CN117056698A - 基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法 - Google Patents

基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法 Download PDF

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Abstract

本发明的实施例提供了一种基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，涉及变压器状态监测技术领域。该方法通过对OLTC上的振动信号进行监测，采集一定时长的振动信号，首先对振动信号进行高通滤波处理，然后通过加窗和分帧并求取每帧的短时过零率，最后通过设置短时过零率阈值和持续时间阈值，逐帧对比获取信号的起点和终点，实现切换阶段振动信号的定位及分离。该方法能自动实现OLTC切换阶段振动信号提取，为OLTC性能监测及评估提供支撑，具有很好的实用价值。

Description

基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离 方法
技术领域
本发明涉及变压器状态监测技术领域，具体而言，涉及一种基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法。
背景技术
有载分接开关(英文名：on-load tap-changer，简称：OLTC)与变压器调压线圈相连，在变压器处于运行状态下动态切换线圈匝数，实现了电压的动态调节。OLTC是变压器中唯一频繁动作部件，运行过程中承受机、电、热等多种应力作用，故障率较高。据有关统计结果显示：30％的变压器故障来自于OLTC，因此对OLTC状态进行监测具有重要意义。
由于OLTC在切换时，电机、连杆、齿轮箱、快速机构、触头等零部件会进行一系列的机械运动并引起振动。这些振动信号包含丰富的设备状态信息，因而被广泛用于OLTC状态监测。从OLTC切换阶段振动信号中提取特征量指标、并形成机械故障的诊断方法是这一监测技术的关键，而这又建立在从一定时长的振动信号中定位并分离出切换阶段振动信号片段的基础之上，目前关于如何提取切换阶段振动信号片段的研究极少，不便于该项技术的推广和使用。
发明内容
本发明的目的包括提供一种基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其能够提取切换阶段的振动信号片段，为OLTC的状态评估提供支撑。
本发明的实施例可以这样实现：
本发明提供一种基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，方法包括：
S1：在OLTC换挡时，采用加速度传感器采集OLTC的振动信号x(n)，其中，n为采集次数的序号，n＝1，2，···，N；
S2：对采集到的振动信号x(n)进行高通滤波预处理，去掉振动信号x(n)中的低频干扰；
S3：对振动信号x(n)进行加窗和分帧处理，得到若干段以帧为单元组成的振动信号片段，第i帧振动信号片段记为yi(n)；
S4：求取每帧振动信号片段的短时过零率，第i帧振动信号片段yi(n)的短时过零率记为Zi(n)；
S5：基于短时过零率Zi(n)和第一阈值Zthres1，确定切换阶段振动信号开始的帧数；
S6：基于短时过零率Zj(n)和第二阈值Zthres2，确定切换阶段振动信号结束的帧数；
S7：基于振动信号开始的帧数和结束的帧数，定位和分离出OLTC切换阶段的振动信号片段。
在可选的实施方式中，在S3中，第i帧振动信号片段yi(n)的表达式为：
yi(n)＝ω(n)x((i-1)inc+n)
1≤n≤wlen,1≤i≤fn
式中：ω(n)为窗函数，wlen为帧长，inc为帧移长度，fn为振动信号分帧后的总帧数。
在可选的实施方式中，在S4中，短时过零率Zi(n)的计算公式如下：
式中：sgn是符号函数，满足：
在可选的实施方式中，S5包括：
当Zi(n)＞Zthres1且之后连续Tthres1时间内振动信号片段的短时过零率均大于Zthres1时，则认定切换阶段振动信号从第i帧开始。
在可选的实施方式中，在S5中，第一阈值Zthres1的计算公式如下：
Zthres1＝k1Zmax
式中：k1为系数，大于1，Zmax为前几帧背噪信号的短时过零率最大值。
在可选的实施方式中，在S5中，第一阈值Zthres1设置为20，时间阈值Tthres1设置为4ms。
在可选的实施方式中，S6包括：
当Zj(n)＜Zthres2且之后Tthres2时间内振动信号片段的短时过零率均小于Zthres2时，则认定切换阶段振动信号从第j帧结束。
在可选的实施方式中，在S6中，第二阈值Zthres2的计算公式如下：
Zthres2＝k2Zmax
式中：k2为系数，大于1，Zmax为前几帧背噪信号的短时过零率最大值。
在可选的实施方式中，在S6中，第二阈值Zthres2设置为25，时间阈值Tthres2设置为5ms。
在可选的实施方式中，加速度传感器的安装位置是0LTC的油箱顶盖上或变压器油箱外壳上。
本发明实施例提供的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法的有益效果包括：
