CN113763679B - 气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法及装置 - Google Patents

气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法及装置。本发明的方法包括：对声源模块发出的声音数据进行采集；对采集到的声音数据进行异常声源定位，并将其可视化；提取异常声源数据特征参数，计算其声压级和高频能量占比，相较于设定的阈值范围判定设备的运行状况。本发明具有测量速度快，计算效率高，分辨率好，适宜中长距离测量，对稳态、瞬态声源定位精度高以及不需要人工过多参与设备的安全检测的优点，可识别GIS的早期故障，预防设备缺陷进一步恶化，提升GIS设备的运维管理能力，可促进多元融合高弹性电网的建设。

Description

气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法及装置
技术领域
本发明涉及电力行业噪声振动信号采集分析领域，具体地说是一种气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法及装置。
背景技术
GIS凭借其系统性强、集成度高、占地面积小、可靠性好等特点已广泛应用于各个电网系统中。但当前GIS的安全监测水平与电网系统的快速发展之间存在较大矛盾。随着电力系统密度的增大，GIS的故障率呈增大趋势。
GIS在电磁应力、机械振动传递的作用下，或者由于固有机械特性的改变，缺陷位置会产生异常的振动，并发出不同于设备正常运行时的异常振动及声音，因此可以根据该信号作为缺陷定位、诊断的依据，且该方法属于非接触式检测，与设备相互独立，不受电磁环境干扰。
GIS机械故障通常由壳体内部缺陷引发，且缺陷初期不会引发放电性故障和过热故障，而目前已投入使用的GIS缺陷定位、故障检测的方法多针对上述故障，但是对于GIS早期故障(内部故障缺陷)缺少有效的检测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法和装置，以识别GIS的早期故障，预防设备缺陷进一步恶化。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法，其包括以下步骤：
步骤一、对声源模块发出的声音数据进行采集；
步骤二、对采集到的声音数据进行异常声源定位，并将其可视化；
步骤三、提取异常声源数据特征参数，计算其声压级和高频能量占比，相较于设定的阈值范围判定设备的运行状况；
步骤四、对步骤二和步骤三得到的判断信息进行显示、储存以及提醒。
声压级：用来衡量GIS辐射的声音大小，是所有与声音有关状态或缺陷的直接反映。特别是出现瞬态信号时，该瞬间信号的声压级较大。
Figure BDA0003227568710000021
Lp表示声压级，pe表示检测对象声压有效值，pref表示标准声压。
高频能量占比：当GIS出现缺陷时，辐射出的信号在高频部分(3000Hz以上)会出现谐波，该情况下高频能量占比高于正常时的能量占比。
Figure BDA0003227568710000022
Eratio表示高频能量占比，EH表示检测对象高频能量，EG表示检测对象总能量。
利用声压级和高频能量占比数据与设定的阈值进行比较，则可以反映GIS是否出现缺陷。不同参数的数值变化范围不同，通过对每个参数设置注意、异常阈值对GIS当前的健康状态进行评估，进而发出预警评估。
进一步地，所述步骤一中采集GIS运行声信号采用的是远场声源信号模型，
Figure BDA0003227568710000023
式中，r为声源与传声器阵列中心的距离，L为各传声器之间的间距，λ为声信号的波长；
根据传声器的分布位置不同，不同位置上的传声器接收到的信号存在一定的时间延迟，以第一个传声器作为参考，则声信号到达其他传声器的时间相对于第一个传声器的时间延迟为：
τm＝d cosθ/c，m＝1,2,Λ,M，
式中，c为声速，d为相邻两个传声器之间的距离，θ为远场声源的入射角度，τm为时间延迟，M为阵元数；
阵列波束形成的输出为：
Figure BDA0003227568710000031
式中，wm为加权系数，pm为所对应阵元接收到的复声压信号，t为时间；
用矢量表示上式可得：
X(t)＝[b1 T(t) b2 T(t)L bm T(t)]T＝[w1 w2L wm]P(t)＝w(θ)P(t)，
