CN113848253A - 仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测方法及装置 - Google Patents

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CN113848253A CN202110960368.2A CN202110960368A CN113848253A CN 113848253 A CN113848253 A CN 113848253A CN 202110960368 A CN202110960368 A CN 202110960368A CN 113848253 A CN113848253 A CN 113848253A
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Abstract

本发明提出一种基于声发射特征参量Frechet判别的仿真变电站主变压器基底渗水状态监测方法及装置，该装置包括声发射传感器(1)和信号处理模块(2)，所述信号处理模块(2)中设置有基底渗水状态判别对照组参数。该方法在监测中利用声发射传感器(1)获取基底信号，并对信号进行两种特征参数提取，通过与对照组参数阈值区间的比较确定基底所处的渗水状态。本发明所需硬件简单，监测结果准确，具有良好的实时性，能提前预警，保护仿真变电站培训人员。

Description

仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测方法及装置
技术领域
本发明属于电力基建工程安全监测领域，涉及一种基于声发射信号特征参量Frechet判别的仿真变电站主变压器基底渗水状态监测方法。
背景技术
岩土基底是承载仿真变电站主变压器对地应力的主体，大载荷下的基底具有高围压、易渗水特点，在潮湿环境中易产生区域疲劳，进而在长期水文侵蚀与应力作用下发生损伤事故。渗水会造成主变压器基底抗压抗剪强度降低，改变其弹性模量、泊松比等力学参量，进而影响其宏观力学性能。在水文与围压耦合作用下的基底损伤会影响地面设备的正常运行，且对人员安全带来威胁，仿真变电站培训人员距离主变压器较近，基地损伤和沉陷会对人员安全带来更大威胁。因此，开展仿真变电站主变压器基底渗水状态监测具有重要科学意义。
当前岩土基底渗水状态监测主要分为直接法和间接法，直接法指取样测量，间接法指采用诸如时频域反射法、电阻电容法、中子法等基于岩土介电与电导特性的测量。上述方法在监测实时性、组网经济性及各异岩体适应性等方面存在不足，如何利用渗水损伤前兆信息实现基底渗水状态实时监测，在宏观损伤崩塌前做到超前预警是一项亟待解决的难题。
从前期的实验研究可知，水分对岩土基底声发射信号能量参量影响最大，这是因为声发射产生于颗粒摩擦滑移过程，水分对岩土颗粒具有软化作用，使其摩擦效应减弱，故产生的声发射信号能量减少。为充分利用这一特性，对声发射信号进行包络线提取，然后进行时域等分，通过包络线电压等分采样和Frechet判别方法实现渗水状态监测。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提出一种基于声发射特征参量Frechet判别的仿真变电站主变压器基底渗水状态监测方法及装置。所述装置包括设置在主变压器基底上的声发射传感器模块、信号处理模块；所述声发射传感器模块用于获得主变压器基底声发射信号，并传输给信号处理模块；所述信号处理模块由参数采样模块和Frechet相似判别模块组成，所述参数采样模块用于将接收到的声发射信号包络线进行采样处理，得到轮廓点指标、变速点指标并传输给Frechet相似判别模块；所述Frechet相似判别模块用于将接收到的轮廓点指标、变速点指标，通过计算离散Frechet距离与内置的渗水状态判别对照组进行匹配，输出匹配得到的渗水状态。
所述参数采样模块将接收到的声发射信号包络线进行采样处理：对包络线进行时域M等分，在等分后的第k(0<k<M)时段内采用G条电压等分线进行采样，电压等分线与包络线的交点为采样点。
所述G条电压等分线进行采样的方法为：设第k个时段内包络信号极大值与极小值分别为fmax和fmin，在极大值和极小值之间规划G条电压等分线，采样线方程记为Sn(t)，n∈[0,G-1]，表达式为：
S0(t)＝fmin；
Figure BDA0003222075710000021
……
Figure BDA0003222075710000022
将各采样点纵坐标记为轮廓点指标
Figure BDA0003222075710000023
轮廓点指标表征了信号幅值和轮廓特征。
将第n+1、n个采样点的电压差记为vn+1-vn，后第n+1、n个的时间间隔记为tn+1-tn，变速点指标记为φ，
Figure BDA0003222075710000024
变速点指标的绝对值大小表征了信号变化的快慢，正负表征了信号的高低走势。
