CN116189711B - 基于声波信号监测的变压器故障识别方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种基于声波信号监测的变压器故障识别方法及装置,包括:预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器;基于各音频信号接收器在同一时刻采集变压器的多个音频子信号;对各音频子信号进行过滤,并基于过滤后的多个音频子信号确定出疑似故障音频信号;对疑似故障音频信号进行信号增强,以获得疑似故障增强音频信号;生成疑似故障增强音频信号的边际谱系数和MFCC系数;基于所生成的边际谱系数和MFCC系数,生成待识的高斯检测模型;将待识别的高斯检测模型与预先训练的高斯检测模型进行匹配,完成识别。本申请根据接收的声波信号来与预先训练的故障信号进行匹配,提出了一种根据声音信号识别变压器故障类型的手段。
Description
技术领域
本申请涉及变压器故障识别技术领域,尤其涉及一种基于声波信号监测的变压器故障识别方法及装置。
背景技术
电力变压器作为电力网的重要组成部分,承担着电压转换和电能传输的重要作用。电力系统中变压器使用量大,容量等级和规格种类繁多,运行时间长,导致其事故率也相应升高。一旦变压器出现故障,将可能对电网带来巨大的经济损失,并危及运维人员人身安全。因此,对变压器工作状态进行有效监测,及早发现潜在故障隐患,成为了电力行业研究人员重点关注的问题。传统的检测方法主要包括:油色谱检测法、超声检测法、超高频检测法和振动检测法等,然而这些传统方法存在着检测不全面和安装使用不方便等局限性。
现有技术中多属于利用主动声波探测来实现变压器的故障定位,例如CN115079042A公开了基于变压器的绕线方式配置相应的声波发射模式,不同的声波发射模式具有对应的声波发射参数;利用配置的声波发射模式,在指定位置持续向变压器绕组发射第一预设时长的声波,同时,在变压器绕组的低压侧或高压侧的各项绕组,检测声波信号;基于在变压器绕组的各项绕组检测到的声波信号判断变压器该项绕组是否存在匝间短路。
但如何基于声波信号对于变压器实现分类,对复杂的噪声机理进行有效分析并识别出不同的设备状态,还未有较为有效的手段。
发明内容
本申请实施例提供一种基于声波信号监测的变压器故障识别方法及装置,预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器,并根据接收的声波信号来与预先训练的故障信号进行匹配,从而提出一种根据声音信号识别变压器故障类型的手段。
本申请实施例提出一种基于声波信号监测的变压器故障识别方法,包括如下步骤:
预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器;
基于各所述音频信号接收器在同一时刻采集变压器的多个音频子信号;
对各音频子信号进行过滤,并基于过滤后的多个音频子信号确定出疑似故障音频信号;
对所述疑似故障音频信号进行信号增强,以获得疑似故障增强音频信号;
生成所述疑似故障增强音频信号的边际谱系数和MFCC系数;
基于所生成的边际谱系数和MFCC系数,计算高斯概率密度函数,以生成待识的高斯检测模型;
将待识别的高斯检测模型与预先基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型进行匹配,确定出最大概率所对应的故障音频信号类型,以完成故障识别。
可选的,预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器包括:
预先在变压器的各项分别布置一个音频信号接收器;
基于各所述音频信号接收器在同一时刻采集变压器的多个音频子信号包括:
控制各音频信号接收器,按照设定的采样间隔,同时启动采样,且所述采样间隔至少大于声音信号沿所述变压器的绕组的最长传输路径所对应的时长,其中在所述变压器绕组为三角形连接的情况下,所述变压器绕组最长传输路径为三项绕组的长度之和,在所述变压器绕组为星形连接的情况下,所述变压器绕组最长传输路径为任意两项绕组的长度之和。
可选的,对各音频子信号进行过滤,并基于过滤后的多个音频子信号确定出疑似故障音频信号包括:
以在先运行过程中采集到的变压器各项绕组的音频子信号作为背景信号,对当前采集到的各音频子信号进行过滤,以获得过滤后的各音频子信号;
在同一坐标系下,对比过滤后的各音频子信号,确定出最先出现疑似峰值频点的音频子信号;以及,
确定其余音频子信号的峰值频点,对比其余音频子信号的峰值频点的出现位置和峰值,以确定疑似故障位置和疑似故障音频信号。