通过对OLTC上的振动信号进行监测，采集一定时长的振动信号，首先对振动信号进行高通滤波处理，然后通过加窗和分帧并求取每帧的短时过零率，最后通过设置短时过零率阈值(包括第一阈值Zthres1和第二阈值Zthres2)和持续时间阈值(包括时间阈值Tthres1和时间阈值Tthres2)，逐帧对比获取信号的起点和终点，实现切换阶段振动信号的定位及分离。该方法能自动实现OLTC切换阶段振动信号提取，为OLTC性能监测及评估提供支撑，具有很好的实用价值。
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。
图1为本发明实施例提供的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法的流程图；
图2为实施例中采集到的振动信号的时域波形图；
图3为实施例中振动信号片段的短时郭玲绿分别图；
图4为实施例中提取的OLTC的切换阶段振动信号片段。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
短时分析法被广泛地应用于语音信号处理中，OLTC的振动信号与语音信号类似，是非线性、非平稳信号，可以考虑将其应用到OLTC的振动信号定位及分离中。
请参考图1，本实施例提供了一种基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法(以下简称：方法)，方法包括以下步骤：
S1：在OLTC换挡时，采用加速度传感器采集OLTC的振动信号x(n)，其中，n为采集次数的序号，n＝1，2，···，N。
其中，振动信号x(n)包含OLTC的切换阶段和未切换阶段两个部分。加速度传感器的安装位置可以是OLTC的油箱顶盖上或变压器油箱外壳上。
S2：对采集到的振动信号x(n)进行高通滤波预处理，去掉振动信号x(n)中的低频干扰。
S3：对振动信号x(n)进行加窗和分帧处理，得到若干段以帧为单元组成的振动信号片段，第i帧振动信号片段记为yi(n)。
其中，第i帧振动信号片段yi(n)的表达式为：
yi(n)＝ω(n)x((i-1)inc+n)
1≤n≤wlen,1≤i≤fn
式中：ω(n)为窗函数，wlen为帧长，inc为帧移长度，fn为振动信号分帧后的总帧数。
S4：求取每帧振动信号片段的短时过零率，第i帧振动信号片段yi(n)的短时过零率记为Zi(n)。
其中，短时过零率Zi(n)的计算公式如下：
式中：sgn是符号函数，满足：
由于S1中采集的振动信号中，前几帧振动信号为背噪信号，因此，需要获取背噪信号之后的振动信号。对此，设置第一阈值Zthres1和第二阈值Zthres2：
Zthres1＝k1Zmax
Zthres2＝k2Zmax
式中：k1、k2均为系数，均大于1，Zmax为前几帧背噪信号的短时过零率最大值。
S5：基于短时过零率Zi(n)和第一阈值Zthres1，确定切换阶段振动信号开始的帧数。
具体的，将第i帧振动信号片段yi(n)的短时过零率Zi(n)与第一阈值Zthres1进行比较。
当Zi(n)＞Zthres1且之后连续Tthres1时间内振动信号片段的短时过零率均大于Zthres1时，则认定切换阶段振动信号从第i帧开始。其中，当Zi(n)＞Zthres1时，第i帧振动信号片段yi(n)可能是振动信号的开始位置，为排除短暂噪声干扰，设定时间阈值Tthres1，当Zi(n)＞Zthres1且之后Tthres1时间内振动信号片段的短时过零率均大于Zthres1时，则认定切换阶段振动信号从第i帧开始。
S6：基于短时过零率Zj(n)和第二阈值Zthres2，确定切换阶段振动信号结束的帧数。
具体的，将第j帧振动信号片段Zj(n)的短时过零率Zj(n)与第二阈值Zthres2进行比较。
当Zj(n)＜Zthres2且之后Tthres2时间内振动信号片段的短时过零率均小于Zthres2时，则认定切换阶段振动信号从第j帧结束。其中，当Zj(n)＜Zthres2时，第j帧振动信号片段yj(n)可能是振动信号的结束位置，为排除振动波动的影响，设定时间阈值Tthres2，当Zj(n)＜Zthres2且之后Tthres2时间内振动信号片段的短时过零率均小于Zthres2时，则认定切换阶段振动信号从第j帧结束。
S7：基于振动信号开始的帧数和结束的帧数，定位和分离出OLTC切换阶段的振动信号片段。
实施例
步骤1：在OLTC换挡时，在OLTC的油箱顶盖上或变压器油箱外壳上布置加速度传感器采集振动信号，一次采集一定时长的振动信号x(n),(n＝1,2,…,N)，该振动信号包含OLTC切换阶段和未切换阶段两个部分；在本实施例中采集的振动信号如图2所示，采集时长为8s，采样率为50kS/s，其中6s～6.25s时间段信号为切换阶段振动信号，其余时间段为背噪信号。
步骤2：对采集的振动信号进行高通滤波预处理，去掉振动信号中的低频干扰。
步骤3：对振动信号进行加窗和分帧处理，得到若干段以帧为单元组成的振动信号片段。在本实施例中采用的窗函数为汉明窗，窗长和帧移分别为5ms和2.5ms。
步骤4：求取每帧振动信号片段的短时过零率，得到振动信号片段的短时过零率分布图，如图3所示。可以看出，从第2406帧至2492帧振动信号片段的短时过零率明显大于0，最大值将近140，而其余帧短时过零率均趋近于0。
步骤5：由于前几帧振动信号为背噪信号，获得前几帧背噪信号的短时过零率最大值Zmax，设置第一阈值Zthres1和第二阈值Zthres2。在本实施例中前50帧信号短时能量最大值为5，系数k1、k2取值分别为4和5，即第一阈值Zthres1和第二阈值Zthres2分别设置为20和25。