所述Frechet相似判别模块中内置的渗水状态判别对照组基于不同渗水状态下的多组主变压器基底声发射信号构建而成，其中每组主变压器基底声发射信号包括一个渗水状态下的多个声发射信号，所述渗水状态判别对照组中一个渗水状态对应一个特征参数组，一个特征参数组对应轮廓点、变速点两个指标的参数阈值区间。
获取轮廓点、变速点指标的参数阈值区间方法为：
获取未渗水状态下的主变压器基底声发射信号，对每个声发射信号包络线分别进行采样处理，得到相应的轮廓点指标、变速点指标；
记第i个渗水状态下第j个声发射信号包络线采样得到的轮廓点指标序列和变速点指标序列分别为Aij和Cij，未渗水状态下声发射信号包络线采样得到的轮廓点指标序列和变速点指标序列分别为B和D，计算Aij与B至高点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000025
和至低点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000026
计算Cij与D至高点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000027
和至低点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000028
进而得到Aij与B的判别因子
Figure BDA0003222075710000029
Cij与D的判别因子
Figure BDA00032220757100000210
N为采样点数量；
计算第i个渗水状态下的轮廓点指标判别因子
Figure BDA0003222075710000031
变速点指标判别因子
Figure BDA0003222075710000032
进而得到第i个渗水状态下轮廓点指标的参数阈值区间[εi-σε,εi+σε]，变速点指标的参数阈值区间
Figure BDA0003222075710000033
σε、
Figure BDA00032220757100000311
为设定的参量调节因子。
所述Frechet相似判别模块中，计算接收到的轮廓点指标序列E与B至高点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000034
和至低点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000035
计算接收到的变速点指标序列H与D至高点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000036
和至低点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000037
计算E和H对应的轮廓点指标判别因子εE和变速点指标判别因子
Figure BDA0003222075710000038
Figure BDA0003222075710000039
若εE∈[εi-σε,εi+σε]、且
Figure BDA00032220757100000310
则当前主变压器基底处于第i个渗水状态下。
本发明利用声发射包络线提取获得信号能量特征，利用参数采样方法得到轮廓点和变速点指标，将声发射监测数据进行离散化规范表达，利于计算机规模存储与运算；利用基底渗水前兆声发射信息进行渗水状态识别，提高了渗水状态监测的超前性，可在基底渗水造成明显结构宏观损伤前实时预测渗水状态；通过本发明，可将连续声发射信号分解为两个采样指标，在保留监测信号轮廓信息和变化速度信息的同时做到监测数据压缩，减少了监测系统本地存储和传输带宽压力。
本发明的技术效益是：提供了一种仿真变电站主变压器基底渗水状态监测新方法，利用声发射信号包络线采样得到特征参量，通过参量Frechet距离相似性判别获得基底渗水状态，本发明涉及的硬件简单，渗水状态监测准确性高且实时性好，能提前预警，保护仿真变电站培训人员。
说明书附图
图1是本发明的声发射包络信号采样时域等分、电压等分示意图(图中时域进行3等分，规划7根电压等分线，对每一信号片段均开展了采样)；
图2是本发明的参数采样示意图；
图3是不同含水状态声发射信号，其中(a)是未渗水损伤，(b)是轻度渗水损伤，(c)是中度渗水损伤，(d)是重度渗水损伤；
图4是轮廓点与变速点指标，其中(a)是轮廓点指标，(b)是变速点指标。
图5是渗水状态识别结果。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
在一个实施例中，提供了一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测方法，包括：
1)获取不同渗水状态下的多组主变压器基底声发射信号，每组主变压器基底声发射信号包括一个渗水状态下的多个声发射信号，对每个声发射信号包络线分别进行采样处理，得到相应的轮廓点指标、变速点指标，通过计算离散Frechet距离得到轮廓点指标、变速点指标的参数阈值区间，构建渗水状态判别对照组；所述渗水状态判别对照组中一个渗水状态对应一个特征参数组，一个特征参数组对应轮廓点、变速点两个指标的参数阈值区间；