可选的,确定其余音频子信号的峰值频点,对比其余音频子信号的峰值频点的出现位置和峰值,以确定疑似故障位置和疑似故障音频信号包括:
在所述变压器绕组为三角形连接,其余音频子信号的峰值频点之间具有时间间隔,且在后的音频子信号的峰值低于在前音频子信号的峰值的情况下,则确定最先出现疑似峰值频点的项为故障项,相应的音频子信号为疑似故障音频信号;
在所述变压器绕组为星形连接,且其余音频子信号的峰值频点出现位置、峰值均相近的情况下,则确定最先出现疑似峰值频点的项为故障项,相应的音频子信号为疑似故障音频信号;
若上述情况均不满足,则选取最先出现疑似峰值频点的两个音频子信号作为疑似故障音频信号。
可选的,对所述疑似故障音频信号进行信号增强,以获得疑似故障增强音频信号包括:
在确定出单一疑似故障音频信号的情况下,复制所述疑似故障音频信号,并进行信号叠加,以完成信号增强;
在确定出两个疑似故障音频信号的情况下,将两个所述疑似故障音频信号进行叠加,以完成信号增强。
可选的,预先基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型(GMM)是对多个高斯概率密度函数加权求和来构建的,满足: 其中,/>表示S维随机向量,/>表示估计参数,/>表示子分布,/>,N表示子分布的数量,/>表示子分布的混合权重,/>,每个子分布是S维的联合高斯概率分布,满足:
对不同故障音频信号分别生成MFCC系数和边际谱系数以构建训练序列;
利用构建的训练序列,训练高斯检测模型,其中GMM似然度表示为:
可选的,对不同的故障音频信号采用如下方式生成边际谱系数:
对任一故障音频信号执行经验模态分解(EMD)筛选,以获得多个IMF分量;
对各IMF分量,进行希尔伯特变换(Hilbert变换);
根据Hilbert变换的结果,以及Hilbert谱,确定Hilbert边际谱和瞬时能量密度级:
基于信号边际谱确定边际谱系数;
基于不同故障音频信号训练高斯检测模型还包括:
可选的,将待识别的高斯检测模型与预先基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型进行匹配,确定出最大概率所对应的故障音频信号类型,以完成故障识别包括:
基于贝叶斯理论的最大后验概率,将所述疑似故障音频信号的故障类型识别为与其匹配的故障音频信号的故障类型,满足:
本申请实施例还提出一种基于声波信号监测的变压器故障识别装置,包括处理器和存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的基于声波信号监测的变压器故障识别方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的基于声波信号监测的变压器故障识别方法的步骤。
本申请实施例的识别方法预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器,并根据接收的声波信号来与预先训练的故障信号进行匹配,从而提出一种根据声音信号识别变压器故障类型的手段。
上述说明仅是本申请技术方案的概述,为了能够更清楚了解本申请的技术手段,而可依照说明书的内容予以实施,并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂,以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中,用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中:
图1为本实施例的基于声波信号监测的变压器故障识别方法的基本流程示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例,然而应当理解,可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反,提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开,并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本申请实施例提出一种基于声波信号监测的变压器故障识别方法,如图1所示,包括如下步骤:
在步骤S101中,预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器。在一些实施例中,预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器包括:
