CN114152326A - 一种配电房开关柜振动测量方法及贴片式数字化传感器 - Google Patents

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向竑宇
黄林
刘佳
王谦
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Abstract

本发明公开了一种配电房开关柜振动测量方法及贴片式数字化传感器，包括以下步骤：振动测量模块测量开关柜机械振动的模拟信号传输至模拟数字转换模块，将模拟信号转换为数字信号，发送至微控制器；加速度测量模块测量开关柜X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据，发送至微控制器；将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，计算对应频谱数据；提取频谱图中振动信号的特征量，与内置的机械振动故障频谱特征图比较，得到振动故障结果。降低了开关柜测量难度，集成度高，操作人员无需丰富的开关柜机械故障检测经验，经过简单培训，可以检测出专业的结果，提升了机械故障检测效率。

Description

一种配电房开关柜振动测量方法及贴片式数字化传感器
技术领域
本发明涉及电力系统配网设备振动故障检检测技术领域，尤其涉及一种配电房开关柜振动测量方法及贴片式数字化传感器。
背景技术
在电力系统配网设备振动故障检测领域，配电房开关柜为配网中重要的电气设备，负责配电线路的开合、控制和保护，其安全运行直接影响终端用电用户的生活质量。目前开关柜故障主要聚焦于局部放电和设备过热的检测。据统计，开关柜的机械故障占据主流故障比例达20％，仅次于绝缘故障发生的频率。
针对配电房开关柜振动故障的检测，传统手段操作复杂，需要配备专业的测量设备和人员，检测成本较高，在不停电的情况下检测仍然存在安全风险，判断指标较为单一，主要以监测电流或电磁量来从侧面判断机械故障类型，检测准确度较低。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种配电房开关柜振动测量方法及贴片式数字化传感器。
为实现上述目的，本发明提供了一种配电房开关柜振动测量方法，包括以下步骤：
S1、振动测量模块测量开关柜机械振动的模拟信号传输至模拟数字转换模块，模拟数字转换模块将模拟信号转换为数字信号，发送至微控制器；
S2、加速度测量模块测量开关柜X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据，发送至微控制器；
S3、微控制器将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，计算振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形对应频谱数据；
S4、提取振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱图中振动信号的特征量，与内置的机械振动故障频谱特征图比较，得到振动故障结果。
可选的，所述S4之后还包括：S5、将振动故障结果和振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱数据发送至巡检终端。
可选的，所述S5、将振动故障结果和振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱数据发送至巡检终端，包括：通过无线通信模块将振动故障结果和振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱数据发送至巡检终端。
可选的，所述巡检终端为手机或平板。
可选的，所述S3中，微控制器将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，计算振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形对应频谱数据，包括：微控制器将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，数字信号处理模块对振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形进行离散傅里叶变换，计算振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形对应频谱数据。
可选的，所述S4中：
所述振动波形的振动频谱为：
Figure BDA0003373421170000031
其中，Xa[n]为振动波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为振动数字信号，N为振动波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，0≤k≤N-1；
所述X轴加速度波形的振动频谱为：
Figure BDA0003373421170000032
其中，Xa_x[n]为X轴加速度波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为X轴加速度振动数字信号，N为X轴加速度波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，,0≤k≤N-1；
所述Y轴加速度波形的振动频谱为：
Figure BDA0003373421170000033
其中，Xa_y[n]为Y轴加速度波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为Y轴加速度振动数字信号，N为Y轴加速度波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，,0≤k≤N-1；
所述Z轴加速度波形的振动频谱为：
Figure BDA0003373421170000034
Xa_y[n]为Z轴加速度波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为Z轴加速度振动数字信号，N为Z轴加速度波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，,0≤k≤N-1。
本发明的配电房开关柜振动测量方法，降低了开关柜测量难度，操作人员无需丰富的开关柜机械故障检测经验，经过简单培训，可以检测出专业的结果，提升了机械故障检测效率。
本发明还提供一种振动测量贴片式数字化传感器，包括：贴片式壳体和设置于所述贴片式壳体中的传感器单元；所述传感器单元包括封装于所述贴片式壳体中的加速度测量模块、模拟数字转换模块、微控制器、数字信号处理模块、无线通信模块以及嵌设于所述贴片式壳体上的振动测量模块，所述加速度测量模块、所述微控制器、所述数字信号处理模块以及所述无线通信模块依次相连，所述振动测量模块与所述模拟数字转换模块相连，所述模拟数字转换模块与所述微控制器相连，所述贴片式壳体中设置有磁性件。