式中，X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，w(θ)为各传声器的方向矢量，P(t)为阵列接受的空间信号源矢量，
Figure BDA0003227568710000033
为m阵元所对应的输出；
对阵列求协方差矩阵：
R＝E[XH(t)X(t)]，
式中，E[]表示数学期望运算；
经过归一化的传统波束形成的方位谱估计为；
Figure BDA0003227568710000032
由此求得声源在空间中的位置。
进一步地，所述声音数据的采集包括以下步骤：
步骤S11、采用传声器阵列对声源模块发出的声音进行采集；
步骤S12、利用前置放大电路对步骤S11采集的声音信号进行放大处理；
步骤S13、利用数字电路对步骤S12放大处理后的声音信号进行同步采样处理。
更进一步地，所述异常声源定位的方法具体包括：
步骤S21、对步骤S13采集到的声音数据进行时频分析和功率谱计算；
步骤S22、对步骤S21处理后的声音数据进行异常声源定位处理。
进一步地，所述的声源模块为GIS辐射声源。
本发明采用的另一种技术方案为：气体绝缘封闭式组合电器异响监测装置，其包括：
信号采集模块，用于采集声源发出的声音数据；
成像定位模块，对采集到的声音数据进行异常声源定位，并将其可视化；
异常判别模块，用于提取异常声源数据特征参数，计算其声压级和高频能量占比，根据设定的阈值，对GIS的运行状况进行判别；
PC模块，将成像定位模块和异常判别模块处理后的信号显示在显示屏上，并将数据存储于PC模块的存储器中，若异常判别模块判断GIS设备出现异常，会触发PC模块中的报警器。
进一步地，所述信号采集模块包括传声器阵列、功率放大器和数据采集传输仪，采用传声器阵列对声源模块发出的声音进行采集；利用功率放大器对采集的声音信号进行放大处理；利用数据采集传输仪放大处理后的声音信号进行同步采样处理，并传输给成像定位模块。
进一步地，所述成像定位模块具体包括：对信号采集模块采集到的声音数据进行时频分析和功率谱计算，然后进行异常声源定位处理。
进一步地，所述PC模块包括显示屏、储存器和报警器。
进一步地，所述的声源模块为GIS辐射声源。
本发明具有以下有益效果：本发明通过声成像方法定位异常声信号，根据信号的特征量对设备安全状况进行判断，然后在PC模块上进行显示，具有测量速度快，计算效率高，分辨率好，适宜中长距离测量，对稳态、瞬态声源定位精度高以及不需要人工过多参与设备的安全检测的优点，可识别GIS的早期故障，预防设备缺陷进一步恶化，提升GIS设备的运维管理能力，可促进多元融合高弹性电网的建设。
附图说明
图1为本发明提出的气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法的结构示意图；
图2为本发明提出的气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法的结构示意图；
图3为本发明应用例中GIS正常状态下时频图；
图4为本发明应用例中GIS异常状态下时频图；
图5为本发明应用例中GIS正常状态下频谱图；
图6为本发明应用例中GIS异常状态下频谱图；
图7为本发明应用例中GIS运行状态综合评估图；
图中：1、信号采集模块；2、成像定位模块；3、异常判别模块；4、PC模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
参照图1-2，气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法，包括以下步骤：
步骤一、对GIS辐射声源发出的声音数据进行采集；
步骤二、对采集到的声音数据进行异常声源定位；
步骤三、提取异常声源数据特征参数，计算其声压级和高频能量占比，相较于设定阈值范围判定设备的运行状况；
步骤四、对步骤二和步骤三得到的判断信息进行显示、储存以及提醒。
步骤一中采集GIS运行声信号采用的是远场声源信号模型，
Figure BDA0003227568710000061
式中，r为声源与传声器阵列中心的距离，L为各传声器之间的间距，λ为声信号的波长；
根据传声器的分布位置不同，不同位置上的传声器接收到的信号存在一定的时间延迟，以第一个传声器作为参考，则声信号到达其他传声器的时间相对于第一个传声器的时间延迟为：
τm＝d cosθ/c，m＝1,2,Λ,M，