预先在变压器的各项分别布置一个音频信号接收器,也即一些具体示例中,例如变压器包括高压侧和低压侧共六项,则在高压侧和低压侧的六项均设置一个音频信号接收器,具体的音频信号接收器可以是例如拾音器等设备。
在步骤S102中,基于各所述音频信号接收器在同一时刻采集变压器的多个音频子信号。在一些实施例中,基于各所述音频信号接收器在同一时刻采集变压器的多个音频子信号包括:控制各音频信号接收器,按照设定的采样间隔,同时启动采样,且所述采样间隔至少大于声音信号沿所述变压器的绕组的最长传输路径所对应的时长,其中在所述变压器绕组为三角形连接的情况下,所述变压器绕组最长传输路径为三项绕组的长度之和,在所述变压器绕组为星形连接的情况下,所述变压器绕组最长传输路径为任意两项绕组的长度之和。
在步骤S103中,对各音频子信号进行过滤,并基于过滤后的多个音频子信号确定出疑似故障音频信号。例如可以设置信号背景,并基于信号背景来完成信号过滤。
在步骤S104中,对所述疑似故障音频信号进行信号增强,以获得疑似故障增强音频信号。一些示例中通过信号增强可以让故障信号更加突出,便于后续识别流程。
在步骤S105中,生成所述疑似故障增强音频信号的边际谱系数和MFCC系数。一些示例中,生成所述疑似故障增强音频信号的MFCC系数可以采用如下流程,对于疑似故障增强音频信号进行预处理,例如预加重、分帧、加窗函数。预加重用于补偿高频分量的损失,提升高频分量,加窗可以加汉明窗函数。然后执行FFT变换,对每帧信号进行FFT变换,从时域数据变为频域数据。接着对每一帧FFT后的数据,计算谱线能量,上述过程可以采用现有技术实现在此不做赘述。再然后对每一帧谱线能量,与美尔滤波器的频域响应相乘并相加,以确定通过美尔滤波器的能量;基于通过美尔滤波器的能量,计算离散余弦变换DCT,以确定MFCC系数和第一差谱系数。具体可以先计算计算DCT倒谱系数,示例性的序列/>的FFT倒谱/>为:
把美尔滤波器能量取对数后,计算DCT得:
式中,/>表示美尔滤波器的能量,l表示第l个美尔滤波器(共有L个);i表示第i帧数据;q表示DCT后的谱线,/>为一阶差分系数,由此生成MFCC系数。生成所述疑似故障增强音频信号的边际谱系数参见后续实施例。
在步骤S106中,基于所生成的边际谱系数和MFCC系数,计算高斯概率密度函数,以生成待识的高斯检测模型。
在步骤S107中,将待识别的高斯检测模型与预先基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型进行匹配,确定出最大概率所对应的故障音频信号类型,以完成故障识别。其中,预先基于不同故障音频信号训练高斯检测模型的信号处理过程可以参考前述实施例,仅为输入信号的区别,其他过程在此不做赘述。通过匹配基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型,从而概率最大模型即为对应的故障音频信号类型,完成识别。本申请实施例的识别方法预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器,并根据接收的声波信号来与预先训练的故障信号进行匹配,从而提出一种根据声音信号识别变压器故障类型的手段。
在一些示例中,对各音频子信号进行过滤,并基于过滤后的多个音频子信号确定出疑似故障音频信号包括:
以在先运行过程中采集到的变压器各项绕组的音频子信号作为背景信号,对当前采集到的各音频子信号进行过滤,以获得过滤后的各音频子信号。可以根据具体的运行情况,将例如在前指定时间采集的音频子信号作为背景信号,来完成过滤。
在同一坐标系下,对比过滤后的各音频子信号,确定出最先出现疑似峰值频点的音频子信号;以及,
确定其余音频子信号的峰值频点,对比其余音频子信号的峰值频点的出现位置和峰值,以确定疑似故障位置和疑似故障音频信号。
在一些实施例中,确定其余音频子信号的峰值频点,对比其余音频子信号的峰值频点的出现位置和峰值,以确定疑似故障位置和疑似故障音频信号包括:
在所述变压器绕组为三角形连接,其余音频子信号的峰值频点之间具有时间间隔,且在后的音频子信号的峰值低于在前音频子信号的峰值的情况下,则确定最先出现疑似峰值频点的项为故障项,相应的音频子信号为疑似故障音频信号;
在所述变压器绕组为星形连接,且其余音频子信号的峰值频点出现位置、峰值均相近的情况下,则确定最先出现疑似峰值频点的项为故障项,相应的音频子信号为疑似故障音频信号;
