CN115307716A - 一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法 - Google Patents

一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法 Download PDF

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卫薇
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杨濡蔓
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Abstract

本发明公开了一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，所述方法包括：结合三维建模与频域或时域振动数据融合技术，采用伪彩技术在三维空间实现主变压器振动状态的可视化；利用主变压器带电检测技术对振动信号进行采集并并使用傅里叶变换进行时域至频域的转换分析，最后再将分析结果通过数据映射至三维模型中，并结合伪彩技术对三维模型进行可视化展示；解决了主变压器的振动通常通过安装在油箱不同测量位置的加速度计进行测量，该测量方法只能提供变压器附近捕获的数值振动数据，无法评价变压器在三维空间中的变形状态的可视化，运维检修效率不高等技术问题。

Description

一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法
技术领域
本发明属于变压器监控技术领域，尤其涉及一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法。
背景技术
主变压器作为抽水蓄能电站最为关键的电气设备之一，其运行状态的好坏会直接影响抽水蓄能电站的正常运行。与传统电网变压器相比，抽水蓄能电站中的主变压器通常安装于封闭的主变室内，负荷率较高、散热条件较差，且过渡工况较多、启停频繁，因而长期承受更为复杂的热应力、电应力以及机械应力，极易发生长时间振动。主变压器振动几乎贯穿整个使用寿命期，其异常振动可能会导致内部的绕组变形、匠间绝缘磨损、部件发热、铁心涡流损耗增加、油色谱异常以及铁芯夹件松动等故障。因此，专门针对主变压器的振动检测方法进行研究能及时发现主变压器内部的故障隐患，提高运维检修效率和供电质量，对保证抽水蓄能电站运行的稳定性和经济性具有重要意义。
但目前针对变压器的振动状态检测研究主要集中在数量大、应用区域更广的电网变压器上，针对抽水蓄能电站的主变压器的振动检测相对较少。且目前主变压器的振动通常通过安装在油箱不同测量位置的加速度计进行测量，该测量方法只能提供变压器附近捕获的数值振动数据，无法评价变压器在三维空间中的变形状态的可视化，运维检修效率不高等技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，以解决目前主变压器的振动通常通过安装在油箱不同测量位置的加速度计进行测量，该测量方法只能提供变压器附近捕获的数值振动数据，无法评价变压器在三维空间中的变形状态的可视化，运维检修效率不高等技术问题。
本发明的技术方案是：
一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，所述方法包括：结合三维建模与频域或时域振动数据融合技术，采用伪彩技术在三维空间实现主变压器振动状态的可视化；利用主变压器带电检测技术对振动信号进行采集并并使用傅里叶变换进行时域至频域的转换分析，最后再将分析结果通过数据映射至三维模型中，并结合伪彩技术对三维模型进行可视化展示。
三维建模包括：
三维扫描：通过三维测量设备全方位无死角地扫描主变压器表面结构，再通过记录主变压器表面密集点的三维坐标、反射率和纹理信息获取主变压器表面的三维点云数据；
点云数据处理：在点云数据拼接完成之后进行降噪处理，即去除点云的离群点；采用双边滤波去噪法进行降噪处理。
三维扫描时三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后沿相同的路径反向传回到接收器，计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β；三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系；X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直；则获得P的坐标的计算式：
