。设序列长度为M的有效振动信号时间序列x(i)，i＝1,2,...,M；M为一维时间序列的离散时间点的个数；延迟时间τ得到新的振动信号时间序列x(i+τ)，将原本一维的时间序列x(i)重构为m维的高维时间序列，即：

X_m(i)＝[x(i),x(i+τ),...,x(i+(m-1)τ)]

其中，X_m(i)为高维空间中的时间序列；x(i)为待测运行状态下的一维时间序列；τ为延迟时间；m为嵌入维度；i＝1,2,...,M；M为一维时间序列的离散时间点的个数；

上式即可代表振动信号在高维相空间内的相点分布轨迹；图4为正常状态下某路通道的有效振动信号的相空间轨迹图；

(3)求取振动信号的矢量化相点分布系数；

在重构后的相空间内，选定维度与嵌入维度相同的超球体作为相空间的中心区域；其中，超球体的球心坐标为

超球体的半径为振动信号的标准差，定义为：

其中，

为各维度下对应有载分接开关的有效振动信号的均值；N为重构后高维空间内随机的相点个数；x(i)为待测运行状态下的一维时间序列；i＝1,2,...,N；

在中心区域内均匀选取L个点，先用球面坐标(r,α₁,α₂,…,α_m-1)选点，其中，r为待选点到超球体球心的距离；(α₁,α₂,…,α_m-1)为角坐标，球面坐标在0～R_a内以恒定步长均匀变化；角坐标在0～2π内以恒定步长均匀变化，得到L个均匀分布点的球面坐标，再通过坐标变换得到L个均匀分布点的直角坐标；

计算相空间内任一相点到L个均匀分布点的矢量位移之和，并求其均值；对相空间内所有相点重复这一过程，得到N个相点到L个均匀分布点的矢量位移的均值的和作为平均矢量距离；即：

其中，L为均匀分布点点数；

为第k维空间第n个时间序列的相点坐标；

为第k维空间第l个均匀分布点坐标；N为重构后高维空间内随机的相点个数；k代表第k个维度；

(4)建立特征信息库

分别模拟有载分接开关正常运行状态和各故障状态，按照上述步骤(1)～(3)对各种状态下的振动信号进行数据处理，并根据多次试验得到各状态特征值，建立各运行状态的特征信息库；

(5)基于信息融合和模糊理论实现状态识别；

有载分接开关的有效振动信号的相点分布系数服从高斯分布，单通道时模糊理论的隶属函数为一维高斯型函数；根据多传感器信息融合技术中多通道耦合分析的方法，对一维高斯型函数进行改进，提出可同时处理三路通道信息的三维高斯型隶属函数，即：

其中,x＝[x₁,x₂,x₃]^T为三路振动信号特征值，μ_x＝[μ₁,μ₂,μ₃]^T表示三路通道特征值的均值；x-μ_x＝[x₁-μ₁,x₂-μ₂,x₃-μ₃]^T；∑表示协方差矩阵，即

表示三路通道特征值的方差；求取各种状态对应的特征信息库中矢量化相点分布系数的均值和方差，以建立各个模糊集的三维高斯型隶属函数；模糊集与各种运行状态相对应；

测试某种运行状态时，求取待测状态下振动信号的矢量化相点分布系数，带入各个模糊集的隶属函数中，计算出该运行状态与各模糊集的隶属度，按照最大隶属度原则确定待测运行状态对应模糊集，从而判断运行状态和故障类别。

本发明所提供的上述有载分接开关状态监测方法，可实现多通道耦合分析，大幅提高故障诊断率，具有十分重要的工程实际意义，可广泛应用于各种变压器有载分接开关的实际监测和故障诊断领域。

本领域的技术人员容易理解，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 (9)

1.一种基于信息融合的有载分接开关状态监测方法，其特征在于，包括：

(1)将待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号进行有效提取，获取待测运行状态下的有载分接开关的有效振动信号；