步骤6：将每帧振动信号片段的短时过零率与Zthres1比较。当第i帧振动信号片段的短时过零率Zi(n)大于Zthres1时，第i帧可能是振动信号的开始位置。为排除短暂噪声干扰，设定时间阈值Tthres1，当Zi(n)＞Zthres1且之后Tthres1时间内振动信号片段的短时过零率均大于Zthres1时，则认定切换阶段振动信号从第i帧开始。本实施例时间阈值Tthres1设置为4ms，提取的信号起点如图3中左侧虚线所示。
步骤7：在检测到信号开始后，若第j帧振动信号片段的短时过零率Zj(n)小于Zthres2时，第j帧可能是振动信号的结束位置。为排除振动波动的影响，设定时间阈值Tthres2，Tthres2时间内仍未有超过Zthres2的信号出现时，则认为切换阶段振动信号从第j帧结束。本实施例时间阈值Tthres2设置为5ms，提取的信号起点如图3中右侧虚线所示。
步骤8：基于获取的起点和终点，成功分离出OLTC切换阶段振动信号片段。本实施例中定位并分离的OLTC切换阶段振动信号如图4所示，可以看出本方法能准确、有效提取出OLTC振动信号。
本实施例提供的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法的有益效果包括：
通过对OLTC的油箱顶盖上或变压器油箱外壳上的振动信号进行监测，采集一定时长的振动信号，首先对振动信号进行高通滤波处理，然后通过加窗和分帧并求取每帧的短时过零率，最后通过设置短时过零率阈值(包括第一阈值Zthres1和第二阈值Zthres2)和持续时间阈值(包括时间阈值Tthres1和时间阈值Tthres2)，逐帧对比获取信号的起点和终点，实现切换阶段振动信号的定位及分离。该方法能自动实现OLTC切换阶段振动信号提取，为OLTC性能监测及评估提供支撑，具有很好的实用价值。
以上，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：在OLTC换挡时，采用加速度传感器采集OLTC的振动信号x(n)，其中，n为采集次数的序号，n＝1，2，···，N；
S2：对采集到的振动信号x(n)进行高通滤波预处理，去掉振动信号x(n)中的低频干扰；
S3：对振动信号x(n)进行加窗和分帧处理，得到若干段以帧为单元组成的振动信号片段，第i帧振动信号片段记为yi(n)；
S4：求取每帧振动信号片段的短时过零率，第i帧振动信号片段yi(n)的短时过零率记为Zi(n)；
S5：基于短时过零率Zi(n)和第一阈值Zthres1，确定切换阶段振动信号开始的帧数；
S6：基于短时过零率Zj(n)和第二阈值Zthres2，确定切换阶段振动信号结束的帧数；
S7：基于振动信号开始的帧数和结束的帧数，定位和分离出OLTC切换阶段的振动信号片段。
2.根据权利要求1所述的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，在S3中，第i帧振动信号片段yi(n)的表达式为：
yi(n)＝ω(n)x((i-1)inc+n)
1≤n≤wlen,1≤i≤fn
式中：ω(n)为窗函数，wlen为帧长，inc为帧移长度，fn为振动信号分帧后的总帧数。
3.根据权利要求2所述的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，在S4中，短时过零率Zi(n)的计算公式如下：
式中：sgn是符号函数，满足：
4.根据权利要求1所述的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，S5包括：
当Zi(n)＞Zthres1且之后连续Tthres1时间内振动信号片段的短时过零率均大于Zthres1时，则认定切换阶段振动信号从第i帧开始。
5.根据权利要求4所述的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，在S5中，第一阈值Zthres1的计算公式如下：
Zthres1＝k1Zmax
式中：k1为系数，大于1，Zmax为前几帧背噪信号的短时过零率最大值。
6.根据权利要求5所述的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，在S5中，第一阈值Zthres1设置为20，时间阈值Tthres1设置为4ms。
7.根据权利要求1所述的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，S6包括：
当Zj(n)＜Zthres2且之后Tthres2时间内振动信号片段的短时过零率均小于Zthres2时，则认定切换阶段振动信号从第j帧结束。
8.根据权利要求7所述的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，在S6中，第二阈值Zthres2的计算公式如下：
Zthres2＝k2Zmax
式中：k2为系数，大于1，Zmax为前几帧背噪信号的短时过零率最大值。
9.根据权利要求7所述的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，在S6中，第二阈值Zthres2设置为25，时间阈值Tthres2设置为5ms。
10.根据权利要求1所述的基于短时分析的变压器有载分接开关切换振动信号定位分离方法，其特征在于，所述加速度传感器的安装位置是0LTC的油箱顶盖上或变压器油箱外壳上。
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