CN116680549A - 一种变压器运输过程机械冲击损坏的频域分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种变压器运输过程机械冲击损坏的频域分析方法，首先物资运输在线监测终端通过加速度传感器实时采集变压器运输过程中的振动加速度信号，然后基于数据缓冲区中的加速度数据，采用快速傅里叶变换计算加速度幅值；接着根据加速度幅值计算冲击能量；然后取各个频率下的冲击能量最大值，与变压器损害冲击阀值进行比较；大于变压器损害冲击阀值则判定有损害发生，生成预警报文。本发明为变压器运输行业提供一种频域分析方法，可以更准确的分析变压器的机械冲击损害程度，从而有效避免漏检和误判。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种变压器运输过程机械冲击损坏的频域分析方法。
背景技术
电力变压器在运输电力设备中的特高压变压器、电抗器等设备属于大件物资。部分变压器运输重量接近200吨，运输距离超过2000公里，运输路径复杂，运输管控难度大。由于大件设备单件价值高，变压器单次运输成本甚至能达到上百万，在运输过程中出现事故会带来重大损失；
目前的管理方式是采用冲击记录仪对变压器运输过程中的冲击进行记录，待到终点后检查记录仪的数据，再对变压器运输过程中加速度是否超过阀值（3g）进行验收。其缺点有：
1）运输过程的管控存在部分盲区，只在到货后对运输质量进行判断，不能在中途进行判别和预警控制；
2）传统的时域分析和简单的3g阀值判据不能反应变压器收到冲击后的损坏程度，存在漏检可能；
3）3g的预警阀值缺少理论依据，针对不同类型和重量等级的变压器，不能有效分析和确定变压器的预警阀值，存在误检可能。
变压器运输过程中的冲击加速度会损害变压器的内部器身和安装部件，加速度变化称之为机械冲击或振动。冲击的表征以发生加速或者减速的时加速度的最大值和持续时间来衡量。传统时域分析的机械冲击脉冲图，如图3能很好的说明时间和加速度的关系，其中加速度的单位是“g”，1g=9.8m/s2。
在冲击过程中，加速度增加，达到最大值后又开始下降。如果一个弹性物体如变压器以一定的初始冲击速度撞击到坚硬的表面，由于变压器的弹性特点，它的运动不会突然停止，而是会持续一些毫秒时间；因为变压器在持续时间内减速下来，冲击脉冲也随之减轻；然而，如果一个坚硬的小铁球以同样的初始冲击速度撞击同样的表面，冲击持续时间将非常短暂，但最大加速度会更大（图3中实心线，实心线表示高频冲击）。这意味着在相同的冲击能量下，质量较小的物体会产生振幅更大的加速度和更短的时间周期或更高的频率。
发明内容
本发明提供了一种变压器运输过程机械冲击损坏的频域分析方法，为变压器运输行业提供一种频域分析方法，可以更准确的分析变压器的机械冲击损害程度，从而有效避免漏检和误判。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种变压器运输过程机械冲击损坏的频域分析方法，包括如下步骤：
S1、物资运输在线监测终端通过加速度传感器实时采集变压器运输过程中的振动加速度信号，并将采集的加速度时域数据保存在数据缓冲区中；
S2、基于数据缓冲区中的加速度时域数据，冲击记录仪采用快速傅里叶变换计算1~30Hz各个频率的加速度幅值；
S3、基于步骤S2的加速度幅值计算冲击能量；
S4、取各个频率下的冲击能量最大值，与变压器损害冲击阀值进行比较；
S5、大于变压器损害冲击阀值则判定有损害发生，生成预警报文，并保存数据波形。
作为本发明的优化方案，在步骤S2中，采用快速傅里叶变换对加速度时域数据a(t)计算，得到1~30Hz各频率f n 的加速度幅值a(f n )，；；；式中：a 0为初始加速度，T为周期，ω为角速度，Cn为n次分量cos分量的系数，Sn为n次分量sin分量的系数，/>，，N为采样点个数。
作为本发明的优化方案，在步骤S3中，基于加速度幅值计算冲击能量，具体公式为：
ΔV=a(f n )×(1-cos(1/2 f n ))
其中：ΔV为冲击能量。
本发明具有积极的效果：1）本发明为变压器运输行业提供一种频域分析方法，用于量化分析变压器运输过程中的机械冲击损坏程度；
2）本发明的频域算法可以应用在嵌入式装置中，可以基于在线冲击记录仪实现变压器运输冲击的实时监测和损坏故障预警；
3）本发明的频域算法也可以用于现有的离线冲击记录仪，只要将记录仪数据导出，同样可以用该算法进行后台离线分析损坏程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是本发明的流程图；
图2是本发明冲击能量曲线图；