2)对基底声发射信号开展实时捕获，对实时捕获的声发射信号包络线进行采样处理，得到相应的轮廓点指标、变速点指标；
3)若2)中得到的轮廓点指标、变速点指标与渗水状态判别对照组进行匹配，即得到相应的渗水状态。
进一步，如图1和2所示，步骤1)和2)中对声发射信号包络线进行采样处理，得到轮廓点指标、变速点指标，具体步骤包括：
对包络线进行时域M等分，在等分后的第k个时段内采用G条电压等分线进行采样，电压等分线与包络线的交点为采样点，0<k<M；
轮廓点指标
Figure BDA0003222075710000041
为电压等分线与包络线交点的纵坐标；
变速点指标
Figure BDA0003222075710000042
其中vn+1、vn分别为第n+1、n个采样点的电压，tn+1、tn分别为第n+1、n个采样点的时间。
进一步，记第k个时段内，声发射信号的极大值和极小值分别为fmax和fmin，在fmax和fmin内均匀规划G条电压等分线对包络线进行采样。
进一步，步骤1)中通过计算离散Frechet距离得到轮廓点与变速点指标的参数阈值区间，具体方法为：
获取未渗水状态下的主变压器基底声发射信号，对每个声发射信号包络线分别进行采样处理，得到相应的轮廓点指标、变速点指标；
记第i个渗水状态下第j个声发射信号包络线采样得到的轮廓点指标序列和变速点指标序列分别为Aij和Cij，未渗水状态下声发射信号包络线采样得到的轮廓点指标序列和变速点指标序列分别为B和D，计算Aij与B至高点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000051
和至低点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000052
计算Cij与D至高点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000053
和至低点间的离散Frechet距离
Figure BDA0003222075710000054
进而得到Aij与B的判别因子
Figure BDA0003222075710000055
Cij与D的判别因子
Figure BDA0003222075710000056
N为采样点数量；
计算第i个渗水状态下的轮廓点指标判别因子
Figure BDA0003222075710000057
变速点指标判别因子
Figure BDA0003222075710000058
进而得到第i个渗水状态下轮廓点指标的参数阈值区间[εi-σε,εi+σε]，变速点指标的参数阈值区间
Figure BDA0003222075710000059
σε、
Figure BDA00032220757100000510
为设定的参量调节因子。
进一步，步骤3)具体为：
计算2)中得到的轮廓点指标序列E与B至高点间的离散Frechet距离
Figure BDA00032220757100000511
和至低点间的离散Frechet距离
Figure BDA00032220757100000512
计算2)中得到的变速点指标序列H与D至高点间的离散Frechet距离
Figure BDA00032220757100000513
和至低点间的离散Frechet距离
Figure BDA00032220757100000514
计算E和H对应的轮廓点指标判别因子εE和变速点指标判别因子
Figure BDA00032220757100000515
Figure BDA00032220757100000516
若εE∈[εi-σε,εi+σε]、且
Figure BDA00032220757100000517
则当前主变压器基底处于第i个渗水状态下。
在一个实施例中，提供了一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测装置，所述装置包括设置在主变压器基底上的声发射传感器模块、信号处理模块；所述声发射传感器模块用于获得主变压器基底声发射信号，并传输给信号处理模块；所述信号处理模块由参数采样模块和Frechet相似判别模块组成，所述参数采样模块用于将接收到的声发射信号包络线进行采样处理，得到轮廓点指标、变速点指标并传输给Frechet相似判别模块；所述Frechet相似判别模块用于将接收到的轮廓点指标、变速点指标，通过计算离散Frechet距离与内置的渗水状态判别对照组进行匹配，输出匹配得到的渗水状态。
以含水状态为4种为例，分别模拟未渗水、轻度渗水、中度渗水和重度渗水状态，不同含水状态声发射信号如图3中的(a)至(d)所示。利用参数采样模块开展采样，得到轮廓点与变速点指标如图4中的(a)和(b)所示。选择未渗水、轻度渗水、中度渗水和重度渗水声发射信号各10个，开展渗水状态识别，结果如图5所示，结果可知未渗水样本和重度渗水样本识别效果最好，全部正确归类，轻度渗水样本误拒1个(归入未渗水损伤组别)，中度渗水误拒2个(归入重度渗水组别)，整体识别准确率为92.5％。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，应当理解的是，对所属领域技术人员来说，在本发明的技术方案上不许付出创造性劳动即可获得的改进或变换都应属于本发明所属权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测方法，其特征在于：所述方法包括：