若上述情况均不满足,例如故障发生在相间,则选取最先出现疑似峰值频点的两个音频子信号作为疑似故障音频信号。通过本申请的设计,能够覆盖多场景的故障信号分类,提高检测的准确度。
在一些实施例中,对所述疑似故障音频信号进行信号增强,以获得疑似故障增强音频信号包括:
在确定出单一疑似故障音频信号的情况下,复制所述疑似故障音频信号,并进行信号叠加,以完成信号增强;
在确定出两个疑似故障音频信号的情况下,将两个所述疑似故障音频信号进行叠加,以完成信号增强。
也即本申请实施例将两个疑似故障音频信号进行叠加,从而可以更加突出信号特征,提高模型识别的准确度。
在一些实施例中,预先基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型(GMM)是对多个高斯概率密度函数加权求和来构建的,满足:
对不同故障音频信号分别生成MFCC系数和边际谱系数以构建训练序列;
利用构建的训练序列,训练高斯检测模型,其中GMM似然度可以表示为:
在一些实施例中,对不同的故障音频信号采用如下方式生成边际谱系数:
对任一故障音频信号执行经验模态分解(EMD)筛选,在进行EMD筛选之前,也可以对任一故障音频信号进行预处理,预处理的方式参见前述。执行EMD筛选获得多个IMF分量。EMD方法依据信号的特征时间尺度来确定其固有振动模态,然后依次进行分解;采用连续极值间的时间间隔作为信号内部固有模态的时间尺度定义,因为它不仅提供高时频分辨率,而且对于不存在零穿越点的信号也同样适用。具体的将原始故障音频信号上下包络的均值,记为/>,则/>与/>之差为第一个分量,记为/>:
对各IMF分量,进行希尔伯特变换(Hilbert变换),通过分解之后,舍弃非IMF分量。
Hilbert谱的定义为:
其中,/>表示信号边际谱,/>表示边际谱的一阶差分系数,/>表示Hilbert谱,T表示信号采样时间,/>反映了每个频率点上幅度值的分布,代表在概率意义上沿整个数据跨度的累积幅度,基于信号边际谱确定边际谱系数。对于疑似故障音频信号的边际谱系数的提取也可以采用前述步骤,将该系数作为疑似故障音频信号中边际谱的一种特征系数,作为识别疑似故障音频信号的一种特征。一些示例中,对于疑似故障增强音频信号也可以采用相同的信号处理流程来生成MFCC系数和边际谱系数,具体过程在此不做一一赘述。
基于前述实施例,本申请中基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型(GMM)是对多个高斯概率密度函数加权求和来构建的,满足:
在一些实施例中,将待识别的高斯检测模型与预先基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型进行匹配,确定出最大概率所对应的故障音频信号类型,以完成故障识别包括:
基于贝叶斯理论的最大后验概率:
利用本申请的方法能够识别出疑似故障音频信号中的非线性非平稳声信号的局部时域特征,通过与训练好的高斯混合模型进行匹配,从而最大概率所对应的故障信号的种类,能够提高基于声音信号对变压器故障类型识别的准确度。
本申请实施例还提出一种基于声波信号监测的变压器故障识别装置,包括处理器和存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的基于声波信号监测的变压器故障识别方法的步骤。
本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如前述的基于声波信号监测的变压器故障识别方法的步骤。
此外,尽管已经在本文中描述了示例性实施例,其范围包括任何和所有基于本公开的具有等同元件、修改、省略、组合(例如,各种实施例交叉的方案)、改编或改变的实施例。权利要求书中的元件将被基于权利要求中采用的语言宽泛地解释,并不限于在本说明书中或本申请的实施期间所描述的示例,其示例将被解释为非排他性的。因此,本说明书和示例旨在仅被认为是示例,真正的范围和精神由以下权利要求以及其等同物的全部范围所指示。
以上描述旨在是说明性的而不是限制性的。例如,上述示例(或其一个或更多方案)可以彼此组合使用。例如本领域普通技术人员在阅读上述描述时可以使用其它实施例。另外,在上述具体实施方式中,各种特征可以被分组在一起以简单化本公开。这不应解释为一种不要求保护的公开的特征对于任一权利要求是必要的意图。相反,本公开的主题可以少于特定的公开的实施例的全部特征。从而,以下权利要求书作为示例或实施例在此并入具体实施方式中,其中每个权利要求独立地作为单独的实施例,并且考虑这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。本发明的范围应参照所附权利要求以及这些权利要求赋权的等同形式的全部范围来确定。