Figure BDA0003798635410000021
点云数据处理采用双边滤波去噪法进行降噪处理，公式为：
p′＝p-αn
Figure BDA0003798635410000031
式中p为原点云中的点，p′为去噪以后的点，n为法矢的方向，α为双边滤波算子，pj是光顺滤波权函数，ws是特征保持权重函数，在进行双边滤波法去噪时首先定义ws，
Figure BDA0003798635410000032
式中αc、αs为切平面上高斯滤波系数。
对振动信号进行采集并处理的方法包括：通过安装在主变压器油箱不同测量位置的加速度传感器对不同区域的振动数据进行采集；箱体高压和低套管两侧面的1/2垂直高度处分别上下各放置一个振动传感器，共布置12个测点以覆盖整个油箱。
不同测点的传感器捕获不同位置振动数据后，使用离散傅里叶分析方法进行分解，将时域中的振动信号分解转化为不同频谱的频率信号，实现振动信号从时域到频域的转化。转化原理如下式所示：
Figure BDA0003798635410000033
其中，x[n]为振动离散时域信号，利用离散傅里叶变换方法将振动信号从时域转换到频域后，即得到振动频率和振动幅值大小关系的频谱图。
将分析结果通过数据映射至三维模型中的方法包括：将传感器在测量点获得的数据用于动态的三维模型，对实测数据进行全局插补计算未测点在整个结构中的变形。
结合伪彩技术对三维模型进行可视化展示的方法为：使用伪彩技术对融合了振动信息的精细化网格模型进行色彩渲染，在三维空间实现主变压器振动状态的可视化展示。
本发明的有益效果：
本发明首先结合三维建模与频域/时域振动数据融合技术，综合采用伪彩技术在三维空间实现主变压器振动状态的可视化。然后利用专门开发的、针对密闭环境中运行的主变压器的带电检测技术对老化信号进行采集，建立检测结果的数据库。最后利用图像配准与融合技术，将可视化的检测结果与变压器三维点云数据进行融合，得到全息化、智能化展示的检测结果。
解决了主变压器的振动通常通过安装在油箱不同测量位置的加速度计进行测量，该测量方法只能提供变压器附近捕获的数值振动数据，无法评价变压器在三维空间中的变形状态的可视化，运维检修效率不高等技术问题。
附图说明
图1为本发明流程示意图；
图2为本发明传感器安装示意图；
图3为本发明扫描点坐标计算原理示意图。
具体实施方式
本发明为克服现有抽水蓄能电站主变压器振动检测方法缺陷，本发明振动检测方法核心关键技术包括三维建模、振动信号采集及处理以及数据映射技术。
三维建模
三维模型是物体的三维多边形表示，通常用计算机或者其它视频设备进行显示，任何物理自然界存在的东西都可以用三维模型表示。目前三维模型已成功应用于医疗、电影以及工程设计等不同领域。通过技术手段对抽水蓄能电站主变压器的三维模性进行构建可最大程度还原其工作状态，增强现实感，直接标注故障位置，提高运维效率。
三维扫描
抽水蓄能电站主变压器体积庞大、结构复杂，箱体表面或周围分布较多细小部件(例如输油管、分接开关等)，散热油管交错，三维建模难度较大。目前常用三维建模方法有基于软件、GIS、数字测量以及三维扫描等方法。其中，基于三维扫描技术的建模方法可通过三维测量设备全方位无死角地扫描主变压器表面结构，再通过记录主变压器表面大量密集点的三维坐标、反射率和纹理等信息获取主变压器表面的三维点云数据，根据三维点云数据恢复被测主变压器的三维模型，
很好地解决了数据采集精度和效率低下的问题。
其中，三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，可以计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β。三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系。X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，其扫描点坐标计算则获得P的坐标的计算方法可表述为式(2)：
Figure BDA0003798635410000051
点云数据处理
在三维扫描过程中，仪器、周围环境建筑表面材质等的影响会使扫描得到的点云数据中包含有很多背景点、错误点等噪点信号，噪点的存在会加大模型三维建模的误差，因而在点云数据拼接完成之后需要进行降噪处理，即去除点云的离群点。本发明主要采用双边滤波去噪法，其原理是将噪点的灰度值用周围点的灰度值加权平均来代替，定义如式(3)和式(4)所示：
p′＝p-αn (3)
Figure BDA0003798635410000061