图3是传统的机械冲击脉冲曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为便于理解本发明实施例方案，为了更准确的评定变压器的损害冲击，
如图1所示，一种变压器运输过程机械冲击损坏的频域分析方法，包括如下步骤：
S1、物资运输在线监测终端通过加速度传感器实时采集变压器运输过程中的振动加速度信号，并将采集的加速度时域数据保存在数据缓冲区中；
S2、基于数据缓冲区中的加速度时域数据，冲击记录仪采用快速傅里叶变换计算1~30Hz各个频率的加速度幅值；
S3、基于步骤S2的加速度幅值计算冲击能量；冲击能量即加速度在时间轴上半个周期的面积，对应图2中的ΔV。
S4、取各个频率下的冲击能量最大值，与变压器损害冲击阀值进行比较；其中：变压器损害冲击阀值为变压器设计时仿真确定的变压器损害冲击阀值。
S5、大于变压器损害冲击阀值则判定有损害发生，生成预警报文，并保存数据波形；发送预警报文用于远方告警，同时在就地人机界面进行告警；
S6、返回第一步，周期运行。
基于存储器总保存的时域数据，采用快速傅里叶变换对加速度时域数据a(t)计算，得到1~30Hz各频率f n 的加速度幅值a(f n )，；；式中：a 0为初始加速度，T为周期，ω为角速度，Cn为n次分量cos分量的系数，Sn为n次分量sin分量的系数，/>，，N为采样点个数，/>，，离散化表达式为：/>，，/>是/>的第k个采样值；n是一切自然数，N表示信号a(t)在一个周期内被采样的点数（N为采样点个数）。推导可得到n次分量的模值I n,m和相位角φ n分别为/>，/>，按时间抽取的快速傅里叶算法是基于离散傅里叶算法的优化，将长度为N离散信号DFT的表达式/>进行奇偶序列分解，引入旋转因子/>，其中/>，/>，利用/>的周期性/>=/>和对称性/>对离散傅里叶变换中重复计算的部分进行化简。根据序列长度N提前算好旋转因子/>，在化简过程中的蝶形运算直接使用，减少重复数据的计算次数，可直接获得a(f n )的有效值序列。
在步骤S3中，基于加速度幅值计算冲击能量，具体公式为：
ΔV=a(f n )×(1-cos(1/2 f n ))
其中：ΔV为冲击能量。
通过不同频率的加速度幅值可以获得冲击能量对不同频率的波形（功率谱），然后获得本次振动最大的冲击能量，当冲击能量大于一定阀值时即可判断损害的发生。
有别于传统的时域分析和简单的3g阀值判据，本发明为变压器运输行业提供一种频域分析算法，通过FFT计算冲击能量，可以量化分析变压器运输过程中的机械冲击损坏程度，有效避免漏检和误判；该频域FFT算法对CPU的处理能力要求不高，可以方便的应用在嵌入式装置的固件中，从而基于在线冲击记录仪实现变压器运输冲击的实时监测和损坏故障预警；该频域FFT算法也可以应用在后台软件中，对于现有的离线冲击记录仪，只要用后台软件将记录仪数据导出，同样可以进行后台离线分析和判定变压器的冲击损坏程度。可解决传统的时域分析和冲击加速度阀值判据的局限性， 使用了FFT快速傅里叶算法以及冲击能量的面积计算法，从而保证计算结果可以反应机械冲击的能量，从而保障方法用于变压器运输冲击损害评估的有效性。
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 (3)
1.一种变压器运输过程机械冲击损坏的频域分析方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、物资运输在线监测终端通过加速度传感器实时采集变压器运输过程中的振动加速度信号，并将采集的加速度时域数据保存在数据缓冲区中；
S2、基于数据缓冲区中的加速度时域数据，冲击记录仪采用快速傅里叶变换计算1~30Hz各个频率的加速度幅值；
S3、基于步骤S2的加速度幅值计算冲击能量；
S4、取各个频率下的冲击能量最大值，与变压器损害冲击阀值进行比较；
S5、大于变压器损害冲击阀值则判定有损害发生，生成预警报文，并保存数据波形。
2.根据权利要求1所述的一种变压器运输过程机械冲击损坏的频域分析方法，其特征在于：在步骤S2中，采用快速傅里叶变换对加速度时域数据a(t)计算，得到1~30Hz各频率f n 的加速度幅值a(f n )，
；
；
；
式中：a 0为初始加速度，T为周期，ω为角速度，Cn为n次分量cos分量的系数，Sn为n次分量sin分量的系数，，/>，N为采样点个数。
3.根据权利要求2所述的一种变压器运输过程机械冲击损坏的频域分析方法，其特征在于：在步骤S3中，基于加速度幅值计算冲击能量，具体公式为：
ΔV=a(f n )×(1-cos(1/2 f n ))；
其中：ΔV为冲击能量。
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