(2)采用相空间重构技术获取有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹；

(3)利用相点分布轨迹，获取待测运行状态下的矢量化相点分布系数；

(4)利用矢量化相点分布系数以及多维高斯型隶属函数，求取待测运行状态与各模糊集对应的隶属度；

(5)利用隶属度表，获取最大隶属度对应的运行状态为待测运行状态；

所述步骤(3)具体包括：

(3.1)在重构后的高维空间内，选择具有嵌入维度的超球体；

(3.2)在超球体的半径方向以及角坐标方向上均按恒定步长变化进行选点，获取L个均匀分布点的球面坐标，并将其坐标转换成直角坐标；

(3.3)计算重构后高维空间内N个相点到L个均匀分布点的矢量位移的均值的和，并对其求均值作为平均矢量距离R_s：

其中，L为均匀分布点点数；

为第k维空间第n个时间序列的相点坐标；

为第k维空间第l个均匀分布点坐标；N为重构后高维空间内随机的相点个数；

(3.4)将平均矢量距离与超球体半径做比值，获取矢量化相点分布系数。

2.根据权利要求1所述的有载分接开关状态监测方法，其特征在于，所述多维高斯型隶属函数为三维高斯型隶属函数。

3.根据权利要求2所述的有载分接开关状态监测方法，其特征在于，所述隶属度表的获取方法为：

(a)采用相空间重构技术获取训练集中各运行状态下有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹；

(b)根据相点分布轨迹，求取训练集中各运行状态下的矢量化相点分布系数作为各运行状态的特征信息库；

(c)基于模糊理论，利用各个状态的特征信息库，建立各个状态对应的模糊集；

(d)基于信息融合技术和各个状态对应的模糊集，建立各模糊集的三维高斯型隶属函数；

(e)利用三维高斯型隶属函数计算各运行状态与各模糊集对应的隶属度表。

4.根据权利要求1所述的有载分接开关状态监测方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：

(2.1)采用互信息法确定延迟时间，且采用Cao法获取嵌入维度；

(2.2)基于延迟时间和嵌入维度，利用相空间重构技术将待测运行状态下的一维时间序列重构至高维空间的时间序列，且保持待测运行状态下的一维时间序列的几何不变性；

其中，高维空间的维度为嵌入维度；高维空间的时间序列为有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹。

5.根据权利要求4所述的有载分接开关状态监测方法，其特征在于，所述有载分接开关的有效振动信号在相空间内的相点分布轨迹为：

X_m(i)＝[x(i),x(i+τ),...,x(i+(m-1)τ)]

其中，X_m(i)为高维空间中的时间序列；x(i)为待测运行状态下的一维时间序列；τ为延迟时间；m为嵌入维度；i＝1,2,...,M；M为一维时间序列的离散时间点的个数。

6.根据权利要求2或3所述的有载分接开关状态监测方法，其特征在于，所述三维高斯型隶属函数为：

其中，x＝[x₁,x₂,x₃]^T为三路振动信号特征值；μ_x＝[μ₁,μ₂,μ₃]^T表示三路通道特征值的均值；x-μ_x＝[x₁-μ₁,x₂-μ₂,x₃-μ₃]^T；

为三路通道特征值的方差。

7.基于权利要求1所述有载分接开关状态监测方法的监测系统，包括：顺次连接的振动加速度传感器、有效提取单元、相点分布计算单元、高斯型隶属模型、隶属度计算单元和信息处理单元；

所述振动加速度传感器用于获取待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号；所述有效提取单元将待测运行状态下的有载分接开关的多路振动信号进行有效提取；所述相点分布计算单元采用相空间重构技术获取待测运行状态下的矢量化相点分布系数；所述高斯型隶属模型用于提供高维高斯型隶属函数；所述隶属度计算单元利用矢量化相点分布系数以及高维高斯型隶属函数，求取待测运行状态与各模糊集对应的隶属度；所述信息处理单元利用隶属度表，确定最大隶属度对应的运行状态；

所述相点分布计算单元具体用于：在重构后的高维空间内，选择具有嵌入维度的超球体；在超球体的半径方向以及角坐标方向上均按恒定步长变化进行选点，获取L个均匀分布点的球面坐标，并将其坐标转换成直角坐标；计算重构后高维空间内N个相点到L个均匀分布点的矢量位移的均值的和，并对其求均值作为平均矢量距离R_s；将平均矢量距离与超球体半径做比值，获取矢量化相点分布系数；

其中，平均矢量距离R_s为：

其中，L为均匀分布点点数；

为第k维空间第n个时间序列的相点坐标；

为第k维空间第l个均匀分布点坐标；N为重构后高维空间内随机的相点个数。

8.根据权利要求7所述的监测系统，其特征在于，所述多维高斯型隶属函数为三维高斯型隶属函数。

9.根据权利要求8所述的监测系统，其特征在于，所述三维高斯型隶属函数为：

其中，x＝[x₁,x₂,x₃]^T为三路振动信号特征值；μ_x＝[μ₁,μ₂,μ₃]^T表示三路通道特征值的均值；x-μ_x＝[x₁-μ₁,x₂-μ₂,x₃-μ₃]^T；

为三路通道特征值的方差。

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