式中，c为声速，d为相邻两个传声器之间的距离，θ为远场声源的入射角度，τm为时间延迟，M为阵元数；
阵列波束形成的输出为：
Figure BDA0003227568710000071
式中，wm为加权系数，pm为所对应阵元接收到的复声压信号，t为时间；
用矢量表示上式可得：
X(t)＝[b1 T(t) b2 T(t)L bm T(t)]T＝[w1 w2L wm]P(t)＝w(θ)P(t)，
式中，X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，w(θ)为各传声器的方向矢量，P(t)为阵列接受的空间信号源矢量，
Figure BDA0003227568710000072
为m阵元所对应的输出；
对阵列求协方差矩阵：
R＝E[XH(t)X(t)]，
式中，E[]表示数学期望运算。
经过归一化的传统波束形成的方位谱估计为；
Figure BDA0003227568710000073
由此可求得声源在空间中的位置。
声压级：用来衡量GIS辐射的声音大小，是所有与声音有关状态或缺陷的直接反映。特别是出现瞬态信号时，该瞬间信号的声压级较大。
Figure BDA0003227568710000074
Lp表示声压级，pe表示检测对象声压有效值，pref表示标准声压。
高频能量占比：当GIS出现缺陷时，辐射出的信号在高频部分(3000Hz以上)会出现谐波，该情况下高频能量占比高于正常时的能量占比。
Figure BDA0003227568710000075
Eratio表示高频能量占比，EH表示检测对象高频能量，EG表示检测对象总能量。
利用声压级和高频能量占比数据与设定的阈值进行比较，则可以反映GIS是否出现缺陷。不同参数的数值变化范围不同，通过对每个参数设置注意、异常阈值对GIS当前的健康状态进行判别，进而发出预警评估。
声音数据的采集包括以下步骤：
步骤S11、采用传声器阵列对声源模块发出的声音进行采集；
步骤S12、利用前置放大电路对步骤S11采集的声音信号进行放大处理；
步骤S13、利用数字电路对步骤S12放大处理后的声音信号进行同步采样处理。
所述异常声源定位的方法具体包括：
步骤S21、对步骤S13采集到的声音数据进行时频分析和功率谱计算；
步骤S22、对步骤S21处理后的声音数据进行异常声源定位处理。
实施例2
气体绝缘封闭式组合电器异响监测装置，包括：
信号采集模块1，用于采集GIS辐射声源发出的声音数据；
成像定位模块2，对采集到的声音数据进行异常声源定位，并将其可视化；
异常判别模块3，用于提取异常声源数据特征参数，计算其声压级和高频能量占比，根据设定的阈值，对GIS的运行状况进行判别；
PC模块4，将成像定位模块和异常判别模块处理后的信号显示在显示屏上，并将数据存储于PC模块的存储器中，若异常判别模块判断GIS设备出现异常，会触发PC模块中的报警器。
所述信号采集模块包括传声器阵列、功率放大器和数据采集传输仪，采用传声器阵列对声源模块发出的声音进行采集；利用功率放大器对采集的声音信号进行放大处理；利用数据采集传输仪放大处理后的声音信号进行同步采样处理，并传输给成像定位模块。
所述成像定位模块具体包括：对信号采集模块采集到的声音数据进行时频分析和功率谱计算，然后进行异常声源定位处理。
信号采集模块中采集GIS运行声信号采用的是远场声源信号模型，
Figure BDA0003227568710000091
式中，r为声源与传声器阵列中心的距离，L为各传声器之间的间距，λ为声信号的波长；
根据传声器的分布位置不同，不同位置上的传声器接收到的信号存在一定的时间延迟，以第一个传声器作为参考，则声信号到达其他传声器的时间相对于第一个传声器的时间延迟为：
τm＝d cosθ/c，m＝1,2,Λ,M，
式中，c为声速，d为相邻两个传声器之间的距离，θ为远场声源的入射角度，τm为时间延迟，M为阵元数；
阵列波束形成的输出为：
Figure BDA0003227568710000092
式中，wm为加权系数，pm为所对应阵元接收到的复声压信号，t为时间；
用矢量表示上式可得：
X(t)＝[b1 T(t) b2 T(t)L bm T(t)]T＝[w1 w2L wm]P(t)＝w(θ)P(t)，
式中，X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，w(θ)为各传声器的方向矢量，P(t)为阵列接受的空间信号源矢量，