1)获取不同渗水状态下的多组主变压器基底声发射信号，每组主变压器基底声发射信号包括一个渗水状态下的多个声发射信号，对每个声发射信号包络线分别进行采样处理，得到相应的轮廓点指标、变速点指标，通过计算离散Frechet距离得到轮廓点指标、变速点指标的参数阈值区间，构建渗水状态判别对照组；所述渗水状态判别对照组中一个渗水状态对应一个特征参数组，一个特征参数组对应轮廓点、变速点两个指标的参数阈值区间；
2)对基底声发射信号开展实时捕获，对实时捕获的声发射信号包络线进行采样处理，得到相应的轮廓点指标、变速点指标；
3)若2)中得到的轮廓点指标、变速点指标与渗水状态判别对照组进行匹配，即得到相应的渗水状态。
2.根据权利要求1所述的一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测方法，其特征在于：步骤1)和2)中对声发射信号包络线进行采样处理，得到轮廓点指标、变速点指标，具体步骤包括：
对包络线进行时域M等分，在等分后的第k个时段内采用G条电压等分线进行采样，电压等分线与包络线的交点为采样点，0<k<M；
轮廓点指标
Figure FDA0003222075700000011
为电压等分线与包络线交点的纵坐标；
变速点指标
Figure FDA0003222075700000012
其中vn+1、vn分别为第n+1、n个采样点的电压，tn+1、tn分别为第n+1、n个采样点的时间。
3.根据权利要求2所述的一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测方法，其特征在于：记第k个时段内，声发射信号的极大值和极小值分别为fmax和fmin，在fmax和fmin内均匀规划G条电压等分线对包络线进行采样。
4.根据权利要求1所述的一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测方法，其特征在于：通过计算离散Frechet距离得到轮廓点与变速点指标的参数阈值区间，具体方法为：
获取未渗水状态下的主变压器基底声发射信号，对每个声发射信号包络线分别进行采样处理，得到相应的轮廓点指标、变速点指标；
记第i个渗水状态下第j个声发射信号包络线采样得到的轮廓点指标序列和变速点指标序列分别为Aij和Cij，未渗水状态下声发射信号包络线采样得到的轮廓点指标序列和变速点指标序列分别为B和D，计算Aij与B至高点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000013
和至低点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000014
计算Cij与D至高点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000015
和至低点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000021
进而得到Aij与B的判别因子
Figure FDA0003222075700000022
Cij与D的判别因子
Figure FDA0003222075700000023
N为采样点数量；
计算第i个渗水状态下的轮廓点指标判别因子
Figure FDA0003222075700000024
变速点指标判别因子
Figure FDA0003222075700000025
进而得到第i个渗水状态下轮廓点指标的参数阈值区间[εi-σε,εi+σε]，变速点指标的参数阈值区间
Figure FDA0003222075700000026
σε、
Figure FDA0003222075700000027
为设定的参量调节因子。
5.根据权利要求4所述的一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测方法，其特征在于：步骤(3)具体为：
计算2)中得到的轮廓点指标序列E与B至高点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000028
和至低点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000029
计算2)中得到的变速点指标序列H与D至高点间的离散Frechet距离
Figure FDA00032220757000000210
和至低点间的离散Frechet距离
Figure FDA00032220757000000211
计算E和H对应的轮廓点指标判别因子εE和变速点指标判别因子
Figure FDA00032220757000000212
Figure FDA00032220757000000213