可选的，所述振动测量模块的测量平面与所述贴片式壳体的表面平齐。
可选的，所述贴片式壳体中还封装有电源模块，所述加速度测量模块、所述模拟数字转换模块、所述微控制器、所述数字信号处理模块、所述无线通信模块、所述振动测量模块分别与所述电源模块相连。
可选的，所述振动测量模块用于测量开关柜机械振动的模拟信号并传输至模拟数字转换模块，所述模拟数字转换模块将模拟信号转换为数字信号，发送至所述微控制器；所述加速度测量模块测量开关柜X、Y、Z三轴振动加速度数据，发送至所述微控制器。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
该振动测量贴片式数字化传感器，集成度高，将贴片式壳体中的加速度测量模块、模拟数字转换模块、微控制器、数字信号处理模块、无线通信模块以及嵌设于所述贴片式壳体上的振动测量模块集成在贴片式壳体中，体积小巧，便于携带，自带磁吸功能，方便安装；
开关柜振动故障为无线测量的模式，能够在设备带电的情况下实现非接触测量，降低触电风险，保障操作人员安全；
具备振动故障分析能力，实现边缘计算，无需依赖无线终端硬件配置和算例，实现无线终端展示结果。
附图说明
图1是本发明第一实施例配电房开关柜振动测量方法的流程图；
图2是本发明第二实施例振动测量贴片式数字化传感器的结构示意图；
图3是本发明第二实施例振动测量贴片式数字化传感器的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例一：
如图1所示，一种配电房开关柜振动测量方法，包括以下步骤：
S1、振动测量模块测量开关柜机械振动的模拟信号传输至模拟数字转换模块，模拟数字转换模块将模拟信号转换为数字信号，发送至微控制器；
S2、加速度测量模块测量开关柜X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据，发送至微控制器；
S3、微控制器将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，计算振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形对应频谱数据；
S4、提取振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱图中振动信号的特征量，与内置的机械振动故障频谱特征图比较，得到振动故障结果。
可选的，所述S4之后还包括：S5、将振动故障结果和振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱数据发送至巡检终端。
可选的，所述S5、将振动故障结果和振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱数据发送至巡检终端，包括：通过无线通信模块将振动故障结果和振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱数据发送至巡检终端。
所述巡检终端为手机或平板。
所述S3中，微控制器将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，计算振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形对应频谱数据，包括：微控制器将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，数字信号处理模块对振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形进行离散傅里叶变换，计算振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形对应频谱数据。
可选的，所述S4中：
所述振动波形的振动频谱为：
Figure BDA0003373421170000061
其中，Xa[n]为振动波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为振动数字信号，N为振动波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，0≤k≤N-1；
所述X轴加速度波形的振动频谱为：
Figure BDA0003373421170000062
其中，Xa_x[n]为X轴加速度波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为X轴加速度振动数字信号，N为X轴加速度波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，,0≤k≤N-1；
所述Y轴加速度波形的振动频谱为：
Figure BDA0003373421170000071
其中，Xa_y[n]为Y轴加速度波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为Y轴加速度振动数字信号，N为Y轴加速度波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，,0≤k≤N-1；
所述Z轴加速度波形的振动频谱为：
Figure BDA0003373421170000072
Xa_y[n]为Z轴加速度波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为Z轴加速度振动数字信号，N为Z轴加速度波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，,0≤k≤N-1。
本发明的配电房开关柜振动测量方法，通过振动测量贴片式数字化传感器直接贴到开关柜表面进行振动采集，采集数据包含振动波形、X、Y、Z三轴振动加速度加速度波形，在传感器端对波形进行数字信号处理分析后，获得当前振动故障特征量，比对自身故障特征库，判断机械故障类型，并通过蓝牙无线传输至附近的巡检终端。
实施例二：
结合图2及图3所示，本发明还提供一种振动测量贴片式数字化传感器，包括：贴片式壳体2和设置于所述贴片式壳体2中的传感器单元；所述传感器单元包括封装于所述贴片式壳体2中的加速度测量模块、模拟数字转换模块、微控制器、数字信号处理模块、无线通信模块以及嵌设于所述贴片式壳体上的振动测量模块1，所述加速度测量模块、所述微控制器、所述数字信号处理模块以及所述无线通信模块依次相连，所述振动测量模块1与所述模拟数字转换模块相连，所述模拟数字转换模块与所述微控制器相连，所述贴片式壳体中设置有磁性件。
所述振动测量模块1的测量平面与所述贴片式壳体2的表面平齐。