Figure BDA0003227568710000101
为m阵元所对应的输出；
对阵列求协方差矩阵：
R＝E[XH(t)X(t)]，
式中，E[]表示数学期望运算。
经过归一化的传统波束形成的方位谱估计为；
Figure BDA0003227568710000102
由此可求得声源在空间中的位置。
声压级：用来衡量GIS辐射的声音大小，是所有与声音有关状态或缺陷的直接反映。特别是出现瞬态信号时，该瞬间信号的声压级较大。
Figure BDA0003227568710000103
Lp表示声压级，pe表示检测对象声压有效值，pref表示标准声压。
高频能量占比：当GIS出现缺陷时，辐射出的信号在高频部分(3000Hz以上)会出现谐波，该情况下高频能量占比高于正常时的能量占比。
Figure BDA0003227568710000104
Eratio表示高频能量占比，EH表示检测对象高频能量，EG表示检测对象总能量。
利用声压级和高频能量占比数据与设定的阈值进行比较，则可以反映GIS是否出现缺陷。不同参数的数值变化范围不同，通过对每个参数设置注意、异常阈值对GIS当前的健康状态进行判别，进而发出预警评估。
应用例
某220kVGIS变电站在经过一年时间的投产运行，发现在某区域GIS设备上出现间歇性的“嗡嗡”异响。采用红外、超声等手段均未检测出异常位置及原因，随后采用本发明提出方法对该异响缺陷进行了检测分析。
首先对GIS辐射声源位置进行定位。
接着对GIS辐射声进行分析：
当GIS处于正常情况下其声音在短期内不会发生显著变化，如图3所示，噪声信号多以50Hz的偶数倍分量为主，如100Hz，200Hz，当GIS出现异常，其时频分布特性发生了变化，在500-3000Hz频段中出现了大量的谐波分量。
如图4所示，异响信号的主要能量分布在500-3000Hz，主要是由机械结构振动所辐射出的声信号。
GIS正常、异常状态下频谱图如图5-6所示，相较于正常情况，当GIS出现异常时，其声压远大于正常状态下辐射声声压。通过谱图能够发现异常缺陷，但对于运行人员的经验要求较高、不便于监测系统直接自动分析。
采用本发明提出的方法对采集到的声信号进行异响检测分析：
1、分别用中度灰色表示正常、轻度灰色表示注意、深度灰色表示异常，对每个特征绘制柱状图，设定GIS声压级、高频能量占比正常、注意、异常的阈值，如表1所示。
表1声纹特征参数阈值选取
特征参数 注意阈值 异常阈值
声压级 50 60
高频能量比 0.3 0.45
GIS运行状况 0.36 0.5
2、分析计算采集信号的声压级和高频能量占比，并对每个特征参数赋予权重获得GIS运行状态参数，结果如表2所示。将该综合运行状态参数与运行状态阈值进行对比，从而判断GIS的当前状态，根据比例绘制柱状图，如图7所示，可以看出，基于本发明提出的方法，可以有效的定位GIS异常声源位置并检测其状态。
表2采集信号特征参数及GIS运行状态参数
特征参数 声压级 高频能量比 GIS运行状况
参数值 64 0.43 0.53
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对声源模块发出的声音数据进行采集；
步骤二、对采集到的声音数据进行异常声源定位，并将其可视化；
步骤三、提取异常声源数据特征参数，计算其声压级和高频能量占比，相较于设定的阈值范围判定设备的运行状况；
步骤四、对步骤二和步骤三得到的判断信息进行显示、储存以及提醒；
所述步骤一中采集GIS运行声信号采用的是远场声源信号模型，
Figure FDA0003903861270000011
式中，r为声源与传声器阵列中心的距离，L为各传声器之间的间距，λ为声信号的波长；
根据传声器的分布位置不同，不同位置上的传声器接收到的信号存在一定的时间延迟，以第一个传声器作为参考，则声信号到达其他传声器的时间相对于第一个传声器的时间延迟为：
τm＝dcosθ/c，m＝1,2,…,M，
式中，c为声速，d为相邻两个传声器之间的距离，θ为远场声源的入射角度，τm为时间延迟，M为阵元数；
阵列波束形成的输出为：
Figure FDA0003903861270000012
式中，wm为加权系数，pm为所对应阵元接收到的复声压信号，t为时间；
用矢量表示上式可得：
X(t)＝[b1 T(t) b2 T(t) … bm T(t)]T＝[w1 w2 … wm]P(t)＝w(θ)P(t)，