式中p为原点云中的点，p′为去噪以后的点，n为法矢的方向，α为双边滤波算子，pj是光顺滤波权函数，ws是特征保持权重函数，在进行双边滤波法去噪时首先需要定义ws，如式(5)所示：
Figure BDA0003798635410000062
式中αc、αs为切平面上高斯滤波系数，αc和αs可以反映计算点云里任意一点双边滤波函数值时切向和法向的影响范围：αc具体指计算点附近每个邻近点对计算点p的影响因子，αc越大，说明选取的邻近点越多；αs具体指计算点p到邻近点的距离向量在该点的投影对计算点p的影响因子，αs越大去噪后p沿法向移动的距离越大。αc和αs对去噪后的点云的平滑度影响甚大。
振动信号采集及处理
主变压器振动信号主要由本体及冷却系统两部分振动信号组成。其中本体振动包括铁心振动及绕组振动，冷却系统振动则包括潜油泵及风机振动。主变压器振动信号来源复杂，且与变压器内部机械及电气故障关系密切，因此通过测量主变压器的振动信号并加以分析，可对主变压器的健康状况和运行状态进行准确估计。
但主变压器各个振动信号波形之间的相互作用使得最终获取的振动信号成分变得十分复杂，其波形不能简单地看作是多个单故障信号的叠加，因此需要进一步通过安装在主变压器油箱不同测量位置的加速度传感器对不同区域的振动数据进行采集、分析。
采集系统由信号采集单元和数据分析组成。水平方向的油箱侧壁距离绕组及铁心距离较近，能更好地反映器身真实振动情况，且箱壁振动大于加强筋，最大振动点位于油箱中下部距底约1/2垂直高度处，因此在箱体高压和低套管两侧面的1/2垂直高度处分别上下各放置一个振动传感器，共布置12个测点，能覆盖整个油箱所需要的数据。
不同测点的加速度传感器捕获不同位置振动数据后，再使用离散傅里叶分析方法对其进行分解，将时域中的振动信号分解转化为不同频谱的频率信号，实现振动信号从时域到频域的转化。其转化原理如式(1)所示：
Figure BDA0003798635410000071
其中，x[n]为振动离散时域信号。利用离散傅里叶变换方法将振动信号从时域转换到频域后，即可得到振动频率和振动幅值大小关系的频谱图。
数据映射
为弥补传感器数据无法明显、直观的反映主变压器在三维空间下的振动状态的缺陷，进一步将频域或时域振动数据映射至已建好的三维模型中，并使用伪彩技术对融合了振动信息的精细化网格模型进行色彩渲染，在三维空间实现主变压器振动状态的可视化。
将传感器安装在测试结构上的不同测量点后可进行振动测试。将传感器在测量点获得的数据用于动态的三维模型。对实测数据进行全局插补，计算未测点在整个结构中的变形。振动可视化提供了测试结构在这些点上的可视化展示。
检测步骤
结合上述关键技术，所提出基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法步骤如下：
(1)对主变压器进行三维立体扫描，采集主变压器的三维扫描点云数据；
(2)采集安装在主变压器上的加速度传感器检测的运行状态下表面振动数据；
(3)基于三维扫描点云数据建模主变压器的三维模型；
(4)加速度传感器检测所得主变压器的时域数据到频域数据的转换；
(5)频域/时域振动数据与三维模型的融合，使用伪彩技术对融合了振动信息的精细化网格模型进行色彩渲染，在三维空间实现主变压器振动状态的可视化。
实施案例
为验证本发明所研究的基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法的有效性，将该检测方法应用于华东天荒坪抽水蓄能电站。根据主变电站的运行时间、运行状况(故障检测和运维情况)、在不同工况下的负荷情况等，选取4-6台出厂时间相同、且运行时间为15年以上的主变压器作为主变压器振动可视化检测技术应用对象。
应用效果
主变压器三维建模应用
现场经实际勘察后发现天荒坪抽水蓄能电站的主变具有体积庞大、结构繁多、架构复杂、主变室内照明条件恶劣，空间狭隘的特点。
基于三维扫描点云数据的模型重建技术在天荒坪主变室内实际扫描过程中会出现扫描盲区、局部点云数据缺失情况，但能通过在实际测量过程中对测量方法进行改进保证点云覆盖率达到90％以上，经过后期点云处理精准复现出主变压器的三维立体模型。故现场实际应用依然采用基于三维扫描点云数据的模型重建技术。扫描设备则采用地面型三维激光扫描系统，具体型号为德国Z+F公司生产的Z+F IMAGER 5010C型号三维扫描仪。
数据映射应用
为得到直观、全面的主变压器振动检测结果，及时了解设备在运行期间的状态、评价，在4-6台选定的主变压器上安装传感器阵列并进行相关调试，并把相关分析数据映射到已建成的三维模性中，最终可视化展示结果。