以上实施例仅为本公开的示例性实施例,不用于限制本发明,本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本公开的实质和保护范围内,对本发明做出各种修改或等同替换,这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于声波信号监测的变压器故障识别方法,其特征在于,包括如下步骤:
预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器;
基于各所述音频信号接收器在同一时刻采集变压器的多个音频子信号;
对各音频子信号进行过滤,并基于过滤后的多个音频子信号确定出疑似故障音频信号;
对所述疑似故障音频信号进行信号增强,以获得疑似故障增强音频信号;
生成所述疑似故障增强音频信号的边际谱系数和MFCC系数;
基于所生成的边际谱系数和MFCC系数,计算高斯概率密度函数,以生成待识的高斯检测模型;
将待识别的高斯检测模型与预先基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型进行匹配,确定出最大概率所对应的故障音频信号类型,以完成故障识别;
对各音频子信号进行过滤,并基于过滤后的多个音频子信号确定出疑似故障音频信号包括:
以在先运行过程中采集到的变压器各项绕组的音频子信号作为背景信号,对当前采集到的各音频子信号进行过滤,以获得过滤后的各音频子信号;
在同一坐标系下,对比过滤后的各音频子信号,确定出最先出现疑似峰值频点的音频子信号;以及,
确定其余音频子信号的峰值频点,对比其余音频子信号的峰值频点的出现位置和峰值,以确定疑似故障位置和疑似故障音频信号;
确定其余音频子信号的峰值频点,对比其余音频子信号的峰值频点的出现位置和峰值,以确定疑似故障位置和疑似故障音频信号包括:
在所述变压器绕组为三角形连接,其余音频子信号的峰值频点之间具有时间间隔,且在后的音频子信号的峰值低于在前音频子信号的峰值的情况下,则确定最先出现疑似峰值频点的项为故障项,相应的音频子信号为疑似故障音频信号;
在所述变压器绕组为星形连接,且其余音频子信号的峰值频点出现位置、峰值均相近的情况下,则确定最先出现疑似峰值频点的项为故障项,相应的音频子信号为疑似故障音频信号;
若上述情况均不满足,则选取最先出现疑似峰值频点的两个音频子信号作为疑似故障音频信号。
2.如权利要求1所述的基于声波信号监测的变压器故障识别方法,其特征在于,预先在变压器的指定位置布置数个音频信号接收器包括:
预先在变压器的各项分别布置一个音频信号接收器;
基于各所述音频信号接收器在同一时刻采集变压器的多个音频子信号包括:
控制各音频信号接收器,按照设定的采样间隔,同时启动采样,且所述采样间隔至少大于声音信号沿所述变压器的绕组的最长传输路径所对应的时长,其中在所述变压器绕组为三角形连接的情况下,所述变压器绕组最长传输路径为三项绕组的长度之和,在所述变压器绕组为星形连接的情况下,所述变压器绕组最长传输路径为任意两项绕组的长度之和。
3.如权利要求1所述的基于声波信号监测的变压器故障识别方法,其特征在于,对所述疑似故障音频信号进行信号增强,以获得疑似故障增强音频信号包括:
在确定出单一疑似故障音频信号的情况下,复制所述疑似故障音频信号,并进行信号叠加,以完成信号增强;
在确定出两个疑似故障音频信号的情况下,将两个所述疑似故障音频信号进行叠加,以完成信号增强。
4.如权利要求1所述的基于声波信号监测的变压器故障识别方法,其特征在于,预先基于不同故障音频信号训练的高斯检测模型是对多个高斯概率密度函数加权求和来构建的,满足:
对不同故障音频信号分别生成MFCC系数和边际谱系数以构建训练序列;
利用构建的训练序列,训练高斯检测模型,其中GMM的似然度表示为:
7.一种基于声波信号监测的变压器故障识别装置,其特征在于,包括处理器和存储器,所述存储器上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的基于声波信号监测的变压器故障识别方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6中任一项所述的基于声波信号监测的变压器故障识别方法的步骤。
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