式中，X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，w(θ)为各传声器的方向矢量，P(t)为阵列接受的空间信号源矢量，
Figure FDA0003903861270000021
为m阵元所对应的输出；
对阵列求协方差矩阵：
R＝E[XH(t)X(t)]，
式中，E[]表示数学期望运算；
经过归一化的传统波束形成的方位谱估计值为：
Figure FDA0003903861270000022
由此求得声源在空间中的位置。
2.根据权利要求1所述的气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法，其特征在于，所述声音数据的采集包括以下步骤：
步骤S11、采用传声器阵列对声源模块发出的声音进行采集；
步骤S12、利用前置放大电路对步骤S11采集的声音信号进行放大处理；
步骤S13、利用数字电路对步骤S12放大处理后的声音信号进行同步采样处理。
3.根据权利要求2所述的气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法，其特征在于，所述异常声源定位的方法具体包括：
步骤S21、对步骤S13采集到的声音数据进行时频分析和功率谱计算；
步骤S22、对步骤S21处理后的声音数据进行异常声源定位处理。
4.根据权利要求1所述的气体绝缘封闭式组合电器异响监测方法，其特征在于，所述的声源模块为GIS辐射声源。
5.气体绝缘封闭式组合电器异响监测装置，其特征在于，包括：
信号采集模块(1)，用于采集声源模块 发出的声音数据；
成像定位模块(2)，对采集到的声音数据进行异常声源定位，并将其可视化；
异常判别模块(3)，用于提取异常声源数据特征参数，计算其声压级和高频能量占比，根据设定的阈值，对GIS的运行状况进行判别；
PC模块(4)，将成像定位模块(2)和异常判别模块(3)处理后的信号显示在显示屏上，并将数据存储于PC模块(4)的存储器中，若异常判别模块(3)判断GIS设备出现异常，会触发PC模块(4)中的报警器；
所述信号采集模块中，采集GIS运行声信号采用的是远场声源信号模型，
Figure FDA0003903861270000031
式中，r为声源与传声器阵列中心的距离，L为各传声器之间的间距，λ为声信号的波长；
根据传声器的分布位置不同，不同位置上的传声器接收到的信号存在一定的时间延迟，以第一个传声器作为参考，则声信号到达其他传声器的时间相对于第一个传声器的时间延迟为：
τm＝dcosθ/c，m＝1,2,…,M，
式中，c为声速，d为相邻两个传声器之间的距离，θ为远场声源的入射角度，τm为时间延迟，M为阵元数；
阵列波束形成的输出为：
Figure FDA0003903861270000032
式中，wm为加权系数，pm为所对应阵元接收到的复声压信号，t为时间；
用矢量表示上式可得：
X(t)＝[b1 T(t) b2 T(t) … bm T(t)]T＝[w1 w2 … wm]P(t)＝w(θ)P(t)，
式中，X(t)为阵列的M×1维快拍数据矢量，w(θ)为各传声器的方向矢量，P(t)为阵列接受的空间信号源矢量，
Figure FDA0003903861270000041
为m阵元所对应的输出；
对阵列求协方差矩阵：
R＝E[XH(t)X(t)]，
式中，E[]表示数学期望运算；
经过归一化的传统波束形成的方位谱估计值为：
Figure FDA0003903861270000042
由此求得声源在空间中的位置。
6.根据权利要求5所述的气体绝缘封闭式组合电器异响监测装置，其特征在于，所述信号采集模块(1)包括传声器阵列、功率放大器和数据采集传输仪，采用传声器阵列对声源模块发出的声音进行采集；利用功率放大器对采集的声音信号进行放大处理；利用数据采集传输仪放大处理后的声音信号进行同步采样处理，并传输给成像定位模块。
7.根据权利要求5所述的气体绝缘封闭式组合电器异响监测装置，其特征在于，所述成像定位模块具体包括：对信号采集模块采集到的声音数据进行时频分析和功率谱计算，然后进行异常声源定位处理。
8.根据权利要求5所述的气体绝缘封闭式组合电器异响监测装置，其特征在于，所述PC模块(4)包括显示屏、储存器和报警器。
9.根据权利要求5所述的气体绝缘封闭式组合电器异响监测装置，其特征在于，所述的声源模块为GIS辐射声源。
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