Claims (8)

1.一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，其特征在于：所述方法包括：结合三维建模与频域或时域振动数据融合技术，采用伪彩技术在三维空间实现主变压器振动状态的可视化；利用主变压器带电检测技术对振动信号进行采集并并使用傅里叶变换进行时域至频域的转换分析，最后再将分析结果通过数据映射至三维模型中，并结合伪彩技术对三维模型进行可视化展示。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，其特征在于：三维建模包括：
三维扫描：通过三维测量设备全方位无死角地扫描主变压器表面结构，再通过记录主变压器表面密集点的三维坐标、反射率和纹理信息获取主变压器表面的三维点云数据；
点云数据处理：在点云数据拼接完成之后进行降噪处理，即去除点云的离群点；采用双边滤波去噪法进行降噪处理。
3.根据权利要求2所述的一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，其特征在于：三维扫描时三维激光扫描仪发射器发出一个激光脉冲信号，经物体表面漫反射后沿相同的路径反向传回到接收器，计算目标点P与扫描仪距离S，控制编码器同步测量每个激光脉冲横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β；三维激光扫描测量一般为仪器自定义坐标系；X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直；则获得P的坐标的计算式：
Figure FDA0003798635400000021
4.根据权利要求2所述的一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，其特征在于：点云数据处理采用双边滤波去噪法进行降噪处理，公式为：
p′＝p-αn
Figure FDA0003798635400000022
式中p为原点云中的点，p′为去噪以后的点，n为法矢的方向，α为双边滤波算子，pj是光顺滤波权函数，ws是特征保持权重函数，在进行双边滤波法去噪时首先定义ws，
Figure FDA0003798635400000023
式中αc、αs为切平面上高斯滤波系数。
5.根据权利要求1所述的一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，其特征在于：对振动信号进行采集并处理的方法包括：通过安装在主变压器油箱不同测量位置的加速度传感器对不同区域的振动数据进行采集；箱体高压和低套管两侧面的1/2垂直高度处分别上下各放置一个振动传感器，共布置12个测点以覆盖整个油箱。
6.根据权利要求5所述的一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，其特征在于：不同测点的传感器捕获不同位置振动数据后，使用离散傅里叶分析方法进行分解，将时域中的振动信号分解转化为不同频谱的频率信号，实现振动信号从时域到频域的转化。转化原理如下式所示：
Figure FDA0003798635400000031
其中，x[n]为振动离散时域信号，利用离散傅里叶变换方法将振动信号从时域转换到频域后，即得到振动频率和振动幅值大小关系的频谱图。
7.根据权利要求1所述的一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，其特征在于：将分析结果通过数据映射至三维模型中的方法包括：将传感器在测量点获得的数据用于动态的三维模型，对实测数据进行全局插补计算未测点在整个结构中的变形。
8.根据权利要求1所述的一种基于数据映射的主变压器振动可视化检测方法，其特征在于：结合伪彩技术对三维模型进行可视化展示的方法为：使用伪彩技术对融合了振动信息的精细化网格模型进行色彩渲染，在三维空间实现主变压器振动状态的可视化展示。
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