若εE∈[εi-σε,εi+σε]、且
Figure FDA00032220757000000214
则当前主变压器基底处于第i个渗水状态下。
6.一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测装置，其特征在于：所述装置包括设置在主变压器基底上的声发射传感器模块(1)、信号处理模块(2)；所述声发射传感器模块(1)用于获得主变压器基底声发射信号，并传输给信号处理模块；所述信号处理模块(2)由参数采样模块和Frechet相似判别模块组成，所述参数采样模块用于将接收到的声发射信号包络线进行采样处理，得到轮廓点指标、变速点指标并传输给Frechet相似判别模块；所述Frechet相似判别模块用于将接收到的轮廓点指标、变速点指标，通过计算离散Frechet距离与内置的渗水状态判别对照组进行匹配，输出匹配得到的渗水状态。
7.如权利要求6所述的一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测装置，其特征在于：所述参数采样模块将接收到的声发射信号包络线进行采样处理，得到轮廓点指标、变速点指标，具体步骤包括：
对包络线进行时域M等分，在等分后的第k个时段内采用G条电压等分线进行采样，电压等分线与包络线的交点为采样点，0<k<M；
轮廓点指标
Figure FDA0003222075700000031
为电压等分线与包络线交点的纵坐标；
变速点指标
Figure FDA0003222075700000032
其中vn+1、vn分别为第n+1、n个采样点的电压，tn+1、tn分别为第n+1、n个采样点的时间。
8.如权利要求6所述的一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测装置，其特征在于：所述Frechet相似判别模块中内置的渗水状态判别对照组基于不同渗水状态下的多组主变压器基底声发射信号构建而成，其中每组主变压器基底声发射信号包括一个渗水状态下的多个声发射信号，所述渗水状态判别对照组中一个渗水状态对应一个特征参数组，一个特征参数组对应轮廓点、变速点两个指标的参数阈值区间；
所述轮廓点、变速点指标的参数阈值区间的确定步骤包括：
获取未渗水状态下的主变压器基底声发射信号，对每个声发射信号包络线分别进行采样处理，得到相应的轮廓点指标、变速点指标；
记第i个渗水状态下第j个声发射信号包络线采样得到的轮廓点指标序列和变速点指标序列分别为Aij和Cij，未渗水状态下声发射信号包络线采样得到的轮廓点指标序列和变速点指标序列分别为B和D，计算Aij与B至高点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000033
和至低点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000034
计算Cij与D至高点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000035
和至低点间的离散Frechet距离
Figure FDA0003222075700000036
进而得到Aij与B的判别因子
Figure FDA0003222075700000037
Cij与D的判别因子
Figure FDA0003222075700000038
N为采样点数量；
计算第i个渗水状态下的轮廓点指标判别因子
Figure FDA0003222075700000039
变速点指标判别因子
Figure FDA00032220757000000310
进而得到第i个渗水状态下轮廓点指标的参数阈值区间[εi-σε,εi+σε]，变速点指标的参数阈值区间
Figure FDA00032220757000000311
σε、
Figure FDA00032220757000000312
为设定的参量调节因子。
9.如权利要求8所述的一种仿真变电站主变压器基底渗水状态声发射监测装置，其特征在于：所述Frechet相似判别模块中，计算接收到的轮廓点指标序列E与B至高点间的离散Frechet距离
Figure FDA00032220757000000313
和至低点间的离散Frechet距离
Figure FDA00032220757000000314
计算接收到的变速点指标序列H与D至高点间的离散Frechet距离
Figure FDA00032220757000000315
和至低点间的离散Frechet距离
Figure FDA00032220757000000316
计算E和H对应的轮廓点指标判别因子εE和变速点指标判别因子
Figure FDA00032220757000000317
Figure FDA0003222075700000041
若εE∈[εi-σε,εi+σε]、且
Figure FDA0003222075700000042
则当前主变压器基底处于第i个渗水状态下。
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