所述贴片式壳体2中还封装有电源模块，所述加速度测量模块、所述模拟数字转换模块、所述微控制器、所述数字信号处理模块、所述无线通信模块、所述振动测量模块1分别与所述电源模块相连。
所述振动测量模块1用于测量开关柜机械振动的模拟信号并传输至模拟数字转换模块，所述模拟数字转换模块将模拟信号转换为数字信号，发送至所述微控制器；所述加速度测量模块测量开关柜X、Y、Z三轴振动加速度数据，发送至所述微控制器。
本发明的振动测量贴片式数字化传感器根据开关柜本身结构相匹配进行设计，由于开关柜机械故障产生后，机械波在开关柜表面进行传播，通过本发明的振动测量贴片式数字化传感器直接贴到开关柜表面进行振动采集，采集数据包含振动波形、X、Y、Z三轴振动加速度加速度波形，在传感器端对波形进行数字信号处理分析后，获得当前振动故障特征量，比对自身故障特征库，即可判断机械故障类型，并通过蓝牙无线传输至附近的巡检终端。
该振动测量贴片式数字化传感器，体积小巧，便于携带，自带磁吸功能，方便安装；开关柜振动故障为无线测量的模式，能够在设备带电的情况下实现非接触测量，降低触电风险，保障操作人员安全；具备振动故障分析能力，实现边缘计算，无需依赖无线终端硬件配置和算例，实现无线终端展示结果。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种配电房开关柜振动测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、振动测量模块测量开关柜机械振动的模拟信号传输至模拟数字转换模块，模拟数字转换模块将模拟信号转换为数字信号，发送至微控制器；
S2、加速度测量模块测量开关柜X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据，发送至微控制器；
S3、微控制器将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，计算振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形对应频谱数据；
S4、提取振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱图中振动信号的特征量，与内置的机械振动故障频谱特征图比较，得到振动故障结果。
2.如权利要求1所述的配电房开关柜振动测量方法，其特征在于，所述S3中，所述S4之后还包括：S5、将振动故障结果和振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱数据发送至巡检终端。
3.如权利要求2所述的配电房开关柜振动测量方法，其特征在于，所述S5、将振动故障结果和振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱数据发送至巡检终端，包括：通过无线通信模块将振动故障结果和振动波形、X轴、Y轴、Z轴加速度波形的频谱数据发送至巡检终端。
4.如权利要求2或3所述的配电房开关柜振动测量方法，其特征在于，所述巡检终端为手机或平板。
5.如权利要求1所述的配电房开关柜振动测量方法，其特征在于，所述S3中，微控制器将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，计算振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形对应频谱数据，包括：微控制器将数字信号的振动波形和X轴、Y轴、Z轴振动加速度数据的X轴、Y轴、Z轴加速度波形传输至数字信号处理模块，数字信号处理模块对振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形进行离散傅里叶变换，计算振动波形和X轴、Y轴、Z轴加速度波形对应频谱数据。
6.如权利要求4所述的配电房开关柜振动测量方法，其特征在于，所述S3中，所述S4中，
所述振动波形的振动频谱为：
Figure FDA0003373421160000021
其中，Xa[n]为振动波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为振动数字信号，N为振动波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，0≤k≤N-1；
所述X轴加速度波形的振动频谱为：
Figure FDA0003373421160000022
其中，Xa_x[n]为X轴加速度波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为X轴加速度振动数字信号，N为X轴加速度波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，,0≤k≤N-1；
所述Y轴加速度波形的振动频谱为：
Figure FDA0003373421160000023
其中，Xa_y[n]为Y轴加速度波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为Y轴加速度振动数字信号，N为Y轴加速度波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，,0≤k≤N-1；
所述Z轴加速度波形的振动频谱为：
Figure FDA0003373421160000031
Xa_y[n]为Z轴加速度波形的振动频谱数字信号序列，x[n]为Z轴加速度振动数字信号，N为Z轴加速度波形在[0,2π]上的N点等间隔采样，n为正整数，k为正整数参数，,0≤k≤N-1。
7.一种振动测量贴片式数字化传感器，其特征在于，包括：贴片式壳体和设置于所述贴片式壳体中的传感器单元；所述传感器单元包括封装于所述贴片式壳体中的加速度测量模块、模拟数字转换模块、微控制器、数字信号处理模块、无线通信模块以及嵌设于所述贴片式壳体上的振动测量模块，所述加速度测量模块、所述微控制器、所述数字信号处理模块以及所述无线通信模块依次相连，所述振动测量模块与所述模拟数字转换模块相连，所述模拟数字转换模块与所述微控制器相连，所述贴片式壳体中设置有磁性件。
8.如权利要求7所述的振动测量贴片式数字化传感器，其特征在于，所述振动测量模块的测量平面与所述贴片式壳体的表面平齐。
9.如权利要求7所述的振动测量贴片式数字化传感器，其特征在于，所述贴片式壳体中还封装有电源模块，所述加速度测量模块、所述模拟数字转换模块、所述微控制器、所述数字信号处理模块、所述无线通信模块、所述振动测量模块分别与所述电源模块相连。
10.如权利要求7所述的振动测量贴片式数字化传感器，其特征在于，所述振动测量模块用于测量开关柜机械振动的模拟信号并传输至模拟数字转换模块，所述模拟数字转换模块将模拟信号转换为数字信号，发送至所述微控制器；所述加速度测量模块测量开关柜X、Y、Z三轴振动加速度数据，发送至所述微控制器。
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